(a):過(guò)電壓測(cè)試
(b):過(guò)電流測(cè)試
圖1::測(cè)試電路圖
2、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。
(a):過(guò)電壓損壞
(b):過(guò)電流損壞
圖2:失效圖片
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[1],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鳎苛鬟^(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。
(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(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)。
圖4:過(guò)流后再過(guò)壓損壞形態(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。
4、線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性區(qū)時(shí),它是負(fù)溫度系數(shù)[2],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??梢钥闯?,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。
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。
(a) :電池保護(hù)板電路 (b):工作波形
(c):失效圖片
圖5:電池保護(hù)電路板工作波形及MOSFET失效形態(tài)
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(xiàn)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(xiàn)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。
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(xiàn)性區(qū)產(chǎn)生的損壞。
圖6(a)是器件 AOT5N50應(yīng)用于日光燈電子鎮(zhèn)流器的PFC電路,系統(tǒng)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,在起動(dòng)過(guò)程中,MOSFET實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓只有5V左右,MOSFET相當(dāng)于有很長(zhǎng)的一段時(shí)間工作在線(xiàn)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(kāi)通工作在線(xiàn)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(guò)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(gè)局部的熱點(diǎn),而單一的過(guò)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(shí)際應(yīng)用中,通常先發(fā)生過(guò)流,短路保護(hù)MOSFET關(guān)斷后,又經(jīng)歷雪崩過(guò)壓的復(fù)合損壞形態(tài)。
(2)損壞位置距離G極近,開(kāi)通過(guò)程中損壞的幾率更大;損壞位置距離G極遠(yuǎn),關(guān)斷開(kāi)通過(guò)程中損壞幾率更大。
(3)功率MOSFET在線(xiàn)性區(qū)工作時(shí),產(chǎn)生的失效形態(tài)也是局部的熱點(diǎn),熱量的累積影響損壞熱點(diǎn)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(lèi)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(huì)影響到損壞的位置。
(來(lái)源:21ic電子網(wǎng),作者:劉松)