功率MOSFET損壞模式及分析
[導讀]摘要：本文結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài)，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下?lián)p壞的模式，并說明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因，也分析了功率MOSFET管在關(guān)斷及開通過程中，發(fā)生失效形態(tài)的差別，從而為失效是在關(guān)斷還是在開通過程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出...
摘要：本文結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài)，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下?lián)p壞的模式，并說明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因，也分析了功率MOSFET管在關(guān)斷及開通過程中，發(fā)生失效形態(tài)的差別，從而為失效是在關(guān)斷還是在開通過程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。同時，也分析了功率MOSFET管在動態(tài)老化測試中慢速開通及在電池保護電路應用中慢速關(guān)斷時，較長時間工作在線性區(qū)時，損壞的形態(tài)。最后，結(jié)合實際的應用，論述了功率MOSFET通常會產(chǎn)生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。
關(guān)鍵詞：過流，過壓，熱點，線性區(qū), 過電性應力
0 前言
目前，功率MOSFET管廣泛地應用于開關(guān)電源系統(tǒng)及其它的一些功率電子電路中，然而，在實際的應用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統(tǒng)的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態(tài)的老化測試中，功率MOSFET有時候會發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結(jié)論通常是過電性應力EOS，無法判斷是什么原因?qū)е翸OSFET的損壞。
本文將通過功率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)的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時，根據(jù)損壞位置不同，分析功率MOSFET管的失效是發(fā)生在開通的過程中，還是發(fā)生在關(guān)斷的過程中，從而為設(shè)計工程師提供一些依據(jù)，來找到系統(tǒng)設(shè)計的一些問題，提高電子系統(tǒng)的可靠性。
1、過電壓和過電流測試電路
過電壓測試的電路圖如圖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，使用開關(guān)來控制，將60V的電壓直接加到AON6240的D和S極，熔絲用來保護測試系統(tǒng)，功率MOSFET損壞后，將電源斷開。測試樣品數(shù)量：5片。
過電流測試的電路圖如圖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，然后斷開開關(guān)A，合上開關(guān)B，將電容C的電壓加到功率MOSFET的D和S極，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個電壓幅值為4V、持續(xù)時間為1秒的單脈沖，加到功率MOSFET的G極。測試樣品數(shù)量：5片。(a)：過電壓測試(b)：過電流測試
圖1：:測試電路圖
2、過電壓和過電流失效損壞
將過電壓和過電流測試損壞的功率MOSFET去除外面的塑料外殼，對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。
(a)：過電壓損壞(b)：過電流損壞
圖2：失效圖片
從圖2(a)可以看到：過電壓的失效形態(tài)是在硅片中間的某一個位置產(chǎn)生一個擊穿小孔洞，通常稱為熱點，其產(chǎn)生的原因就是因為過壓而產(chǎn)生雪崩擊穿，在過壓時，通常導致功率MOSFET內(nèi)部寄生三極管的導通[1]，由于三極管具有負溫度系數(shù)特性，當局部流過三極管的電流越大時，溫度越高，而溫度越高，流過此局部區(qū)域的電流就越大，從而導致功率MOSFET內(nèi)部形成局部的熱點而損壞。
硅片中間區(qū)域是散熱條件最差的位置，也是最容易產(chǎn)生熱點的地方，可以看到，上圖中，擊穿小孔洞即熱點，正好都位于硅片的中間區(qū)域。
在過流損壞的條件下，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，因為電容的能量放電形成大電流，全部流過功率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，在開通過程中，離G極近地區(qū)域，VGS的電壓越高，因此區(qū)域的單元流過電流越大，因此在瞬態(tài)開通過程承擔更大的電流，這樣，離G極近的S極區(qū)域，溫度更高，更容易因過流產(chǎn)生損壞。(a) ：內(nèi)部結(jié)構(gòu)?????(b)：等效電路
