剖析MOSFET物理结构、工作原理及失效.pdf

第一章第一章 MOSFET 简介简介 MOSFET 是英文 MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor 的 缩写 译成中文是 金属氧化物半导体场效应管 它是由金属 氧化物 SiO2 或 SiN 及半导体三种材料制成的器件 即以金属层 M 的栅极隔着氧化 层 O 利用电场的效应来控制半导体 S 场效应晶体管 从目前的角度来看 MOSFET 的命名 事实上会给人得到错误的印象 因为 MOSFET 里代表 metal 的第一个字母 M 在当下大部分同类的元件里 是不存在的 早期 MOSFET 的栅极 gate electrode 使用金属作为其材 料 但随著半导体技术的进步 现代的 MOSFET 栅极早已用多晶硅取代了 金属 今日半导体元件的材料通常以硅 silicon 为首选 但是也有些半导 体公司发展出使用其他半导体材料的制程 当中最著名的例如 IBM 使用硅 与锗 germanium 的混合物所发展的硅锗制程 silicon germanium process SiGe process 而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料 如砷化镓 gallium arsenide GaAs 因为无法在表面长出品质够好的氧化层 所以 无法用来制造 MOSFET 元件 MOS 场效应管从沟道类型上看 有 N 沟道 Channel 和 P 沟道之分 从工作方式上又分为增强型 Enhancement MOS 或 EMOS 和耗尽型 Depletion MOS 或 DMOS 两类 于是就有了四种 MOSFET 增强型 N 沟道 MOS E NMOSFET 耗尽型 N 沟道 MOS D NMOSFET 增强型 P 沟道 MOS E PMOSFET 耗尽型 P 沟道 MOS D PMOSFET 第二章第二章 开关特性和工作原理开关特性和工作原理 一 MOSFET电路符号及开关特性 MOSFET可建模成一个处于O P E N或C L O S E D状态的简单的开关 它 的动作与接通和关闭房间内的电灯开关非常类似 除了它是用逻辑信号控 制电子对应物这一点不同外 图1 NMOS 图2 PMOS 上图表示的是NMOS和PMOS的电路符号 图1这种特殊的器件称为n沟道M O S F E T 或简称为n F E T 因为它依靠负电荷来产生电流的 该器件有 三个端口 分别标为栅极 gate 漏极 drain 和源极 source 注意栅极 被指定为 控制 电极 本质上 加到栅极的电压决定了是否有电流从漏极流 到源极 换句话说 符号中所示的电流I的值是由加到栅极的电压值决定的 栅极指定为控制端是理解将晶体管操作看作逻辑开关的关键 图3电流流经nFET n F E T的电气操作由图3来归纳 用电子学术语来说 就 是加于栅极和源极的电压VG S 控制了F E T的操作 对于我们希望达到的 目的 我们只要考虑电压VG S的两个值 在图3a中 栅极到源极之间所加 的电压为VG S 0 v 这将导致漏极和源极之间流经的电流为零 I 0 此 时晶体管的状态称之为关断 c u t o ff 物理上 I 0等效于两个端点之间 没有连接 作为选择 我们可将晶体管状态简称为O F F 另一方面 如果 栅极到源极 的电压设置为高值VG S VD D 电流I就可以流动 它从漏极进入并从源极流 出 当有电流在两个端点之间流动时 两个端点在电气上是相连接的 这 可由图3b来表示 在此情形下 晶体管被 说成是激活的 A C T I V E 或O N 虽然仅仅使用n F E T来构造逻辑电路是可行的 但C M O S设计也依赖于 另外一种晶体管 互补 M O S F E T 它采用正电荷来形成电流 这个第 二种晶体管称为p沟道M O S F E T 或简 称为p F E T 它是n F E T在电气和逻辑上的补码 其确切的含义是什么呢 所有的电压极性 端和 端 以及电流流动方向都与n F E T相反 并且控制 属性与n F E T的控制属性也相反 图2表示的是p F E T的电路符号 注意它与n F E T所用的符号具有相同的 特征 除了在p F