開關(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)用于開關(guān)電源系統(tǒng)及其他功率電子電路中。實際應(yīng)用中，特別是在一些極端的邊界條件下，如系統(tǒng)的輸出短路及過載測試、輸入過電壓測試以及動態(tài)的老化測試中，功率MOSFET管有時候會發(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，分析報告的結(jié)論通常是過電性應(yīng)力EOS，卻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)地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管的失效發(fā)生在開通的過程中或發(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)，找到系統(tǒng)設(shè)計中的問題，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40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封裝。通過開關(guān)來控制，將60 V的電壓直接加到AON6240的D極和S極，熔絲用來保護(hù)測試系統(tǒng)，功率MOSFET損壞后，將電源斷開。測試樣品數(shù)量為5片。

過電流測試的電路圖如圖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，然后斷開開關(guān)A，合上開關(guān)B，將電容C的電壓加到功率MOSFET管的D極和S極，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個電壓幅值為4 V、持續(xù)時間為1 s的單脈沖，加到功率MOSFET管的G極。測試樣品數(shù)量為5片。
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(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(dǎo)致功率MOSFET管內(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，圖中擊穿小孔洞(即熱點)正好都位于硅片的中間區(qū)域。
從圖2(b)可以看到，在過流損壞的條件下，所有的損壞位置都發(fā)生在S極，而且比較靠近G極。這是因為電容放電形成大的電流流過功率MOSFET管，所有的電流匯集于S極，此時溫度最高，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。在開通過程中，離G極越近的區(qū)域，VGS的電壓越高，流過該區(qū)域的單元電流越大，在瞬態(tài)開通過程承擔(dān)的電流就越大。因此，離G極近的S極區(qū)域溫度更高，更容易因過流產(chǎn)生損壞。

3 過電壓和過電流混合失效損壞
在實際應(yīng)用中，單一的過電流和過電流的損壞通常很少發(fā)生，更多的損壞發(fā)生在過流后，由于系統(tǒng)的過流保護(hù)電路工作，關(guān)斷功率MOSFET，而在關(guān)斷的過程中常發(fā)生過壓(即雪崩)。圖2(c)即為功率MOSFET管先發(fā)生過流，然后進(jìn)入雪崩發(fā)生過壓的損壞形態(tài)。與過流損壞形式類似，過壓多發(fā)生在靠近S極的地方。但是也存在因為過壓產(chǎn)生的擊穿洞坑遠(yuǎn)離S極的情況。這是因為在關(guān)斷的過程，距離G極越遠(yuǎn)的位置，在瞬態(tài)關(guān)斷過程中，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)生短線或過流電，保護(hù)電路將關(guān)斷功率MOSFET管，以免電池產(chǎn)生過放電。與短路或過流保護(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極通過一個1 MΩ的電阻，緩慢關(guān)斷。從VGS波形上看到，米勒平臺的時間高達(dá)5 ms。米勒平臺期間，功率MOSFET管工作在放大狀態(tài)，即線性區(qū)。
功率MOSFET管開始工作的電流為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管工作在線性區(qū)時，它是負(fù)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，致使溫度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致過熱損壞。可以看出，其損壞的熱點的面積較大，這是因為該區(qū)域經(jīng)過了一定時間的熱量的積累。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對破位的位置產(chǎn)生影響。
不僅如此，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，在起動的過程中，功率MOSFET管由于驅(qū)動電壓不足，容易進(jìn)入線性區(qū)工作。在進(jìn)行動態(tài)老化測試時，功率MOSFET管不斷地進(jìn)入線性區(qū)，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5 V的驅(qū)動電壓，做開關(guān)機的重復(fù)測試，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?？梢钥吹剑骷纬删植繜狳c，而且離G極比較近。因此，器件是在開通過程中，由于長時間工作于線性區(qū)而發(fā)生損壞。
圖4(e)是器件 AOT5N50在一個實際應(yīng)用中，在動態(tài)老化測試過程發(fā)生失效的圖片。起動過程中，MOSFET實際驅(qū)動電壓為5 V，MOSFET工作在線性區(qū)，失效形態(tài)與圖4(c)相同。
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(yīng)用中，通常先發(fā)生過流，短路保護(hù)MOSFET關(guān)斷后，又經(jīng)歷雪崩過壓的復(fù)合損壞形態(tài)。如果損壞位置距離G極近，則開通過程中損壞的幾率更大；如果損壞位置距離G極遠(yuǎn)，則關(guān)斷開通過程中損壞幾率更大。功率MOSFET管在線性區(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。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(xiàn)
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