開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET損壞模式及分析

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開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET損壞模式及分析

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)。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。

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 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。

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。
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)域是散熱條件差的位置，也是容易產(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，因此溫度高，也容易產(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。

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)。
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。
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。

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