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原創(chuàng)深挖:各種開(kāi)關(guān)電源功率MOSFET損壞的原因和形態(tài)

發(fā)布時(shí)間:2013-08-21 來(lái)源:電子元件技術(shù)網(wǎng)論壇 責(zé)任編輯:Cynthiali

【導(dǎo)讀】工程師們將損壞的功率MOSFET送到半導(dǎo)體原廠做失效分析后,得到的結(jié)論通常是過(guò)電性應(yīng)力EOS,卻無(wú)法判斷是什么原因?qū)е翸OSFET的損壞。功率MOSFET損壞有哪些原因和形態(tài)?一牛人拍下了功率MOSFET不同損壞形態(tài)的失效分析圖片,結(jié)合功率MOSFET管的工作特性,系統(tǒng)的分析開(kāi)關(guān)電源功率MOSFET各種損壞模式,還給出了測(cè)試過(guò)電流和過(guò)電壓的電路圖哦。

結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài),論述了功率MOSFET管分別在過(guò)電流和過(guò)電壓條件下?lián)p壞的模式,并說(shuō)明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因,也分析了功率MOSFET管在關(guān)斷及開(kāi)通過(guò)程中,發(fā)生失效形態(tài)的差別,從而為失效是在關(guān)斷還是在開(kāi)通過(guò)程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出了測(cè)試過(guò)電流和過(guò)電壓的電路圖。

同時(shí),也分析了功率MOSFET管在動(dòng)態(tài)老化測(cè)試中慢速開(kāi)通及在電池保護(hù)電路應(yīng)用中慢速關(guān)斷時(shí),較長(zhǎng)時(shí)間工作在線性區(qū)時(shí),損壞的形態(tài)。最后,結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用,論述了功率MOSFET通常會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流和過(guò)電壓二種混合損壞方式損壞機(jī)理和過(guò)程。
功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流失效損壞
目前,功率MOSFET管廣泛地應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)及其它的一些功率電子電路中,然而,在實(shí)際的應(yīng)用中,通常,在一些極端的邊界條件下,如系統(tǒng)的輸出短路及過(guò)載測(cè)試,輸入過(guò)電壓測(cè)試以及動(dòng)態(tài)的老化測(cè)試中,功率MOSFET有時(shí)候會(huì)發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導(dǎo)體原廠做失效分析后,得到的失效分析報(bào)告的結(jié)論通常是過(guò)電性應(yīng)力EOS,無(wú)法判斷是什么原因?qū)е翸OSFET的損壞。

本文將通過(guò)功率MOSFET管的工作特性,結(jié)合失效分析圖片中不同的損壞形態(tài),系統(tǒng)的分析過(guò)電流損壞和過(guò)電壓損壞,同時(shí),根據(jù)損壞位置不同,分析功率MOSFET管的失效是發(fā)生在開(kāi)通的過(guò)程中,還是發(fā)生在關(guān)斷的過(guò)程中,從而為設(shè)計(jì)工程師提供一些依據(jù),來(lái)找到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題,提高電子系統(tǒng)的可靠性。

1 功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流測(cè)試電路

過(guò)電壓測(cè)試的電路圖如圖1(a)所示,選用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封裝。其中,所加的電源為60V,使用開(kāi)關(guān)來(lái)控制,將60V的電壓直接加到AON6240的D和S極,熔絲用來(lái)保護(hù)測(cè)試系統(tǒng),功率MOSFET損壞后,將電源斷開(kāi)。測(cè)試樣品數(shù)量:5片。

過(guò)電流測(cè)試的電路圖如圖2(b)所示,選用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封裝。首先合上開(kāi)關(guān)A,用20V的電源給大電容充電,電容C的容值:15mF,然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)A,合上開(kāi)關(guān)B,將電容C的電壓加到功率MOSFET的D和S極,使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)電壓幅值為4V、持續(xù)時(shí)間為1秒的單脈沖,加到功率MOSFET的G極。測(cè)試樣品數(shù)量:5片。

過(guò)電壓和過(guò)電流測(cè)試電路
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2   功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流失效損壞

將過(guò)電壓和過(guò)電流測(cè)試損壞的功率MOSFET去除外面的塑料外殼,對(duì)露出的硅片正面失效損壞的形態(tài)的圖片,分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

從圖2(a)可以看到:過(guò)電壓的失效形態(tài)是在硅片中間的某一個(gè)位置產(chǎn)生一個(gè)擊穿小孔洞,通常稱(chēng)為熱點(diǎn),其產(chǎn)生的原因就是因?yàn)檫^(guò)壓而產(chǎn)生雪崩擊穿,在過(guò)壓時(shí),通常導(dǎo)致功率MOSFET內(nèi)部寄生三極管的導(dǎo)通,由于三極管具有負(fù)溫度系數(shù)特性,當(dāng)局部流過(guò)三極管的電流越大時(shí),溫度越高,而溫度越高,流過(guò)此局部區(qū)域的電流就越大,從而導(dǎo)致功率MOSFET內(nèi)部形成局部的熱點(diǎn)而損壞。

硅片中間區(qū)域是散熱條件最差的位置,也是最容易產(chǎn)生熱點(diǎn)的地方,可以看到,上圖中,擊穿小孔洞即熱點(diǎn),正好都位于硅片的中間區(qū)域。

