MOSFET常见失效的机理讨论

1、MOSFET封装常见失效的机理讨论 Jenny Wu Jan, 2010 本文仅讨论与封装相关的失效 I. DVDS o一定偏置条件下Vds的变化值，是考核产品 在应用过程中的散热能力的重要指标。 o假设不考虑芯片和框架本身的影响，DVDS 的大小取决于封装后的焊料层的情况。 经学者分析，整体空洞和单个空洞的大小对 DVDS均有明显的影响。 机理讨论1-最高结温的限制 o引自唐穗生功率MOSFET的封装失效分析 o事实上, 空气的导热性能远不如金属和合金焊料。当焊料中存 在空洞时, 芯片与框架的接触面积和散热情况将受到影响, 从而 导致芯片局部温度升高, 此后PN结的结温也同时升高。由于材 料

2、的最高结温是一定的(如硅材料的最高结温 Tjm=6400/(10.45+ln), 而PN结的正向电流与温度成正比 关系1 2: oI e (Eg- qV) /kT。 因此, 当结温升高时, 其结电流就会进一步加大, 从而将造成恶 性循环使结温超过最高限制值而烧毁芯片。因此, 合理控制装 配过程中的焊料空洞, 就能提高芯片的散热性能, 从而使器件的 温升降低, 工作性能更有保障。 机理2应力裂纹 有学者利用计算机有限元模拟了器件的散热过程。 o当热传递到芯片/焊料界面时，如果界面接触良好，热将直接传到 散热片上，散热片将热量散发出去，从而达到散热目的。 o当焊料中有空洞存在时，空气的热阻挡作用使

3、得此区域的热传导 性能下降，无法散发出去的热将积累并聚集在此区域。经过一定 周期的热循环之后，热集中将使此局部区域温度升高。空洞中气 体的存在会在热循环过程中产生收缩和膨胀的应力作用，空洞存 在的地方成为应力集中点，并成为产生应力裂纹的根本原因。热 集中加剧了裂纹扩展并导致芯片短路，在大电流的冲击下最终导 致芯片发生EOS。 o空气为热的不良导体 o空洞的存在 热集中 局部温度 升高 气体产生收缩和膨胀应力 o应力集中 o热集中 产生应力裂纹，裂纹扩展 大电流冲击 芯片发生EOS 总结 II short o与封装相关的失效原因：芯片碎裂、cratering under gate or sour

4、ce wire bonds、湿气进入、gate wire misplaced、ESD等 oOverbonding 芯片内部的BPSG甚至Si层被损坏 o芯片碎裂的机理： 内因：芯片本身的强度 外因：应力集中 内因芯片强度 o芯片强度呈正态分布，应设法将较低强度的芯片尽早剔 除。 引起应力集中的原因 o分层 封装体中各种材料的热膨胀系数不匹配， 瞬间受热时引起分层，严重时引起芯片裂纹。 封装树脂耐湿性差，受热时水分气化体 积倍增，使得界面发生剥离，严重时引起裂纹 o划痕 减薄、划片、装片过程。 III. 雪崩击穿 三极管的工作原理 o晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个 掺杂区域，并

5、形成两个PN结，就构成了晶体管. 为电流 控制的器件。 o仅需很小的电流维持基极发射极的正向偏置，即可开 启BJT， 在集电极引出端获得很大的输出电流。 o晶体管分类：NPN型管和PNP型管 三极管的输出特性曲线 o输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压 降uCE之间的函数关系。 o输出特性可分为三个区 o截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE0，IC0， UCEEC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这 个状态相当于断开状态。 o饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC不受IB的控 制，管子失去放大作用，UCE0，IC=ECRC，把三极管当作一 个

6、开关，这时开关处于闭合状态。 o放大区：发射结正偏，集电结反偏。 o在严峻的动态条件下，du/dt通过相应电容 引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄 生的双极性晶体管就会起动，有可能给 MOSFET 带来损坏。 二极管的工作原理 o稳态下的工作：正向导通，反向截止 但当其反向电压大于反向击穿电压时，二极管就会发生 击穿现象。 二极管的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。 导致反向击穿的一个机制是avalanche multiplication o PN结的动态特性很复杂，在一段时间内可能会失去反 向阻断的功能。 Avalanche multiplication o导致反向击穿的一个机制是avalan

7、che multiplication。考虑 一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽，但还不够 快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高 的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的原子时，他 们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能 通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪球能产 生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanche multiplication。 o反向击穿的另一个机制是tunneling。Tunneling是一种量子机 制过程，它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段 距离。如果耗尽区足够薄，那么载流子就能靠tunneling跳

8、跃 过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。 Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。 正常状态下的MOSFET特性 oMosfet工作原理 oMosfet的截止状态：Vgs=0, Vds0,P基区与N漂移 区之间P-N结反偏，漏源（DS）之间无电流通过。 oMosfet的导通状态：Vgs0, 当VgsVth时P区反型， P-N结消失，漏源导通。 N-ch MOSFET的工作原理 Id-Vds curve MOSFET 雪崩击穿的微观分析 o在MOSFET内部各层间存在寄生二极管、晶体管（三 极管）器件。 o 导通时正向电压门槛电压 gate oxide下的体表反

9、型 形成沟道 电子从源极 流向漏极（NCH） o漏极寄生二极管的反向漏电流会在饱和区产生一个小的 电流分量。而在稳态时，寄生二极管、晶体管的影响不 大。 MOSFET 雪崩击穿的微观分析Cont oMosfet关断 沟道电流（漏极电流） 感性负载作用，漏极电压 以维持漏极电流恒定。 在忽略其它原因时，漏极电流越大电压会升高得越快。 如果没有外部钳位电路， 漏极电压将持续升高 漏极体二极管 雪崩倍增产生载流子 持续导通模式（Sustaining Mode） 激活寄生晶体管导通 MOSFET低压大电流状态 雪崩击穿。 Rdson oSolder void/poor die attach 焊锡膏空洞

10、或芯片粘结不良 oCracks in the solder under the bonds 键合引线下方的焊锡膏开裂 oCracks in the bond wires 引线开裂 oCorrosion of the metal 金属腐蚀（purple plague) Rg-distributed resistence of gate o功率MOSFET的等效电路(equivalent circuit model) 无法直接测得芯片的Rg, 因为C点在芯片的内 部，而只能通过测GS之间的电阻间接获得。 Rg测试的基本原理 Gate与source之间是一个 含有电阻、电容和电感的 series network，LCR表 测得其净阻抗Z和相位角， 随后计算Rg=Zcos，