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原创:开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析

来了,就发原创创,希望对大家有用。

开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析

 

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adlsong
LV.5
2
2013-03-20 11:44

结合功率MOSFET管失效分析图片不同的形态,论述了功率MOSFET管分别在过电流和过电压条件下损坏的模式,并说明了产生这样的损坏形态的原因,也分析了功率MOSFET管在关断及开通过程中,发生失效形态的差别,从而为失效是在关断还是在开通过程中发生损坏提供了判断依据。给出了测试过电流和过电压的电路图。

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2013-03-20 12:48
@adlsong
结合功率MOSFET管失效分析图片不同的形态,论述了功率MOSFET管分别在过电流和过电压条件下损坏的模式,并说明了产生这样的损坏形态的原因,也分析了功率MOSFET管在关断及开通过程中,发生失效形态的差别,从而为失效是在关断还是在开通过程中发生损坏提供了判断依据。给出了测试过电流和过电压的电路图。
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2013-03-20 15:19
@adlsong
结合功率MOSFET管失效分析图片不同的形态,论述了功率MOSFET管分别在过电流和过电压条件下损坏的模式,并说明了产生这样的损坏形态的原因,也分析了功率MOSFET管在关断及开通过程中,发生失效形态的差别,从而为失效是在关断还是在开通过程中发生损坏提供了判断依据。给出了测试过电流和过电压的电路图。

Thank a lot!

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adlsong
LV.5
5
2013-03-21 08:13

目前,功率MOSFET管广泛地应用于开关电源系统及其它的一些功率电子电路中,然而,在实际的应用中,通常,在一些极端的边界条件下,如系统的输出短路及过载测试,输入过电压测试以及动态的老化测试中,功率MOSFET有时候会发生失效损坏。工程师将损坏的功率MOSFET送到半导体原厂做失效分析后,得到的失效分析报告的结论通常是过电性应力EOS,无法判断是什么原因导致MOSFET的损坏。

本文将通过功率MOSFET管的工作特性,结合失效分析图片中不同的损坏形态,系统的分析过电流损坏和过电压损坏,同时,根据损坏位置不同,分析功率MOSFET管的失效是发生在开通的过程中,还是发生在关断的过程中,从而为设计工程师提供一些依据,来找到系统设计的一些问题,提高电子系统的可靠性。

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adlsong
LV.5
6
2013-03-21 08:14

1 过电压和过电流测试电路

过电压测试的电路图如图1(a)所示,选用40V的功率MOSFETAON6240DFN5*6的封装。其中,所加的电源为60V,使用开关来控制,将60V的电压直接加到AON6240DS极,熔丝用来保护测试系统,功率MOSFET损坏后,将电源断开。测试样品数量:5片。

过电流测试的电路图如图2(b)所示,选用40V的功率MOSFETAON6240DFN5*6的封装。首先合上开关A,用20V的电源给大电容充电,电容C的容值:15mF,然后断开开关A,合上开关B,将电容C的电压加到功率MOSFETDS极,使用信号发生器产生一个电压幅值为4V、持续时间为1秒的单脉冲,加到功率MOSFETG极。测试样品数量:5片。

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adlsong
LV.5
7
2013-03-21 08:16
 
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adlsong
LV.5
8
2013-03-21 08:17

2   过电压和过电流失效损坏

将过电压和过电流测试损坏的功率MOSFET去除外面的塑料外壳,对露出的硅片正面失效损坏的形态的图片,分别如图2(a)和图2(b)所示。

从图2(a)可以看到:过电压的失效形态是在硅片中间的某一个位置产生一个击穿小孔洞,通常称为热点,其产生的原因就是因为过压而产生雪崩击穿,在过压时,通常导致功率MOSFET内部寄生三极管的导通,由于三极管具有负温度系数特性,当局部流过三极管的电流越大时,温度越高,而温度越高,流过此局部区域的电流就越大,从而导致功率MOSFET内部形成局部的热点而损坏。

硅片中间区域是散热条件最差的位置,也是最容易产生热点的地方,可以看到,上图中,击穿小孔洞即热点,正好都位于硅片的中间区域。

在过流损坏的条件下,图2(b )的可以看到:所有的损坏位置都是发生的S极,而且比较靠近G极,因为电容的能量放电形成大电流,全部流过功率MOSFET,所有的电流全部要汇集中S极,这样,S极附近产生电流 集中,因此温度最高,也最容易产生损坏。

注意到,在功率MOSFET内部,是由许多单元并联形成的,如图3(a)所示,其等效的电路图如图3(b )所示,在开通过程中,离G极近地区域,VGS的电压越高,因此区域的单元流过电流越大,因此在瞬态开通过程承担更大的电流,这样,离G极近的S极区域,温度更高,更容易因过流产生损坏。