在過(guò)流損壞的條件下,圖2(b )的可以看到:所有的損壞位置都是發(fā)生的S極,而且比較靠近G極,因?yàn)殡娙莸哪芰糠烹娦纬纱箅娏?,全部流過(guò)功率MOSFET,所有的電流全部要匯集中S極,這樣,S極附近產(chǎn)生電流 集中,因此溫度最高,也最容易產(chǎn)生損壞。

注意到,在功率MOSFET內(nèi)部,是由許多單元并聯(lián)形成的,如圖3(a)所示,其等效的電路圖如圖3(b )所示,在開(kāi)通過(guò)程中,離G極近地區(qū)域,VGS的電壓越高,因此區(qū)域的單元流過(guò)電流越大,因此在瞬態(tài)開(kāi)通過(guò)程承擔(dān)更大的電流,這樣,離G極近的S極區(qū)域,溫度更高,更容易因過(guò)流產(chǎn)生損壞。

功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流失效損壞

功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流失效損壞

功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流失效損壞
圖中加紅圈圈的地方,就是損壞的BURN MARK
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3 功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流混合失效損壞


在實(shí)際應(yīng)用中,單一的過(guò)電流和過(guò)電流的損壞通常很少發(fā)生,更多的損壞是發(fā)生過(guò)流后,由于系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)電路工作,將功率MOSFET關(guān)斷,這樣,在關(guān)斷的過(guò)程中,發(fā)生過(guò)壓即雪崩。從圖4可以看到功率MOSFET先過(guò)流,然后進(jìn)入雪崩發(fā)生過(guò)壓的損壞形態(tài)。

可以看到,和上面過(guò)流損壞形式類(lèi)似,它們也發(fā)生在靠近S極的地方,同時(shí),也有因?yàn)檫^(guò)壓產(chǎn)生的擊穿的洞坑,而損壞的位置遠(yuǎn)離S極,和上面的分析類(lèi)似,在關(guān)斷的過(guò)程,距離G極越遠(yuǎn)的位置,在瞬態(tài)關(guān)斷過(guò)程中,VGS的電壓越高,承擔(dān)電流也越大,因此更容易發(fā)生損壞。

功率MOSFET過(guò)電壓和過(guò)電流混合失效損壞

4 功率MOSFET線性區(qū)大電流失效損壞


在電池充放電保護(hù)電路板上,通常,負(fù)載發(fā)生短線或過(guò)流電,保護(hù)電路將關(guān)斷功率MOSFET,以免電池產(chǎn)生過(guò)放電。但是,和通常短路或過(guò)流保護(hù)快速關(guān)斷方式不同,功率MOSFET以非常慢的速度關(guān)斷,如下圖5所示,功率MOSFET的G極通過(guò)一個(gè)1M的電阻,緩慢關(guān)斷。從VGS波形上看到,米勒平臺(tái)的時(shí)間高達(dá)5ms。米勒平臺(tái)期間,功率MOSFET工作在放大狀態(tài),即線性區(qū)。

功率MOSFET工作開(kāi)始工作的電流為10A,使用器件為AO4488,失效的形態(tài)如圖5(c)所示。當(dāng)功率MOSFET工作在線性區(qū)時(shí),它是負(fù)溫度系數(shù),局部單元區(qū)域發(fā)生過(guò)流時(shí),同樣會(huì)產(chǎn)生局部熱點(diǎn),溫度越高,電流越大,導(dǎo)致溫度更一步增加,然后過(guò)熱損壞。可以看出,其損壞的熱點(diǎn)的面積較大,是因?yàn)榇藚^(qū)域過(guò)一定時(shí)間的熱量的積累。另外,破位的位置離G極較遠(yuǎn),損壞同樣發(fā)生的關(guān)斷的過(guò)程,破位的位置在中間區(qū)域,同樣,也是散熱條件最差的區(qū)域.

另外,在功率MOSFET內(nèi)部,局部性能弱的單元,封裝的形式和工藝,都會(huì)對(duì)破位的位置產(chǎn)生影響

另外,一些電子系統(tǒng)在起動(dòng)的過(guò)程中,芯片的VCC電源,也是功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電源建立比較慢,如在照明中,使用PFC的電感繞組給PWM控制芯片供電,這樣,在起動(dòng)的過(guò)程中,功率MOSFET由于驅(qū)動(dòng)電壓不足,容易進(jìn)入線性區(qū)工作。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化測(cè)試的時(shí)候,功率MOSFET不斷的進(jìn)入線性區(qū)工作,工作一段時(shí)間后,就會(huì)形成局部熱點(diǎn)而損壞。

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使用AOT5N50作測(cè)試,G極加5V的驅(qū)動(dòng)電壓,做開(kāi)關(guān)機(jī)的重復(fù)測(cè)試,電流ID=3,工作頻率8Hz重復(fù)450次后,器件損壞,波形和失效圖片如圖6(b)和(c)所示。可以看到,器件形成局部熱點(diǎn),而且離G極比較近,因此,器件是在開(kāi)通過(guò)程中,由于長(zhǎng)時(shí)間工作線性區(qū)產(chǎn)生的損壞。

圖6(a)是器件 AOT5N50在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中,在動(dòng)態(tài)老化測(cè)試過(guò)程生產(chǎn)失效的圖片,而且測(cè)試實(shí)際的電路,起動(dòng)過(guò)程中,MOSFET實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓5V,MOSFET工作在線性區(qū),失效形態(tài)和圖6(b)相同。

功率MOSFET線性區(qū)大電流失效損壞
功率MOSFET線性區(qū)大電流失效損壞

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