开关电源中关键器件的可靠性研究_图文

1、北京工业大学硕士学位论文开关电源中关键器件的可靠性研究 姓名:张喆申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学 指导教师:吕长志20080401摘要摘 要从90年代开始,开关电源逐步得到广泛的应用。开关电源的核心是DC.DC 变换器。影响开关电源的主要因素是其拓扑结构,开关频率,控制方式及关键元 器件如开关管、储能电感和变压器等。近年来,电源设备日趋复杂,使用环境也 变得恶劣多样,所服务的电子系统又越来越重要和昂贵,这一切使得提高电源设 备的可靠性研究变得刻不容缓。开关电源中有很多器件无法进行高温试验(如光电耦合器,因此对开关电 源整体进行加速寿命试验有一定的困难。本文在深入研究HHW28S1

2、5电源模块 的基础上,提取其功率级电路进行试验并采用恒定电应力温度斜坡法对此电路中 的VDMOS IRFl20和肖特基二极管(SDBSC070H150A进行可靠性评价。恒 定电应力温度斜坡法(CET砌具有试验周期短,所需样品少的优点。首先,对HHw28S15电源模块的电路拓扑结构进行分析,并对其输入、输 出特性和关键节点的电压波形进行了测量,所得结果是设计试验样品的电应力偏 置电路的重要依据。其次,专门研制了温度应力控制系统和电应力偏置系统,以满足恒定电应力 温度斜坡法的试验要求。温度应力控制系统采用先进的欧陆3504温控仪、周波 数调功控制模块、固态继电器、热电偶和温度补偿导线搭建,为试验提

3、供了精确 的序进温度应力;电应力偏置系统的主电路与HHW28S15电源模块的功率级电 路相同,并制作了专用的PCB电路板。使用专门设计研制的试验设备对瓜F120和SC070H150A进行了加速寿命试 验,得到了在75至203范围内主要的直流特征参数,即服F120的阈值电压、 通态电阻、跨导和SC070H150A的正向特性和反向特性。通过对数据进行分析 处理,得出各个试验样品的寿命,其中U120的平均寿命为9.06×106h, SC070H150A的平均寿命2.16×10。另外,本文对常见的失效模式与失效机理进行了介绍,在理论上分析了样品 的失效机理主要是器件固有缺陷和玷污。

4、IRFl20氧化膜中的正离子沾污使其与 时间有关的击穿(TDDB变得比较显著,SC070H150A氧化膜中的正离子使Si02膜和场环之间可能形成以n型沟道,导致反向漏电流增加。关键词:可靠性;恒定电应力温度斜坡法;激活能;开关电源Abs廿actAbstractSince nle niIleteens of last centllry,switchiIlg power h嬲been usedworld“de st印by step. Tlle core of s、itching power is DC-DC conVert既ne m咖factors t11at a仃ectle pe哟衄ance o

5、fsWitchiIlg power is itS top0109y,s谢tch舶queIlcycon仃olmode aIld i协key device units such aS tlle switch tIlbe,energy-stomge iIlductor aIld胁lsfo珊既111recent years,me growillg complex时 of power equipmellt,me use of nle eI拍nleIlt haS become worse and diverse,me ser、,ices of meele咖nic system is increasiIl9

6、1y mlportant aIldexpensiVe,all nlis m a_kes me research of the reliabili够ofpower supply equipment has become urgent. It is di伍cultto carry out accelerated life test iIl switching power sllpplya whole,because some dece caIl not work in high temperatIlre(such aS optocoupler.IIl血is pap%westudy the HHW2

7、8S 15power modules aIld get tlle power c讹uit to test.Tlle constant electrical s廿ess andteInperattlrer锄p stress memod aplplied to me VDMOS己F120and SC070H150A.The cons锄t elec打ical s缸.ess and teIIlperatIlre raI】叩s缸.ess method h弱the访rtlle of short period aIld flew s锄ples.Firstly,we analysis me topology

8、of HHW28S 15power modules,aIld me inputchamct甜stics, output characteristics and the Voltage waVe of me key nodeare measured.All mis is importallt for tlle design of electrical s臼.ess bi觚system.Secondly' the tempera_cIlre s仃.ess contI.0l system and electrical sn.ess bi鹊 syst锄arecustomized for tll

9、e progressiVestress accelerated 1ife test to satis匆廿1e test condition of mecons协nt electrical stress a11d te埘【perature均mp s仃ess metllod.The t锄p咖res仃ess contr01system,cons仇1cted wim adVanced temperatIlre con仃ol equipm豇lt Eurotllenn 3504controll%power adjust con仃ol module,solid-state rcla弘themocouple

10、aIld t唧erature c咖pensation lead, pro访des accurate progressiVe tampera_tIlre s仃ess;while the electrical s缸.ess biaLs system includes specific PCB.The pro铲essives仃.ess accelerated 1ife test is conducted to nle琢Tl 20aIld SC070H l 50A. The teSt 0btains the det甜orationdata in me瑚ge of75一203ofDC charact耐s