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adlsong
LV.5
9
2013-03-21 08:22
@adlsong
2  过电压和过电流失效损坏将过电压和过电流测试损坏的功率MOSFET去除外面的塑料外壳,对露出的硅片正面失效损坏的形态的图片,分别如图2(a)和图2(b)所示。从图2(a)可以看到:过电压的失效形态是在硅片中间的某一个位置产生一个击穿小孔洞,通常称为热点,其产生的原因就是因为过压而产生雪崩击穿,在过压时,通常导致功率MOSFET内部寄生三极管的导通,由于三极管具有负温度系数特性,当局部流过三极管的电流越大时,温度越高,而温度越高,流过此局部区域的电流就越大,从而导致功率MOSFET内部形成局部的热点而损坏。硅片中间区域是散热条件最差的位置,也是最容易产生热点的地方,可以看到,上图中,击穿小孔洞即热点,正好都位于硅片的中间区域。在过流损坏的条件下,图2(b)的可以看到:所有的损坏位置都是发生的S极,而且比较靠近G极,因为电容的能量放电形成大电流,全部流过功率MOSFET,所有的电流全部要汇集中S极,这样,S极附近产生电流集中,因此温度最高,也最容易产生损坏。注意到,在功率MOSFET内部,是由许多单元并联形成的,如图3(a)所示,其等效的电路图如图3(b)所示,在开通过程中,离G极近地区域,VGS的电压越高,因此区域的单元流过电流越大,因此在瞬态开通过程承担更大的电流,这样,离G极近的S极区域,温度更高,更容易因过流产生损坏。
 
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adlsong
LV.5
10
2013-03-21 08:23

3 过电压和过电流混合失效损坏

在实际应用中,单一的过电流和过电流的损坏通常很少发生,更多的损坏是发生过流后,由于系统的过流保护电路工作,将功率MOSFET关断,这样,在关断的过程中,发生过压即雪崩。从图4可以看到功率MOSFET先过流,然后进入雪崩发生过压的损坏形态。

可以看到,和上面过流损坏形式类似,它们也发生在靠近S极的地方,同时,也有因为过压产生的击穿的洞坑,而损坏的位置远离S极,和上面的分析类似,在关断的过程,距离G极越远的位置,在瞬态关断过程中,VGS的电压越高,承担电流也越大,因此更容易发生损坏。

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adlsong
LV.5
11
2013-03-21 08:23
@adlsong
[图片] 
 
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adlsong
LV.5
12
2013-03-21 08:24
@adlsong
3过电压和过电流混合失效损坏在实际应用中,单一的过电流和过电流的损坏通常很少发生,更多的损坏是发生过流后,由于系统的过流保护电路工作,将功率MOSFET关断,这样,在关断的过程中,发生过压即雪崩。从图4可以看到功率MOSFET先过流,然后进入雪崩发生过压的损坏形态。可以看到,和上面过流损坏形式类似,它们也发生在靠近S极的地方,同时,也有因为过压产生的击穿的洞坑,而损坏的位置远离S极,和上面的分析类似,在关断的过程,距离G极越远的位置,在瞬态关断过程中,VGS的电压越高,承担电流也越大,因此更容易发生损坏。
 
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adlsong
LV.5
13
2013-03-21 08:25

4 线性区大电流失效损坏

在电池充放电保护电路板上,通常,负载发生短线或过流电,保护电路将关断功率MOSFET,以免电池产生过放电。但是,和通常短路或过流保护快速关断方式不同,功率MOSFET以非常慢的速度关断,如下图5所示,功率MOSFETG极通过一个1M的电阻,缓慢关断。从VGS波形上看到,米勒平台的时间高达5ms。米勒平台期间,功率MOSFET工作在放大状态,即线性区。

功率MOSFET工作开始工作的电流为10A,使用器件为AO4488,失效的形态如图5(c)所示。当功率MOSFET工作在线性区时,它是负温度系数,局部单元区域发生过流时,同样会产生局部热点,温度越高,电流越大,导致温度更一步增加,然后过热损坏。可以看出,其损坏的热点的面积较大,是因为此区域过一定时间的热量的积累。另外,破位的位置离G极较远,损坏同样发生的关断的过程,破位的位置在中间区域,同样,也是散热条件最差的区域.