E T的栅极有一个反相的气泡不同外 这使得我们可以将 它与n F E T区别开来 但更为重要的 是它暗示着施加于栅极的逻辑控制将与我们讨论过的n F E T的情形具有相 反的效应 同样应注意的是源极和漏极是颠倒的 故电流是从源极流入并 从漏极流出 由于p F E T与n F E T相反 故该器件的工作特征可以仅 仅通过颠倒n F E T中讨论过的所有事情来理解 对于p F E T的情形 控制 器件行为所用的是源极到栅极的电压VS G 源极的电压减去栅极的电压 如果源极到栅极的电压为VS G VDD 那么晶体管允许电流流动 它处于 ACTIVE或O N的状态 如果源极到栅极的电压较小 为VS G 0 v 那么p F E T处于C U TO F F 或简称为O F F 状态 此时没有电流流过晶体管 p F E T的操作归纳于图6 9中 图4电流流经PFET 与n F E T对应的图4相比较 我们看到开关的动作是完全相反的 再强调一 次 这是因为n F E T与p F E T是互补的电子器件 一 工作原理 图 5 中 是典型平面 N 沟道增强型 MOSFET 的剖面图 它用一块 P 型硅 半导体材料作衬底 图 la 在其面上扩散了两个 N 型区 图 lb 再在上面覆 盖一层二氧化硅 SiQ2 绝缘层 图 lc 最后在 N 区上方用腐蚀的方法做成两 个孔 用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极 G 栅极 S 源极 及 D 漏极 从图 5 中可以看出栅极 G 与漏极 D 及源极 S 是绝缘的 D 与 S 之间有两个 PN 结 一般情况下 衬底与源极在内部连接在一起 图5中 是N沟道增强型MOSFET的基本结构图 为了改善某些参数的 特性 如提高工作电流 提高工作电压 降低导通电阻 提高开关特性等 有不同的结构及工艺 构成所谓VMOS DMOS TMOS等结构 图2是一 种N沟道增强型功率MOSFET的结构图 图5 MOSFET结构 要使增强型N沟道MOSFET工作 要在G S之间加正电压VGS及在D S之 间加正电压VDS 则产生正向工作电流ID 改变VGS的电压可控制工作电 流ID 图5中 所示 若先不接VGS 即VGS 0 在D与S极之间加一正电 压VDS 漏极D与衬底之间的PN结处于反向 因此漏源之间不能导电 如 果在栅极G与源极S之间加一电压VGS 此时可以将栅极与衬底看作电容器 的两个极板 而氧化物绝缘层作为电容器的介质 当加上VGS时 在绝缘 层和栅极界面上感应出正电荷 而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷 图5中 这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子 空穴 的极性相 反 所以称为 反型层 这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成 导电沟道 当VGS电压太低时 感应出来的负电荷较少 它将被P型衬底中 的空穴中和 因此在这种情况时 漏源之间仍然无电流ID 当VGS增加到 一定值时 其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道 这个临界电 压称为开启电压 或称阈值电压 门限电压 用符号VT表示 一般规定在ID 10uA时的VGS作为VT 当VGS继续增大 负电荷增加 导电沟道扩大 电阻降低 ID也随之增加 并且呈较好线性关系 如图5中 所示 此曲线 称为转换特性 因此在一定范围内可以认为 改变VGS来控制漏源之间的 电阻 达到控制ID的作用 由于这种结构在VGS 0时 ID 0 称这种 MOSFET为增强型 另一类MOSFET 在VGS 0时也有一定的ID 称为 IDSS 这种MOSFET称为耗尽型 它的结构如图5中 所示 它的转移特 性如图5中 所示 VP为夹断电压 ID 0 耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子 使 在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷 即在两个N型区中间的P型硅内 