11、tic par锄酏%n锄elyn鹏sholdvoltage, on-state resistance,仃ansc彻ductarlce for强120aIld positive charact萌stics,I洄erse charact舐stics矗竹SC070H150A.Through me a11a】ysis of吐le data,廿le life ofthe sample are gained.T11e aV盯age life缸e ofIRFl20is 9.06×106h and me aVerage 1ife time ofSC070H150A is 2.16×108h

12、.111e胁niliar mode of failure aIldle failure mechaniSm is in仃oduced in me fillal chapter. 7rhe failure mechanism of tlle test s锄ple is aIlal,zed in tlleo巧a11d t11e reaSon for the degeneration III北京丁业_I<学T学硕七学位论文is the int咖sic defect and tarrIish.The positiVe ion cont锄iIlation m the oxide film make

13、 me ,rDDB become si嘶fic觚t.For SC070H l 50A,me positive ion c锄fornl a n-咖e challnel be晰咖 Si02and field ring resulting i11reverSe leal(age current increaSeKeywords:reliabili够;constant electrical s仃ess and teInp咖re r锄p me吐lod;activation ene啦,; s、加tching powerIV独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。

14、尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明(、e又馏。本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定签名:煎丝导师签名:显左乙嘞垡幺%第1章绪论1.1课题背景第1章绪论开关电源是一种应用电力半导体开

15、关器件及电子技术对原始电能进行转换、 加工、调节的电子设备,它广泛应用在计算机、通信、航天、国防等各个领域【1】【2】。 作为电力电子技术的一个重要分支,开关电源在欧、美、日等世界各国,得到广 泛的研究,正在以前所未有的速度,朝着轻型、高效、高频、模块化和集成化的 方向发展。开关电源的可靠性决定它所服务的电子设备能否正常工作,因此对其 可靠性的研究具有重要的意义。20世纪50年代,美国宇航局以小型化、重量轻为目标,为搭载火箭开发了 开关电源,在近半个世纪的发展过程中,开关电源因具有体积小、重量轻、效率 高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术设计制造的连续工作的线性 电源。20世纪80年

16、代,计算机全面实现了开关电源化,率先实现了计算机的电 源换代。20世纪90年代,开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到了广泛 的应用,开关电源技术进入了快速发展期。进入新世纪,许多新的领域和新的要 求又对开关电源提出了更新更高的挑战。近十年来中国的信息产业以其他行业三倍的速度快速发展。“九五”期间中 国对电子工业的投资比重由过去五年的2.2%提高到5.4%,总投资规模达到429亿元,比过去五年增长近12倍,成为电源产业发展的强大推动力。随着经济的发展和科学技术的进步,节约能源保护环境已被社会各界所重 视。电源是节约能源的重要环节,经过电力电子和电源技术处理之后的电力供应 节能效果明显。例如家

17、用电器的待机损耗人们往往不重视,这个耗电相当惊人。 据美国统计,在美国这种损耗每年损失35.54亿美元,德国环保机构调查,在德 国这种损耗每年损失23亿美元,超过柏林全年用电总和。所以电力电子和电源 技术的发展是一个国家技术进步的重要标志。开关电源最大的应用领域是在通信行业。近十年来通信事业快速发展,通信 电源也同步增长。1992年国内通信电源投资额为人民币0.8亿元,到1997年增 加到10亿元,到2000年增加到30亿元,2001年全国通信电源市场容量为35北京T业大掌。学硕士掌位论文亿元以上。1992年到2001年通信电源增长43倍多。然而,目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所

18、占据,它们覆盖了 大功率模块电源的大部分,以及中小功率模块电源近一半的市场。但是,随着国 内技术的进步和生产规模的扩大,进口中小功率模块电源正在快速被国产电源产 品所取代。预计在未来的2年内,国产品牌将在中小功率模块电源中占有很大的 市场份额。对于高端技术,如同步整流技术、有源嵌位技术、软开关技术、平面变压器 技术等,由于其成本高、工艺复杂、配套能力差、国内行业认可度低等诸多原因, 都没有在产品中大规模使用。因此,在未来几年内,200w以上功率模块电源的 市场仍将可能以国外产品为主导,这是我们必须关注和思考的问题。我国模块电源产业存在的另一个问题是,市场的大幅度发展和进入电源研制 生产的门槛较

19、低(资金投入不大、对生产设备和进行低档次产品研制所需技术的 要求都不高,从而产生了大量民营企业,它们以价格为武器,参与市场竞争, 这不利于整个电源产业的正常发展。据统计,我国通信开关电源经营和生产单位有300多家。其中年产值上亿元 的不足20家,其余的规模均较小。无论是参与国内市场竞争,还是国际竞争, 国内的开关电源企业都需扩大生产规模。扩大生产规模,必须在保证产品质量、 稳定性和可靠性的基础上稳步进行,这必然会遇到许多问题,诸如员工的质量意 识、员工的素质、质量管理体系的建立和完善、先进的工装设备、工艺流程的科 学制定、完备的检测手段、严格的出厂测试以及资金投入强度等。只有解决了上 述问题,

