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原创:开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析

  • 2013-03-20 11:42
  • adlsong

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    开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析

     

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  • adlsong

    LV.1

    2013-03-20 11:44

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    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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    LV.1

    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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    LV.1

    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.1

    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.1

    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.1

    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.1

    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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    LV.1

    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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