另外,在功率MOSFET内部,局部性能弱的单元,封装的形式和工艺,都会对破位的位置产生影响

另外,一些电子系统在起动的过程中,芯片的VCC电源,也是功率MOSFET管的驱动电源建立比较慢,如在照明中,使用PFC的电感绕组给PWM控制芯片供电,这样,在起动的过程中,功率MOSFET由于驱动电压不足,容易进入线性区工作。在进行动态老化测试的时候,功率MOSFET不断的进入线性区工作,工作一段时间后,就会形成局部热点而损坏。

使用AOT5N50作测试,G极加5V的驱动电压,做开关机的重复测试,电流ID=3,工作频率8Hz重复450次后,器件损坏,波形和失效图片如图6(b)(c)所示。可以看到,器件形成局部热点,而且离G极比较近,因此,器件是在开通过程中,由于长时间工作线性区产生的损坏。

6(a)是器件 AOT5N50在一个实际应用中,在动态老化测试过程生产失效的图片,而且测试实际的电路,起动过程中,MOSFET实际驱动电压5VMOSFET工作在线性区,失效形态和图6(b)相同。

 

 

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adlsong
LV.5
14
2013-03-21 08:25
@adlsong
4线性区大电流失效损坏在电池充放电保护电路板上,通常,负载发生短线或过流电,保护电路将关断功率MOSFET,以免电池产生过放电。但是,和通常短路或过流保护快速关断方式不同,功率MOSFET以非常慢的速度关断,如下图5所示,功率MOSFET的G极通过一个1M的电阻,缓慢关断。从VGS波形上看到,米勒平台的时间高达5ms。米勒平台期间,功率MOSFET工作在放大状态,即线性区。功率MOSFET工作开始工作的电流为10A,使用器件为AO4488,失效的形态如图5(c)所示。当功率MOSFET工作在线性区时,它是负温度系数,局部单元区域发生过流时,同样会产生局部热点,温度越高,电流越大,导致温度更一步增加,然后过热损坏。可以看出,其损坏的热点的面积较大,是因为此区域过一定时间的热量的积累。另外,破位的位置离G极较远,损坏同样发生的关断的过程,破位的位置在中间区域,同样,也是散热条件最差的区域.另外,在功率MOSFET内部,局部性能弱的单元,封装的形式和工艺,都会对破位的位置产生影响另外,一些电子系统在起动的过程中,芯片的VCC电源,也是功率MOSFET管的驱动电源建立比较慢,如在照明中,使用PFC的电感绕组给PWM控制芯片供电,这样,在起动的过程中,功率MOSFET由于驱动电压不足,容易进入线性区工作。在进行动态老化测试的时候,功率MOSFET不断的进入线性区工作,工作一段时间后,就会形成局部热点而损坏。使用AOT5N50作测试,G极加5V的驱动电压,做开关机的重复测试,电流ID=3,工作频率8Hz重复450次后,器件损坏,波形和失效图片如图6(b)和(c)所示。可以看到,器件形成局部热点,而且离G极比较近,因此,器件是在开通过程中,由于长时间工作线性区产生的损坏。图6(a)是器件AOT5N50在一个实际应用中,在动态老化测试过程生产失效的图片,而且测试实际的电路,起动过程中,MOSFET实际驱动电压5V,MOSFET工作在线性区,失效形态和图6(b)相同。  
 
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adlsong
LV.5
15
2013-03-21 08:25
@adlsong
[图片] 
 
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adlsong
LV.5
16
2013-03-21 08:33
@adlsong
结合功率MOSFET管失效分析图片不同的形态,论述了功率MOSFET管分别在过电流和过电压条件下损坏的模式,并说明了产生这样的损坏形态的原因,也分析了功率MOSFET管在关断及开通过程中,发生失效形态的差别,从而为失效是在关断还是在开通过程中发生损坏提供了判断依据。给出了测试过电流和过电压的电路图。

同时,也分析了功率MOSFET管在动态老化测试中慢速开通及在电池保护电路应用中慢速关断时,较长时间工作在线性区时,损坏的形态。最后,结合实际的应用,论述了功率MOSFET通常会产生过电流和过电压二种混合损坏方式损坏机理和过程。

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adlsong
LV.5
17
2013-03-25 09:47
@adlsong
[图片] 
有人看,没有人回?hehe
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2013-03-25 12:57
@adlsong
有人看,没有人回?hehe

学习了,谢谢

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绿叶
LV.4
19
2013-03-25 16:53
@adlsong
[图片] 
大侠可否把电流损坏的点用红色表示出来,这样比较醒目。不然像我这么眼力不好而且又笨的人很难看出来。多谢!分析的很好。
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adlsong
LV.5
20
2013-03-26 11:45
more people read but no one give the comment
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heyong163b
LV.5
21
2013-03-26 12:24
@adlsong
有人看,没有人回?hehe
这绝对是最权威的失效分析,这个问题也是开关电源失效的最多原因,LZ能否再谈下怎样控制这类问题呢?
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heyong163b
LV.5
22
2013-03-26 12:26
@adlsong
morepeoplereadbutnoonegivethecomment
不是没人提意见,主要是超出了电子学范围,属材料学科的基础分析。看得出楼主已进入本例分析到很深的领域,而且电子基础也很高,不继续真的太可惜了。
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higel
LV.8
23
2013-03-26 12:42
@adlsong
[图片] 

好东西~! 