20、扩大生产规模才能真正落到实处。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使开关 电源装置空前的小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域。开关电源的体积、 重量主要是由储能元件(磁性元件和电容决定的,因此开关电源的小型化,实 质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内开关频率的提高,不仅 能够有效的减小电容、电感及变压器的尺寸,而且还能够抑制干扰,改善系统的 动态性能,因此,高频化是系统的主要发展方向。如今通信产品日趋小型化,必然要求开关电源减小体积、提高功率密度,而 提高效率是与之相辅相成的。提高效率主要是减少开关电源在工作时的各种损 耗。现在市场上大量使用的开关电源

21、,主要采用的是脉宽调制技术(PwM,模 块的损耗主要是开关管的开通、关断及导通三种状态的下的损耗、浪涌吸收电路2勇1罩绪论损耗、整流二极管导通损耗、工作辅助电源功耗及磁芯元件损耗等因素引起的, 电源设计者应当采用先进的技术减少这些损耗以提高效率。浪涌吸收电路可采用 无损耗吸收电路,这一技术的使用使得该部分损耗大幅度下降,而软开关技术和 同步整流技术也可以使效率和功率密度大幅度提高。在较高的频率下,一定时间内开关电源的开关管开通、关断及导通的次数就 多,所以对于PWM型开关电源,频率越高其开关损耗就越大。采用软开关技术 可以改善开关条件,使电压为零或电流为零来控制开关管的开关状态,使其在开 关过

22、程中功耗减小,从而大大提高工作频率,降低体积重量。同时,提高开关电 源寿命。从目前的情况来看,由于绝大多数开关电源都是采用传统的模拟电路,数字 控制电源作为一种新兴技术还处于摸索阶段,模拟控制转到数字控制面临诸多挑 战。例如:响应速度或带宽问题、标准的发展、价格问题。尽管如此,现在已经 有些地方开始在用数字电源,比如通信行业,这个市场相对量比较大。对于大型 的通信供电系统,所需的管理、维护工作越来越多,为了实现对通信局站内的各 种动力设备、空调设备及环境等进行实时监控,设计人员开发出开关电源集中监 控管理系统,利用计算机网络技术、软件工程、通信技术及测控技术等现代手段 对被控设备实行遥信、遥测

23、和遥控。这种监控管理系统不仅实现了无人值守,而 且提高了电源系统的可靠性。开关电源产品日趋模块化、标准化,并以积木式结构组成分布式供电系统。 标准化的外形和管脚设计不仅为设计师和使用者都带来了即插即用的便利,而且 大大缩短了产品的研发周期,降低成本,利于电源升级。国际上各大公司成立联 盟,其主要目标是确保开关电源产品的兼容性与标准化,最大程度上体现模块电 源替代灵活和使用风险低的优势。目前多数国内企业采用自己的企业标准生产, 按照自己的测试规范测试,各个行业标准也存在着技术指标落后,测试方法可操 作性差等问题。提供国内企业生产质量控制的依据,制定科学的国家标准迫在眉 睫。同时开关电源厂商应提高

24、产品的快速开发能力和产品的更新速度,尽快形成3北京T业大学T学硕士学位论文标准化、系列化的电源产品,满足市场快速变化的要求。近年来,电源设备日趋复杂,元器件的品种和数量增加很快,使用环境也变 得恶劣多样,所服务的电子系统又越来越重要和昂贵。电源需要日夜不停的连续 运行,还要经受高、低温以及高湿、冲击等考验,运行中往往不允许检修或只能 从事简单的维护。这一切使得电源设备的可靠性研究变得刻不容缓。可靠性是指产品在规定的时间内、规定的条件下、完成规定功能的能力。涉 及系统可靠性的因素很多,既有元器件的可靠性和制造装配的工艺,又有开关电 源系统设计的因素。温度对开关电源可靠性的影响至关重要,模块工作温

25、度每提高10,故障 率就会增加一倍。因此应当对系统进行合理的热设计,使发热元件尽量分散开, 为主要发热源安装散热片以增加散热面积,并在模块的顶部或底部设置足够多的 通气孔,以形成冷却空气流。在使用风扇时,应使气流平行于散热片表面流动, 以达到良好的散热效果。为保证开关电源的可靠性,必须对上机的电子元器件进行优选。所选用的电 子元器件应符合整机工作环境和负荷方式,例如温度、湿度、振动、冲击、电压、 电流等。同时要求设计者对所用电子元器件的失效机理、应用特性、失效率都比 较清楚。元器件实际工作中的负荷率和失效率之间存在着直接的关系。电子元器 件的降额是指器件在低于其额定值的应力条件下工作。降额使用

26、可进一步提高元 器件和设备的可靠性。元器件的降额方法和降额程度的确定要满足设备的可靠性 要求,同时考虑重量、体积和成本等因素,这样才能充分发挥电子元器件应有的 功能,提高电子元器件的使用可靠性,延长整机的使用寿命。电源装置或系统在生产和使用过程中可能出现静电干扰,静电将会造成电源 装置自身的损坏和设备使用人员的伤害。某些致命的静电放电失效在静电放电作 用后某一段时间内可能不会立刻出现,称为潜在失效。这是由于有某种程度损坏 的静电放电敏感的器件,受工作能力和时间的影响进一步引起性能降低,直至失 效。对静电放电翻转的敏感器件主要是逻辑电路系列,如NM0s、PM0s、CMOS 等。1.2课题的研究意

