開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET管損壞模式及分析

目前，功率MOSFET管廣泛地應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)及其他功率電子電路中。實(shí)際應(yīng)用中，特別是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管有時(shí)候會(huì)發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET管送到半導(dǎo)體原廠做失效分析后，分析報(bào)告的結(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。
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)地分析過(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管的失效發(fā)生在開(kāi)通的過(guò)程中或發(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)，找到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，提高電子系統(tǒng)的可靠性。
1 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40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封裝。通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)控制，將60 V的電壓直接加到AON6240的D極和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)量為5片。

過(guò)電流測(cè)試的電路圖如圖1(b)所示，選用40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封裝。首先合上開(kāi)關(guān)A，用20 V的電源給大電容充電，電容C的容值為15 mF，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管的D極和S極，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)電壓幅值為4 V、持續(xù)時(shí)間為1 s的單脈沖，加到功率MOSFET管的G極。測(cè)試樣品數(shù)量為5片。
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管去除外面的塑料外殼，露出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管內(nèi)部的寄生三極管導(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管內(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，圖中擊穿小孔洞(即熱點(diǎn))正好都位于硅片的中間區(qū)域。
從圖2(b)可以看到，在過(guò)流損壞的條件下，所有的損壞位置都發(fā)生在S極，而且比較靠近G極。這是因?yàn)殡娙莘烹娦纬纱蟮碾娏髁鬟^(guò)功率MOSFET管，所有的電流匯集于S極，此時(shí)溫度最高，最容易產(chǎn)生損壞。
功率MOSFET管內(nèi)部由許多單元并聯(lián)形成，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極越近的區(qū)域，VGS的電壓越高，流過(guò)該區(qū)域的單元電流越大，在瞬態(tài)開(kāi)通過(guò)程承擔(dān)的電流就越大。因此，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。

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，更多的損壞發(fā)生在過(guò)流后，由于系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)電路工作，關(guān)斷功率MOSFET，而在關(guān)斷的過(guò)程中常發(fā)生過(guò)壓(即雪崩)。圖2(c)即為功率MOSFET管先發(fā)生過(guò)流，然后進(jìn)入雪崩發(fā)生過(guò)壓的損壞形態(tài)。與過(guò)流損壞形式類(lèi)似，過(guò)壓多發(fā)生在靠近S極的地方。但是也存在因?yàn)檫^(guò)壓產(chǎn)生的擊穿洞坑遠(yuǎn)離S極的情況。這是因?yàn)樵陉P(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，一旦負(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管，以免電池產(chǎn)生過(guò)放電。與短路或過(guò)流保護(hù)快速關(guān)斷方式不同，功率MOSFET管是以非常慢的速度關(guān)斷，如圖4所示。功率MOSFET管的G極通過(guò)一個(gè)1 MΩ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)5 ms。米勒平臺(tái)期間，功率MOSFET管工作在放大狀態(tài)，即線(xiàn)性區(qū)。
功率MOSFET管開(kāi)始工作的電流為10 A，使用器件為AO4488，失效的形態(tài)如圖4(c)所示。當(dāng)功率MOSFET管工作在線(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，致使溫度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致過(guò)熱損壞。可以看出，其損壞的熱點(diǎn)的面積較大，這是因?yàn)樵搮^(qū)域經(jīng)過(guò)了一定時(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)生于關(guān)斷過(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管內(nèi)部，局部性能弱的單元，其封裝形式和工藝都會(huì)對(duì)破位的位置產(chǎn)生影響。
不僅如此，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，在起動(dòng)的過(guò)程中，功率MOSFET管由于驅(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)試時(shí)，功率MOSFET管不斷地進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，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5 V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 A，工作頻率為8 Hz。重復(fù)450次后，器件損壞，波形和失效圖片如圖4(b)和圖4(c)所示?？梢钥吹?，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)間工作于線(xiàn)性區(qū)而發(fā)生損壞。
圖4(e)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)程發(fā)生失效的圖片。起動(dòng)過(guò)程中，MOSFET實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，MOSFET工作在線(xiàn)性區(qū)，失效形態(tài)與圖4(c)相同。
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)。如果損壞位置距離G極近，則開(kāi)通過(guò)程中損壞的幾率更大；如果損壞位置距離G極遠(yuǎn)，則關(guān)斷開(kāi)通過(guò)程中損壞幾率更大。功率MOSFET管在線(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。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。
參考文獻(xiàn)
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