形成一N型硅薄层而形成一导电沟道 所以在VGS 0时 有VDS作用时也 有一定的ID IDSS 当VGS有电压时 可以是正电压或负电压 改变感应的 负电荷数量 从而改变ID的大小 VP为ID 0时的 VGS 称为夹断电压 第三章第三章 物理结构及生产工艺物理结构及生产工艺 一 物理结构一 物理结构 MOSFET的封装形式可以说是琳琅满目 种类繁多 有 DIP SIP TSOP SOJ SSOP BGA 等等 图6 MOSFET封装形式 MOSFET呈现三维结构 因此我们要从剖面图和俯视图两个视角来研究 图7首先给出了剖面图 它能帮助读者了解器件的电气特性 图6a是nFET 的符号图 图6b给出了晶体管的物理实现 剖面图显示了芯片横截面的情 况 图7 MOSFET封装形式 晶体管在p型硅圆片 称为衬底 substrate 表面上形成 衬底可以保证 机械强度 它大约只有几微米厚 栅是用多晶硅构成的 它的化学成分也 是硅 但不是单晶体而是许多小晶体 通常称其为多晶硅 polysilicon 简 称poly 晶体管的左 右两个节点 源端和漏端 由n型硅材料形成 并且 它们上面还加了一层金属以提供电气连接 如果栅源电压过小则不能使晶体 管导通 小于0 5伏的VG S将不足以改变半导体内的电荷分布情况 p型区 域阻止了两个n型区域间的电子运动 使它们之间没有电流产生 这种情况 下 晶体管处于截止状态 cut off 下 源 漏两端就像一个打开的开关 如果增大VG S 那么栅和衬底间的电场将吸引电子在氧化物下面形成一个 带负电的电子层 这个电子层叫沟道 c h a n n e l 因为它为两个相邻 的n型硅区域提供了一个导电的通道 这时电流可以流过器件 晶体管处于 导通状态 active operation 在电子学术语中 导通就意味着两端之间 电气接触良好 二 生产工艺 硅集成电路被制造在较大的硅圆片上 如图8a所示 一般情况下 图片的 周长大概有8到10英寸 许多单独的电路 同时被制造到圆片上 图7 7 b 中的每个小方块都是一块集成电路 图8 硅圆片 每块集成电路都由不同层次的材料组成的 而且每一层的图形和电气特性 也各不相同 在每一层上形成不同图形的过程叫光刻 opticl lithography 光刻与照像和冲洗底片的过程类似 但是它的精度很高 能够产生宽度小 于0 5微米 mm 的图形 在日常用语中 micrometer经常被简化为micron 具备产生如此微小电路的能力使我们可以制造VLSI级电路 硅圆片制成以后 一般都会运送到封测厂 封测厂进行晶圆切割 上片 打线 树脂封装 印码 焊接脚电镀 焊接脚成型 测试 包装出货 图9 封测厂流程 第四章第四章 常见应用常见应用 小信号 MOSFET 主要用于模拟电路的信号放大和阻抗变换 但也可应 用于开关或斩波 功率 MOSFET 除少数应用于音频功率放大器 工作于线 性范围 大多数用作开关和驱动器 工作于开关状态 耐压从几十伏到上 千伏 工作电流可达几安培到几十安培 功率 MOSFET 都是增强型 MOSFET 它具有优良的开关特性 近年来 功率 MOSFET 广泛地应用于 电源 计算机及外设 软 硬盘驱动器 打印机 扫描器等 消费类电子 产品 通信装置 汽车电子及工业控制等领域 1 MOS 管种类和结构管种类和结构 MOSFET 管是 FET 的一种 另一种是 JFET 可以被制造成增强型或 耗尽型 P 沟道或 N 沟道共 4 种类型 但实际应用的只有增强型的 N 沟道 MOS 管和增强型的 P 沟道 MOS 管 所以通常提到 NMOS 或者 PMOS 指的就是这两种 右图是这两种 MOS 管的符号 对于这两种增强型 MOS 管 比较常用的是 NMOS 原因是导通电阻小 且容易制造 所以开关电源和马达驱动的应用中 一般都用 NMOS 下面 的介绍中 也多以 NMOS 为主 在 MOS 管原理图上可以看到 漏极 和源极之间有一个寄生二极管 这个叫体二极管 在驱动感性负载 如马达 这个二极管很重要 顺便说一句 体二极管只在单个的 MOS 管中存在 在 集成电路芯片内部通常是没有的 下图是 MOS 管的构造图 通常的原理图 中都画成右图所示的样子 栅极保护用二极管有时不画 MOS 管的三个管脚之间有寄生电容存在 