27、义半导体器件是开关电源中的关键器件也是最容易失效的器件,因此,对半导 4 第1罩绪论体器件的可靠性的研究具有重要的意义。随着科学技术和工艺水平的不断发展, 半导体器件和集成电路的可靠性水平越来越高;另一方面,由于竞争日趋激烈, 产品更新换代的速度越来越快,研制生产的周期越来越短,这就使得现行标准及 常规评价方法已不能满足需要。新产品研制和旧产品性能改进的周期缩短至1至 2年或更短;重点工程特别是某些军用配套专用器件数量少至几十只。如何快速 评价这些器件、产品的可靠性水平(如失效机理,寿命,失效率,标准偏差等等, 及时提供相关的可靠性信息,已成为十分迫切需要解决的问题。本课题基于温度斜坡法对开关

28、电源中的半导体器件(vDMos和肖特基二极 管进行可靠性评价。该方法属于序进应力加速寿命试验,能够缩短试验时间, 提高效率;可以得到样品失效过程中各参数的动态退化数据,从而更清楚的了解 样品的退化趋势和规律;所需要样品少;可以缩短器件的研制和生产周期,降低 成本;可以为整机的可靠性设计,可靠性预计及时提供信息;对于量少、质高、 价贵、制造周期短的器件,特别是为军工和重点工程配套的元器件更具有特殊意 义。 1.3主要研究内容本课题是国防科工委预研项目,论文类型属于应用基础研究。对应用于开关电源HHW28S15的VDMOSFET IRFl20和肖特基二极 SC070H150A进行序进应力加速寿命试

29、验,专门为样品定做了加热平台,搭建了 温度应力控制系统;模拟VDMoS和肖特基二极管在HHw28S15中的工作条件, 设计出电应力偏置系统。应用温度斜坡法计算出样品的失效激活能,预测其正常 使用条件下的寿命。此外,对样品在不同温度下失效模式和可能的失效机理在理 论上进行简单的分析。5第2章加速寿命试验方法第2章加速寿命试验方法加速寿命试验方法可以是定性的或者定量的。定性加速寿命试验(如HALT, HAsT试验最早是为识别失效模式而设计的,能提高产品的可靠性。定量加速 寿命试验(QALT是为确定产品的寿命而设计的,分析人员利用定量加速寿命 试验得到的数据可以预计产品在正常使用条件下的寿命。本文仅

30、讨论定量加速寿 命试验。加速寿命试验按施加应力方式的不同划分为三种。将样品分成几组,每组固 定一个保持不变的应力(其水平高于正常条件的试验称为恒定应力加速寿命试 验;应力随时间分阶段逐步增强的试验称为步进应力加速寿命试验:应力随时间 等速连续增强的试验称为序进应力加速寿命试验。序进应力加速寿命试验可以看 作步进应力的阶梯取很小的极限情况。2.1三种加速寿命试验方法简介恒定应力加速寿命试验一般需要约1000h,总共要取上百个样品,要求应 力水平数不少于3个。每个应力下的样品数不少于10个,特殊产品不少于5只。 每一应力下的样品数可相等或不等,高应力可以多安排一些样品。步进应力加速寿命试验只需1组

31、样品,最好至少安排4个等级的应力,每 级应力的失效数不少于3个,这样才能保证数据分析的合理性【11。例如试验应力 的起始点选在元器件正常工作的上限附近,应力最高点的选择应参考之前的试验 经验或是已知的元器件失效模式来设定。将应力起始点到最高点之间分成3.6段;试验前需确定应力步长的最小和最大值,一般在20.500小时之间。传统的 做法是保持步长间隔一样,但有时也需要在小应力下采用大的步长,在大应力下 采用小的步长,因为大应力会加速失效或累计疲劳;在最后2个应力台阶前,每 步的失效数最少为3个,最多为剩下样品数的1/3。序进应力加速寿命试验的样品数尚无明确的规定。步进应力加速寿命试验和 序进应力

32、加速寿命试验只需几百小时,取几十个样品甚至更少且只需一组样品就 可以完成试验。2.2三种加速寿命试验的研究与应用恒定应力加速寿命试验已经比较成熟,国外已经对G啦s和InP PHEMT单 7北京T业丈掌1二学硕十掌位论文片微波集成电路(MMIC放大器【21、不同材料的异质结双极晶体管(HBT【31、 CRT阴极射线管41、赝式高电子迁移率晶体管开关(PHEMT switch【51、多层 陶瓷芯片电掣6】等电子元器件、电路做了相关试验。步进和序进加速寿命试验的发展如下:1958年,鼬mmel J在电子产品的可靠性研究中首先尝试了序进应力试验方 法。尽管准确度比不上恒定应力加速寿命试验,但由于其在加