圖3：功率MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路
3、過電壓和過電流混合失效損壞
在實際應用中，單一的過電流和過電流的損壞通常很少發(fā)生，更多的損壞是發(fā)生過流后，由于系統(tǒng)的過流保護電路工作，將功率MOSFET關(guān)斷，這樣，在關(guān)斷的過程中，發(fā)生過壓即雪崩。從圖4可以看到功率MOSFET先過流，然后進入雪崩發(fā)生過壓的損壞形態(tài)。圖4：過流后再過壓損壞形態(tài)
可以看到，和上面過流損壞形式類似，它們也發(fā)生在靠近S極的地方，同時，也有因為過壓產(chǎn)生的擊穿的洞坑，而損壞的位置遠離S極，和上面的分析類似，在關(guān)斷的過程，距離G極越遠的位置，在瞬態(tài)關(guān)斷過程中，VGS的電壓越高，承擔電流也越大，因此更容易發(fā)生損壞。
4、線性區(qū)大電流失效損壞
在電池充放電保護電路板上，通常，負載發(fā)生短線或過流電，保護電路將關(guān)斷功率MOSFET，以免電池產(chǎn)生過放電。但是，和通常短路或過流保護快速關(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極通過一個1M的電阻，緩慢關(guān)斷。從VGS波形上看到，米勒平臺的時間高達5ms。米勒平臺期間，功率MOSFET工作在放大狀態(tài)，即線性區(qū)。
功率MOSFET工作開始工作的電流為10A，使用器件為AO4488，失效的形態(tài)如圖5(c)所示。當功率MOSFET工作在線性區(qū)時，它是負溫度系數(shù)[2]，局部單元區(qū)域發(fā)生過流時，同樣會產(chǎn)生局部熱點，溫度越高，電流越大，導致溫度更一步增加，然后過熱損壞。可以看出，其損壞的熱點的面積較大，是因為此區(qū)域過一定時間的熱量的積累。
另外，破位的位置離G極較遠，損壞同樣發(fā)生的關(guān)斷的過程，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。
在功率MOSFET內(nèi)部，局部性能弱的單元，封裝的形式和工藝，都會對破位的位置產(chǎn)生影響。
(a) ：電池保護板電路??? (b)：工作波形(c)：失效圖片
圖5：電池保護電路板工作波形及MOSFET失效形態(tài)
一些電子系統(tǒng)在起動的過程中，芯片的VCC電源，也是功率MOSFET管的驅(qū)動電源建立比較慢，如在照明中，使用PFC的電感繞組給PWM控制芯片供電，這樣，在起動的過程中，功率MOSFET由于驅(qū)動電壓不足，容易進入線性區(qū)工作。在進行動態(tài)老化測試的時候，功率MOSFET不斷的進入線性區(qū)工作，工作一段時間后，就會形成局部熱點而損壞。
使用AOT5N50作測試，G極加5V的驅(qū)動電壓，做開關(guān)機的重復測試，電流ID=3，工作頻率8Hz重復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，而且離G極比較近，因此，器件是在開通過程中，由于長時間工作線性區(qū)產(chǎn)生的損壞。
圖6(a)是器件 AOT5N50應用于日光燈電子鎮(zhèn)流器的PFC電路，系統(tǒng)在動態(tài)老化測試過程生產(chǎn)失效的圖片，而且測試實際的電路，在起動過程中，MOSFET實際驅(qū)動電壓只有5V左右，MOSFET相當于有很長的一段時間工作在線性區(qū)，失效形態(tài)和圖6(b)相同。
(a)：失效圖片????(b)：失效圖片(c)：失效波形圖6：MOSFET開通工作在線性區(qū)工作波形及失效形態(tài)
5、結(jié)論
（1）功率MOSFET單一的過電壓損壞形態(tài)通常是在中間散熱較差的區(qū)域產(chǎn)生一個局部的熱點，而單一的過電流的損壞位置通常是在電流集中的靠近S極的區(qū)域。實際應用中，通常先發(fā)生過流，短路保護MOSFET關(guān)斷后，又經(jīng)歷雪崩過壓的復合損壞形態(tài)。
（2）損壞位置距離G極近，開通過程中損壞的幾率更大；損壞位置距離G極遠，關(guān)斷開通過程中損壞幾率更大。
（3）功率MOSFET在線性區(qū)工作時，產(chǎn)生的失效形態(tài)也是局部的熱點，熱量的累積影響損壞熱點洞坑的大小。
（4）散熱條件是決定失效損壞發(fā)生位置的重要因素，芯片的封裝類型及封裝工藝影響芯片的散熱條件。另外，芯片生產(chǎn)工藝產(chǎn)生單元性能不一致而形成性能較差的單元，也會影響到損壞的位置。
參考文獻
[1] 劉松. 基于漏極導通區(qū)特性理解MOSFET開關(guān)過程. 今日電子.2008, 11
[2] 劉松. 理解功率MOSFET的開關(guān)損耗. 今日電子, 2009.10
[3] 劉松. 理解功率MOSFET的電流. 今日電子, 2011.11
[4] 劉松. 理解功率MOSFET的Rds(on)溫度系數(shù)特性. 今日電子, 2009.11
[5] 劉松. 應用于線性調(diào)節(jié)器的中壓功率功率MOSFET的選擇. 今日電子, 2012.2
--本文發(fā)表于《電子技術(shù)應用》2013.3
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