如图所示 这不是我们需要的 而是由于制造工艺限制产生的 寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电 路的时候要麻烦一些 但没有办法避免 2 MOS 管导通特性管导通特性 导通的意思是作为开关 相当于开关闭合 NMOS 的特性 Vgs 大于一 定的值就会导通 适合用于源极接地时的情况 低端驱动 只要栅极电压达 到 4V 或 10V 就可以了 PMOS 的特性 Vgs 小于一定的值就会导通 使 用与源极接 VCC 时的情况 高端驱动 但是 虽然 PMOS 可以很方便地用 作高端驱动 但由于导通电阻大 价格贵 替换种类少等原因 在高端驱 动中 通常还是使用 NMOS 下图是瑞萨 2SK3418 的 Vgs 电压和 Vds 电 压的关系图 可以看出小电流时 Vgs 达到 4V DS 间压降已经很小 可 以认为导通 3 MOS 开关管损失损失 不管是 NMOS 还是 PMOS 导通后都有导通电阻存在 因而在 DS 间流 过电流的同时 两端还会有电压 如 2SK3418 特性图所示 这样电流就会 在这个电阻上消耗能量 这部分消耗的能量叫做导通损耗 选择导通电阻 小的 MOS 管会减小导通损耗 现在的小功率 MOS 管导通电阻一般在几十 毫欧左右 几毫欧的也有 MOS 在导通和截止的时候 一定不是在瞬间完成的 MOS 两端的电压 有一个下降的过程 流过的电流有一个上升的过程 在这段时间内 MOS 管的损失是电压和电流的乘积 叫做开关损失 通常开关损失比导通损失 大得多 而且开关频率越快 损失也越大 下图是 MOS 管导通时的波形 可以看出 导通瞬间电压和电流的乘积 很大 造成的损失也就很大 降低开关时间 可以减小每次导通时的损失 降低开关频率 可以减小单位时间内的开关次数 这两种办法都可以减小 开关损失 4 MOS 管驱动管驱动 跟双极性晶体管相比 一般认为使 MOS 管导通不需要电流 只要 GS 电压高于一定的值 就可以了 这个很容易做到 但是 我们还需要速度 在 MOS 管的结构中可以看到 在 GS GD 之间存在寄生电容 而 MOS 管 的驱动 实际上就是对电容的充放电 对电容的充电需要一个电流 因为 对电容充电瞬间可以把电容看成短路 所以瞬间电流会比较大 选择 设计 MOS 管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小 第二注意的是 普遍用于高端驱动的 NMOS 导通时需要是栅极电压 大于源极电压 而高端驱动的 MOS 管导通时源极电压与漏极电压 VCC 相 同 所以这时栅极电压要比 VCC 大 4V 或 10V 如果在同一个系统里 要 得到比 VCC 大的电压 就要专门的升压电路了 很多马达驱动器都集成了 电荷泵 要注意的是应该选择合适的外接电容 以得到足够的短路电流去 驱动 MOS 管 上边说的 4V 或 10V 是常用的 MOS 管的导通电压 设计时当然需要有 一定的余量 而且电压越高 导通速度越快 导通电阻也越小 现在也有 导通电压更小的 MOS 管用在不同的领域里 但在 12V 汽车电子系统里 一般 4V 导通就够用了 MOS 管的驱动电路及其损失 可以参考 Microchip 公司的 AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs 讲述得很详细 所以不打算多写 了 5 MOS 管应用电路管应用电路 MOS 管最显著的特性是开关特性好 所以被广泛应用在需要电子开关的 电路中 常见的如开关电源和马达驱动 也有照明调光 举例说明 便携式计算机电源便携式计算机电源 图3为一个高效率同步升压变换器的电路 其输入电压范围是5V至30V 可以与AC DC整流 器 14V 30V 相连 也可以用电池供电 7 2V至10 8V 图3中的TC1411N是一种低压侧驱动器 TC1411N的输出峰值电流为1A 由于使用 5V供电 可以降低因栅极过充电引起的截止延时 TC4431是高压侧驱动器 输出峰值电流可达1 5A 用这两种器件驱动的MOSFET可以承受持续30ns 大小为10A的漏极电流 台式电脑电源台式电脑电源 图4为一种台式电脑的电源电路 其中的同步降压变换器一般用于CPU的供电 