33、速效率方面具有的 优势,序进应力试验方法被逐渐应用于加速寿命试验,并发展成为该试验的一类 基本试验方法【7】。1961年,贝尔实验室的Dodson G A和Howard B T在电子产品的可靠性研 究中提出了半导体器件的步进温度应力试验法。步进应力试验的优点在于这种加 速试验方式降低了对试验数量的要求,具有比恒定应力试验更高的加速效率8】o 1980年Nelson W B提出了著名的Nelson原理。据此,产品在不同加速应力 水平下的试验时间可以互相折算,从而使步进应力试验的统计分析取得突破【91。 1985年,茆诗松等人利用指数分布场合有序统计量的特性,给出了指数分 布场合步进应力试验统计分

34、析的方澍10】。1987年,林正宁和费鹤良对weibull分布和对数正态分布给出了序进应力 v(t=虹下的序进应力试验统计推蝌11,12】,并于1991年发表了在固体钽电解电容 器上的应用情况131。1992年,葛广平等对威布尔分布和对数正态分布场合步进应力试验的统计 分析进行了研究,对步进应力试验的最大似然估计(MLE统计分析方法进行改 进,克服了MLE求多元函数最值的困难,使分析过程步骤流程化【14,15,161。 1987年,汤银才、费鹤剐171和徐晓岭1即讨论了多组序进应力试验在weibull 分布场合的参数估计问题,其中参考文献17的方法复杂性得到了较大改善。针 对参考文献【17,1

35、8】的分析方法存在无解场合的问题,汤银才和费鹤良提出了序进应 力试验参数估计的新方法,并用C语言开发了相应的软件包【19】。1990年,Nelson指出,对步进应力、序进应力加速寿命试验有四项基本假定:(1Piemschka的假定,即统计模型;(2关于失效机理不变条件的假定;(3关于寿命与应力间关系的假定,即加速模型;(4关于时间折算公式的假定【20】。1995年,王玲玲等人也研究了对数正态分布场合序进应力试验的统计分析第2蕈加逐寿命试验方法【21】o1998年,J锄es A.McLinn等人在改进步进应力试验分析的方法一文中,较 为详细地对步进应力寿命试验的实施方法和数据分析计算方法进行了描

36、述221。 当然对加速寿命试验的研究还远不止上面所述,我国的研究人员们对步进应 力和序进应力加速寿命试验常见的寿命分布函数,如指数分布、对数分布和威布 尔分布做了大量的分析研究工作23彤】。葛广平的“我国加速寿命试验研究的现状 与展望”【33】;张春华等人的“加速寿命试验技术综述"【34】对此作了较为全面的 介绍。国际上对加速寿命试验的统计分析也很多35。4¨。特别是,脚e B.Nelson在A Biblio目aphy of Accelerated Test P1ans【42】一文中对国外加速寿命试验的统计 学模型和统计分析研究作了非常详尽的总结。2.3CETI泓方法的理论

37、模型半导体器件参数的退化是由于器件表面、体内及金属化系统的物理和化学变 化引起的,当这种退化积累到一定程度时器件即发生失效H351】,退化经历的时 间即产品的寿命。温度可以改变物理、化学反应速率,因此提高温度应力可以加 速半导体器件多种失效过程,如二次慢俘获、腐蚀、表面电荷扩散、相互扩散、 电迁徙、应力迁徙、蠕变等退化过程28。41。因此温度常用作寿命试验中的加速9应力。反应速率与温度的关系常用趾Thenius模型来模拟3537】.,考虑到器件参数的 退化还与施加的电流应力和电压应力有关,建立模型为:等AeXp扩exexp(亭(2-1式中M一器件的失效敏感参数;卜试验时间;dM/d卜参数的退化

38、速率:A常数;j电流密度;V_一电压;E-一激活能;n电流密度幂指数因子;m电压幂指数因子;l(-波尔兹曼常数;T_试验中温度(K。(2.1式两边同时除以器件特征参数初始值Mo,可得. 甏2,唧扩,唧cn唧薯沙 。2埘 其中A,=刖Mo,Mo为器件的初始特征参数。为了快速得到样品失效敏感参数的温度特性和退化特性,在试验过程中,应 力加载方式采用序进温度应力法,即对试验样品施加按一定速率p上升的温度应 力381,电流和电压应力为恒定值,则t时刻电子元器件的结温为:丁=写+肛+丁 (2.3 式中,T-电子元器件t时刻的结温:To电子元器件初始的结温;卜升温速率;k对电子元器件施加一定电应力后由焦尔

39、热引起的温升。 lO第2章加速寿命试验方法加速试验是在假定试验器件在不同应力下具有相同的失效机理的前提下提 出来的,然而,由于在加速条件下器件潜在的失效机理可能被激发出来,成为主 要失效机理,使加速条件下失效机理发生改变,从而导致由加速试验获得的器件 寿命不能代表器件的真实寿命。因此,进行加速试验,首先要验证失效机理的一 致性问题。同一失效机理对应的失效激活能是相同的,而理想的加速寿命试验只是加速 器件的退化速率,而不改变其失效机理。因此,如果加速过程中试验样品的失效 机理不发生改变,那么其对应的失效激活能E在此温度范围内也将是恒定的。当 在试验中对试验样品施加恒定工作状态电流电压应力时,影响