楼主继续啊...

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2013-03-26 22:07
@adlsong
3过电压和过电流混合失效损坏在实际应用中,单一的过电流和过电流的损坏通常很少发生,更多的损坏是发生过流后,由于系统的过流保护电路工作,将功率MOSFET关断,这样,在关断的过程中,发生过压即雪崩。从图4可以看到功率MOSFET先过流,然后进入雪崩发生过压的损坏形态。可以看到,和上面过流损坏形式类似,它们也发生在靠近S极的地方,同时,也有因为过压产生的击穿的洞坑,而损坏的位置远离S极,和上面的分析类似,在关断的过程,距离G极越远的位置,在瞬态关断过程中,VGS的电压越高,承担电流也越大,因此更容易发生损坏。

请教楼主:

过压与过流损坏的顺序问题,是否存在先进入雪崩区,然后雪崩击穿MOSFET,从而引起过流损坏的现象?

如果有,其损坏的具体机理跟先过流后过压的损坏机理有何不同?有没有相关的资料图片共享

谢谢

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2013-03-27 11:17
哇哈哈哈哈 来围观好贴~~
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2013-03-29 10:48
@adlsong
[图片] 
路过,看到好帖子当然得留下点什么
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fox-l
LV.2
27
2013-03-29 21:59
@adlsong
[图片] 
确实很明了。最近炸好几次管子了,就是不知道咋坏的
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aczg01987
LV.10
28
2013-03-30 05:44
@adlsong
目前,功率MOSFET管广泛地应用于开关电源系统及其它的一些功率电子电路中,然而,在实际的应用中,通常,在一些极端的边界条件下,如系统的输出短路及过载测试,输入过电压测试以及动态的老化测试中,功率MOSFET有时候会发生失效损坏。工程师将损坏的功率MOSFET送到半导体原厂做失效分析后,得到的失效分析报告的结论通常是过电性应力EOS,无法判断是什么原因导致MOSFET的损坏。本文将通过功率MOSFET管的工作特性,结合失效分析图片中不同的损坏形态,系统的分析过电流损坏和过电压损坏,同时,根据损坏位置不同,分析功率MOSFET管的失效是发生在开通的过程中,还是发生在关断的过程中,从而为设计工程师提供一些依据,来找到系统设计的一些问题,提高电子系统的可靠性。

不错的资料,学习啦

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aczg01987
LV.10
29
2013-03-30 05:50
@adlsong
morepeoplereadbutnoonegivethecomment
期待后面的内容
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aczg01987
LV.10
30
2013-03-30 05:56
@心中有冰
请教楼主:过压与过流损坏的顺序问题,是否存在先进入雪崩区,然后雪崩击穿MOSFET,从而引起过流损坏的现象?如果有,其损坏的具体机理跟先过流后过压的损坏机理有何不同?有没有相关的资料图片共享谢谢
过压损坏多半会开路,貌似存在再过流损坏的可能性教小
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小矿石
LV.10
31
2013-03-30 12:25
@adlsong
2  过电压和过电流失效损坏将过电压和过电流测试损坏的功率MOSFET去除外面的塑料外壳,对露出的硅片正面失效损坏的形态的图片,分别如图2(a)和图2(b)所示。从图2(a)可以看到:过电压的失效形态是在硅片中间的某一个位置产生一个击穿小孔洞,通常称为热点,其产生的原因就是因为过压而产生雪崩击穿,在过压时,通常导致功率MOSFET内部寄生三极管的导通,由于三极管具有负温度系数特性,当局部流过三极管的电流越大时,温度越高,而温度越高,流过此局部区域的电流就越大,从而导致功率MOSFET内部形成局部的热点而损坏。硅片中间区域是散热条件最差的位置,也是最容易产生热点的地方,可以看到,上图中,击穿小孔洞即热点,正好都位于硅片的中间区域。在过流损坏的条件下,图2(b)的可以看到:所有的损坏位置都是发生的S极,而且比较靠近G极,因为电容的能量放电形成大电流,全部流过功率MOSFET,所有的电流全部要汇集中S极,这样,S极附近产生电流集中,因此温度最高,也最容易产生损坏。注意到,在功率MOSFET内部,是由许多单元并联形成的,如图3(a)所示,其等效的电路图如图3(b)所示,在开通过程中,离G极近地区域,VGS的电压越高,因此区域的单元流过电流越大,因此在瞬态开通过程承担更大的电流,这样,离G极近的S极区域,温度更高,更容易因过流产生损坏。
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