其输出电流 一般不低于6A 这种电路可以提供大小可调的电压 而目前常见的分立器件电源却做不到 图4的电路要比图3简单些 TC4428A在这里用作高压侧和低压侧的驱动器 并且共享电 源VDD 为了降低成本 电路中使用了N沟道MOSFET TC4428A的输出能力较强 用 它驱MOSFET可以承受持续25ns 大小为10A的漏极电流 大功率开关电源MOSFET以其导通电阻低和负载电流大的突出优点 已经成为SMPS控制器 中开关组件的最佳选择 专用MOSFET驱动器的出现又为优化SMPS控制器带来了契机 那 些与SMPS控制器集成在一起的驱动器只适用于电路简单 输出电流小的产品 而那些用分 立的有源或无源器件搭成的驱动电路既不能满足对高性能的要求 也无法获得专用单片式驱 动器件的成本优势 专用驱动器的脉冲上升延时 下降延时和传播延迟都很短暂 电路种类 也非常齐全 可以满足各大功率开关电源产品的设计需要 第五章第五章 失效模式及改善失效模式及改善 一 常见失效模式一 常见失效模式 热效应 金线热疲劳而断开 塑封体裂纹引起密封性失效 粘片层空洞引起热 阻增大 钝化层开裂 芯片开裂 铝再结构造成开 短路 键合处出 现紫斑开路等 化学效应 引脚腐蚀 塑封 界面 裂纹吸湿引起铝线腐蚀 键合区电化学腐蚀 水汽带入的离子引起漏电 塑封体中的杂质离子引起漏电等 电效应 强电场导致栅氧击穿 MOS电容击穿 大电流发热导致多晶电阻烧毁 PN结区硅烧熔 金属间电弧 铝烧熔 塑封碳化等 机械应力 振动 加速度 应力等 二 失效案例及改善二 失效案例及改善 1 事件背景 发 生 时间 发 生 地点 不 良 数量 不良现象 描 述 6 18 7 12 8pcs No Power 6 29 集 团 某BU 产线 2pcs No Power BU的D T产品无电源输出 经交叉验证确 认出BU的D T產品无电源输出 经交叉验 证确认出因power部分电路中S供应商的 MOSFET异常导致 Low Side MOSFET D S之间短路 High Side MOSFET D S之间短路 2 试验分析过程 2 1外观检验 測試結果 Pin腳有錫渣 Sample外觀無異常 2 2 X ray 測試結果 NG樣品無異常 2 3 I V Test 1 OK Sample 測試結果 OK樣品D S之間呈現反向的二極管特性 G S之間呈 open現象 2 NG Sample High Side MOSFET 測試結果 D S之間出現short 即短路現象 G S之間呈open現象 NG Sample Low Side MOSFET 測試結果 D S G S之間出現short 即短路現象 2 4 C SAM 1 Die Surface 測試結果 NG Sample Die表面出現嚴重分層 如圖中紅色mark 2 Die Bottom 測試結果 NG Sample Die底部出現嚴重分層 如圖中紅色mark 2 5 De cap 測試結果 NG Sample Die表面Source區域有燒毀痕跡 測試結果 Gate wire 在第二個焊點lead frame處焊接不良存在lift現象 如圖1 嚴重的情況則發生Gate wire open 如圖2 S供應商初版FA結果 Weak joint between Gate wire and frame Electrical overstress 2 6 EOS测试 EOS異常分析 造成料件燒毀的EOS來源於哪裡 是產線ESD EOS 問題還是料件本身存在Defect引起 BU各工段對設備進行了ESD EOS點檢 結果均達標 工工 站站 Owner 點檢設備數量點檢設備數量 臺臺 EOS超標超標 設備數量設備數量 臺臺 改善狀況改善狀況 ICT 劉利周 2 0 N A FT 唐旭 25 0 N A EBT 唐旭 12 0 N A OBE 朱靈芝 1 0 N A Assemble Line 寧華偉 24 1 OK 該Project為09年5月量產的機種 無EOS Issue歷史記錄 2 7 线路分析 MOSFET基本工作原理基本工作原理 當VGS Vt 開啟電壓 時 D S間形成導 電溝道 MOSFET開啟 這時在漏極施 加電壓VD 則D S間產生工作電流IDS 當VGS Vt時 D S間導