40、器件敏感参数退化 速率的将只有温度。从式(2.1中可以得出,当失效机理不发生改变,即激活 能E及施加电流电压恒定时,敏感参数退化速率dM/dt与温度的负倒数.1/T成指 数关系。对(2.1式两边求ln,就可以得到ln(dM/dt和.1/T的线性关系,如式 (2.4:o, F.hlf竺=.=111(彳,8矿”一兰 (2.4 dt k1因此,对加速试验施加恒定电应力,序进温度应力时,只需在试验过程中测 定敏感参数的退化量dM,求得退化速率dM/dt是否与温度的负倒数.1厂r符合指 数关系,即1n(dM/dt是否与温度的负倒数.1/T是否符合线性关系,就可确定激活 能E是否发生改变,从而判断失效机理

41、是否发生改变。当测得ln(dM/dt与温度 的负倒数一1/T符合线性关系时,说明在加速过程中失效激活能是恒定的,即失效 机理没有发生改变,加速寿命试验是合理的;反之,失效机理在加速试验过程中 发生改变,找出ln(dM/dt和.1厂r关系曲线的拐点,就可以确定失效机理发生改变 的温度应力点,从而得到器件失效机理保持一致的温度范围。理想的加速寿命试验只是加速器件失效敏感参数的退化,而不改变其失效机 理。序进应力加速寿命试验只要选取合适的温度范围,其失效机理就不会发生改 变,对应的失效激活能在此温度范围内也是恒定的。由(2.3式可得dT=pdt (25 代入(2.2式,得到:北京T业大学T学硕士学位

42、论文其中T1,T2是与t1,t2对应的结温。根据此式即可预测受测器件的寿命。 试验中的器件特征参数初始值Mo实际为样品在不同温度下不加电时的参 数值。本章小结本章首先介绍了三种加速寿命试验的实施方法,各方法的研究应用情况。然 后详细介绍了本课题的序进应力加速寿命试验所用的温度斜坡法,即计算出样品 的激活能,进而预测器件在正常使用条件下的寿命,并说明了如何判定器件失效 机理的一致性,保证了加速的有效性和外推寿命的准确性。14第3章开关电湃中的关键器件第3章开关电源中的关键器件在深入研究了DC.DC开关电源的基础上,本章对DC.DC开关电源的关键 器件及其发展方向作简要的介绍。功率半导体器件仍然是

43、开关电源技术发展的龙头,开关电源技术的进步必须 依靠不断推出的新型电力电子器件。VDMOSFET以其独特的高输入阻抗、低驱 动功率、高开关速度、优越的频率特性、以及很好的热稳定性等特点,广泛地应 用于开关电源。肖特基二极管的正向通态压降较小,具有多数载流子导电的特性, 因此其开关频率高,在开关电源中常常被用为整流管。3.1VDMOS的简要介绍vDMoS由于采用单极性多子导电,开关时间显著地减小,又因其很容易达 到1GHz的开关工作频率而受到瞩目。但是提高器件阻断电压必须加宽器件的 漂移区,结果使器件的内阻迅速增大,通态压降增高,通态损耗增大,所以只能 应用于中小功率产品。为了降低通态电阻,美国

44、瓜公司采用提高单位面积元胞 个数的方法。如瓜公司开发的一种HEET,其沟槽(Trench元胞密度己达 到每平方英寸1.12亿个的世界水平,通态电阻可达3m Q。自1996年以来, HEET的通态电阻以每年50%的速度下降。取公司还开发了一种低栅极电荷 (QG的HExFET,其开关速度更快,同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时 下降,则R×QG的下降速度为每年30%。VDMOS结构如图31,其显著特点是源极与漏极分别做在芯片的两面,形成 垂直导电通道,多个单胞并联实现大功率。其工艺是在N+衬底<100>晶向上生 长N。高阻外延层,外延层的厚度及掺杂浓度直接决定VDMos的击穿

45、电压, vDMOS制作过程是在外延层上采用平面自对准双扩散工艺,以此在水平方向形 成与MOS结构相同的多子导电沟道。早期N+源区与P体区是由扩散形成,近北京T业大学T学硕十掌何论文年来为了精确控制结深,出现了更为先进的离子双注入工艺f double. implanted。值得注意的是P体区,它与外延层构成一个反并联的寄生体二极管, 并且源区、体区和外延层组成了一个寄生NPN管。体二极管代表了VDMOS的 耐压能力,而寄生三极管一旦触发,将使器件失效,因此P体区与源极短接,并 在短接处做浓硼离子注入,以减小体区电阻,削弱寄生三极管触发能力。vDMOS 工作原理同一般的MoS管一样,当栅源电压yG

46、s大于器件的开启电压y也时, 水平沟道表面形成强反型层,器件导通,当小于开启电压时.不存在导电沟道, 器件断开。改变栅压的大小,可以控制漏极电流的大小。为了实现高压,必须降 低外延层的掺杂浓度,但会引起导通电阻的增大,因此自VDMOs诞生以来, 如何解决VDMOS高击穿电压与低导通电阻的矛盾一直是研究的热点。VDMOS 为多元集成结构,m公司的HExFET采用了六边形单元,西门子公司的 S口MOSFET采用了正方形单元(如图3.2,摩托罗拉公司的TMOSFET采用了 矩形单元按“品”字排列。G图3.1VDMOS的结构及符号Fig.31nle stmcmre aIld symb01ofVDMOS

47、16第3奄开关电源中的关键器件图3.2vDMoS结构剖面图Fig.3-2TheStmcture of VDMOS由于VDMOS管是以栅极电压控制负载电流,属于电压控制型器件,因而 具有驱动功率小的特点;又因是多子器件,无少数载流子存贮效应,所以具有“开 关速度快"、“安全工作区域宽等优点。VDMOS的准饱和现象是设计器件最 大输出电流的重要因数之一。具体的技术特点如下:(1高输入阻抗和低驱动功率VDMOS管是电压控制型器件,其输入阻抗通常在1011Q以上。一般来说, 驱动电流在100nA量级,可控制几安到几十安的电流输出,功率消耗极小。 VDMOS栅极可直接与CMOS、TTL集成电路

48、和其他高阻器件连接,具有良好 的工艺兼容性,使驱动电路的设计大大简化。(2开关速度快VDMOS管的开关速度比双极型晶体管快得多,由于其为多子器件,没有尾 电流,开关损耗小,不需要存储时间,其开关时间一般为110ns量级,而双 极晶体管在1u s量级。VDMOS不仅可以作为开关电源的重要部件,也可广泛 应用于通讯、微波炉等高频领域。(3更宽的安全工作区域VDMOS具有电流负温度系数,没有二次击穿现象。对比双极型功率器件,北京-、眦大学工学硕j_学位论文因为其少子注入密度随结温升高而增加,即电流增大,可能造成电流集中而热击 穿器件。相反VDMOS作为多子器件,其通态电阻随着温度升高而增大,没有 由

49、热电正反馈而引起的二次击穿,很难引起由于局部电流突然增大,过热发生的 击穿,使得安全工作区增大。这也是VDMOS允许元胞之间并联和器件之间并 联的原因。(4准饱和效应由于VDMOS具有的特殊的垂直导电通道结构,将出现有别于一般MOSFET 的准饱和现象,所谓的准饱和效应指VDMOS的输出电流达到一定限度以后,漏 源电流随着栅压升高几乎不变,随着漏压升高不饱和的现象。准饱和现象限制了 VDMOS的最大输出电流。研究指出,准饱和现象是载流子在外延层达到速度饱 和所造成的,输出电流的最大值与体区P阱之间距离成正比。当栅极加适当极性和大小的栅极电压时,多晶硅栅极在扩散沟道区表面感应 一个反型层,如图3

50、.3。这个反型层(沟道连接了源极与漏极的轻掺杂区,并 且开始导通电流,漏极电压较小时,漏极电流与之成线性关系:厶2以%弘吲一争(3-1 随着漏极电压的增加,漏极电流出现饱和并与栅源电压的平方成一定关系:厶:以co孚(%一圪:(3.2 其中玩为电子迁移率;q为单位面积的栅氧化层电容;w为沟道宽度; I,为沟i酋长摩。栅压为零时,半导体表面层可能已存在电荷,要使它没有电荷,或者说,要 使半导体表面能带是平的,栅上应加电压,此电压称为平带电压。这是因为: 1、栅与P型半导体之间存在着接触电势差九。,即使栅电压为零,此接触电势 18第3帝开关电源中的关键器件差已使得栅表面的静电位比P型半导体低了一个九

51、。,即半导体表面已经有正电 荷,栅上已有负电荷。为了消除这些电荷,栅上应加正电压九。;2、半导体在与 氧化层接触的层面上常存在着面电荷,此面电荷的密度用表示,为了使这 些面电荷产生的电力线都终止在栅的表面上,而不是进入半导体使半导体能带弯 曲以产生感应电荷一Q嚣,那么栅上应有负的面电荷,其面密度为级。这对正 负电荷在氧化层上的电压为级乞/气或即级乞/C0。由此可见,平带电压为: %=一级/巳 (33 如果氧化层内还有其它电荷,则它的作用可以用半导体表面的等效电荷来反 映,上式中的艮应包括这种等效电荷在内。阈值电压%定义为使半导体表面为反型层时栅上所需加的电压。它由三部 分组成:1、栅上首先需加

52、电压VFB使半导体表面能带是平的;2、若要表面反型 则半导体能带应有2q蝙的弯曲,其中q是体内费米能级到禁带中央的距离, 故栅上还应再加2蝙的电压;3、能带弯曲2q对应着表面反型层到体内有一1过渡层,就象+P结一样,此耗尽层有一电荷面密度:一Q=一2(粥乞2NA 为P型衬低的杂质浓度。这个负电荷需由栅上相应的正电荷来屏蔽,因此氧化 层上又需要再加一个电压Q/乞,综上所述,得到阈值电压:三%:%+2如+2型掣递 (3.4 unX由于制造P型区是靠通过掩膜的窗口扩散受主杂质而形成的,P区表面杂 质浓度不均匀,按阈电压的定义,它应使表面处处形成反型沟道,故上式NA应 取最大值NAm。x同理,蝻也应取

53、N触来算。萨堡觑监2仂出g %19(3-5北京工qk大学T学硕十学位论文 (如 >> (豢勰蝴堍馘图3.3不同栅压下沟道的开启情况Fig.33功率MOS由许多单兀并联而成,由于导通电阻与面积成反比,因此本文 讨论的均为单位面积的导通电阻,这个电阻与图形结构有关。图3。4示出了功 率MOS的电子从+源区流经有源区、表面积累层、“颈”区、.外延区、+区 的有关电阻,它们分别用%、%、心、如、B表示。氐+:它是+扩散源区的电阻。与其它电阻相比,它仅占很小的一部分; %:沟道电阻;尺,:“颈”部电阻;心:表面积累层电阻;如:漂移区电阻上面列出的各电阻在不同的器件中占不同的比重。对于低压器件

54、沟道电阻 %、积累层电阻心和“颈”区电阻吩是主要的。单位面积的沟道宽度对心、 %影响较大,沟道宽度愈大,则导通电阻愈低;对于高压器件,漂移区电阻如 是主要的。20第3奇开关电源中的关键器件/、/娃e j兰碉鬯鸭彳 一i;§摹 躺溉魄l 黯柏图3-4vDMOS导通电阻的结构示意图Fig.3-4111e s仃uctIlre oftlle onstateofMOS功率MOSFET的击穿电压或反向阻断电压的定义与双极型晶体管中 K朋四(基极与发射极短路,集电极与发射极间的击穿电压的定义相同,这里 的击穿指的是雪崩击穿。当反向偏置PN结的耗尽区载流子获得足够的动能发 生电离或产生临界电场时的电

55、压为漏源击穿电压K踟脚。这一电压的大小主要决 定于轻掺杂漏极区的特性和基底端表面电场的类型。导通电阻和耐压的关系:功率器件的性能主要由三个参数来衡量:耐压、开关时间和比导通电阻。而 这些性能的优劣与否主要取决于漂移区的掺杂、载流子寿命和导通时的调制情况 即非平衡载流子的数目。功率MOsFET这类器件是没有少子注入的器件,所以 关断很快。因为漂移区掺杂浓度越低,耐压越高,但是比导通电阻越大,所以耐 压和比导通电阻是一对矛盾,不能同时做到很好。对于一个均匀掺杂的漂移区, 由前人的工作可知,在最佳的条件下,即漂移区宽度是平行平面结击穿时耗尽区 宽度的2/3时,比导通电阻心和击穿电压的关系为:Ik=8

56、.3×109VB25Q an2这就是人们常说的硅极限,它描述了比导通电阻 和击穿电压的极限关系。21北京工、眦大学工学硕十学位论文3.2肖特基二极管的简要介绍整流二极管为开关电源的关键部件,因为其功耗大,约占电源功耗30%,因 此要求整流二极管在高速大电流工作状态下,具有正向压降小、开关时间短的特 性。肖特基势垒二极管在开关电路和保护电路中作为整流和续流元件,可以大幅 度降低功耗,提高电路效率和使用频率,减少电路噪声。与普通的PN结二极管 相比,SBD的势垒高度低于PN结势垒高度,故其正向导通门限电压和正向压降 都比PN结二极管低(约低O.2;SBD是一种多数载流子导电器件,不存在少

57、 数载流子寿命和反向恢复问题。SBD的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、 放电时间,故开关速度非常快,开关损耗也特别小,尤其适合于高频应用。金属和半导体形成整流接触特性有两种情况:1金属和n型半导体接触,且 金属的功函数大于半导体的功函数,即既>形;2金属和P型半导体接触,且 金属的功函数小于半导体的功函数,即既<形,其能带图如图3-5所示。一一.赢一一”一一一 l咖毒 _-。 EcsE如E蹦EvlEcs EFl Evs图3.5金属与半导体接触的能带图F适.3-5The energ,-balld diagram of metal semiconductor contact金属导体

58、内部有大量的导电电子。当金属与半导体接触(二者距离只有原子 大小的数量级时,金属的费米能级低于半导体的费米能级。在金属内部和半导 体导带相对应的分能级上,电子密度小于半导体导带的电子密度。因此,在二者 接触后,电子会从半导体向金属扩散,从而使金属带上负电荷,半导体带正电荷。 由于金属是理想的导体,负电荷只分布在表面为原子大小的一个薄层之内。而对 于N型半导体来说,失去电子的施主杂质原子成为正离子,则分布在较大的厚 度之中。电子从半导体向金属扩散运动的结果,形成空间电荷区、自建电场和势 垒,并且耗尽层只在N型半导体一边(势垒区全部落在半导体一侧。势垒区中自第3章哥关电源中的关键器件建电场方向由N型区指向金属,随热电子发射