MOSFET常見失效的機理討論

1、MOSFET封裝常見失效的機理討論Jenny Wu Jan, 2010 本文僅討論與封裝相關(guān)的失效I. DVDS o一定偏置條件下Vds的變化值，是考核產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的散熱能力的重要指標(biāo)。o假設(shè)不考慮芯片和框架本身的影響，DVDS的大小取決于封裝后的焊料層的情況。 經(jīng)學(xué)者分析，整體空洞和單個空洞的大小對DVDS均有明顯的影響。機理討論1-最高結(jié)溫的限制o引自唐穗生功率MOSFET的封裝失效分析o事實上, 空氣的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)不如金屬和合金焊料。當(dāng)焊料中存在空洞時, 芯片與框架的接觸面積和散熱情況將受到影響, 從而導(dǎo)致芯片局部溫度升高, 此后PN結(jié)的結(jié)溫也同時升高。由于材料的最高結(jié)溫是一定的(如硅

2、材料的最高結(jié)溫Tjm=6400/(10.45+ln), 而PN結(jié)的正向電流與溫度成正比關(guān)系1 2:oI e (Eg- qV) /kT。 因此, 當(dāng)結(jié)溫升高時, 其結(jié)電流就會進一步加大, 從而將造成惡性循環(huán)使結(jié)溫超過最高限制值而燒毀芯片。因此, 合理控制裝配過程中的焊料空洞, 就能提高芯片的散熱性能, 從而使器件的溫升降低, 工作性能更有保障。機理2應(yīng)力裂紋 有學(xué)者利用計算機有限元模擬了器件的散熱過程。o當(dāng)熱傳遞到芯片/焊料界面時，如果界面接觸良好，熱將直接傳到散熱片上，散熱片將熱量散發(fā)出去，從而達到散熱目的。o當(dāng)焊料中有空洞存在時，空氣的熱阻擋作用使得此區(qū)域的熱傳導(dǎo)性能下降，無法散發(fā)出去的熱將

3、積累并聚集在此區(qū)域。經(jīng)過一定周期的熱循環(huán)之后，熱集中將使此局部區(qū)域溫度升高?？斩粗袣怏w的存在會在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生收縮和膨脹的應(yīng)力作用，空洞存在的地方成為應(yīng)力集中點，并成為產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的根本原因。熱集中加劇了裂紋擴展并導(dǎo)致芯片短路，在大電流的沖擊下最終導(dǎo)致芯片發(fā)生EOS。o空氣為熱的不良導(dǎo)體o空洞的存在 熱集中 局部溫度升高 氣體產(chǎn)生收縮和膨脹應(yīng)力o應(yīng)力集中o熱集中產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，裂紋擴展大電流沖擊芯片發(fā)生EOS總結(jié)II short o與封裝相關(guān)的失效原因：芯片碎裂、cratering under gate or source wire bonds、濕氣進入、gate wire misplaced

4、、ESD等oOverbonding 芯片內(nèi)部的BPSG甚至Si層被損壞o芯片碎裂的機理： 內(nèi)因：芯片本身的強度 外因：應(yīng)力集中內(nèi)因芯片強度o芯片強度呈正態(tài)分布，應(yīng)設(shè)法將較低強度的芯片盡早剔除。引起應(yīng)力集中的原因o分層 封裝體中各種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，瞬間受熱時引起分層，嚴(yán)重時引起芯片裂紋。 封裝樹脂耐濕性差，受熱時水分氣化體積倍增，使得界面發(fā)生剝離，嚴(yán)重時引起裂紋o劃痕 減薄、劃片、裝片過程。III. 雪崩擊穿三極管的工作原理o晶體管：用不同的摻雜方式在同一個硅片上制造出三個摻雜區(qū)域，并形成兩個PN結(jié)，就構(gòu)成了晶體管. 為電流控制的器件。o僅需很小的電流維持基極發(fā)射極的正向偏置，即可開啟B

5、JT， 在集電極引出端獲得很大的輸出電流。o晶體管分類：NPN型管和PNP型管三極管的輸出特性曲線o輸出特性曲線：描述基極電流IB為一常量時，集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數(shù)關(guān)系。o輸出特性可分為三個區(qū)o截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。IE0，IC0，UCEEC，管子失去放大能力。如果把三極管當(dāng)作一個開關(guān)，這個狀態(tài)相當(dāng)于斷開狀態(tài)。o飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置。在飽和區(qū)IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UCE0，IC=ECRC，把三極管當(dāng)作一個開關(guān)，這時開關(guān)處于閉合狀態(tài)。o放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。o在嚴(yán)峻的動態(tài)條件下，du/dt通過相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大

6、。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET 帶來損壞。二極管的工作原理o穩(wěn)態(tài)下的工作：正向?qū)ǎ聪蚪刂?但當(dāng)其反向電壓大于反向擊穿電壓時，二極管就會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。 二極管的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。導(dǎo)致反向擊穿的一個機制是avalanche multiplication o PN結(jié)的動態(tài)特性很復(fù)雜，在一段時間內(nèi)可能會失去反向阻斷的功能。Avalanche multiplicationo導(dǎo)致反向擊穿的一個機制是avalanche multiplication。考慮一個反向偏置的PN結(jié)。耗盡區(qū)隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場的加強。強大的電場加速了一些載流子以非常高的速

7、度穿過耗盡區(qū)。當(dāng)這些載流子碰撞到晶體中的原子時，他們撞擊松的價電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因為一個載流子能通過撞擊來產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個雪球能產(chǎn)生一場雪崩一樣，所以這個過程叫avalanche multiplication。o反向擊穿的另一個機制是tunneling。Tunneling是一種量子機制過程，它能使粒子在不管有任何障礙存在時都能移動一小段距離。如果耗盡區(qū)足夠薄，那么載流子就能靠tunneling跳躍過去。Tunneling電流主要取決于耗盡區(qū)寬度和結(jié)上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱為齊納擊穿。正常狀態(tài)下的MOSFET特性oMosfet工作原理oMosfe

8、t的截止?fàn)顟B(tài)：Vgs=0, Vds0,P基區(qū)與N漂移區(qū)之間P-N結(jié)反偏，漏源（DS）之間無電流通過。oMosfet的導(dǎo)通狀態(tài)：Vgs0, 當(dāng)VgsVth時P區(qū)反型，P-N結(jié)消失，漏源導(dǎo)通。 N-ch MOSFET的工作原理Id-Vds curve MOSFET 雪崩擊穿的微觀分析o在MOSFET內(nèi)部各層間存在寄生二極管、晶體管（三極管）器件。o 導(dǎo)通時正向電壓門檻電壓 gate oxide下的體表反型 形成溝道 電子從源極流向漏極（NCH）o漏極寄生二極管的反向漏電流會在飽和區(qū)產(chǎn)生一個小的電流分量。而在穩(wěn)態(tài)時，寄生二極管、晶體管的影響不大。 MOSFET 雪崩擊穿的微觀分析ContoMosfe

9、t關(guān)斷 溝道電流（漏極電流） 感性負(fù)載作用，漏極電壓 以維持漏極電流恒定。 在忽略其它原因時，漏極電流越大電壓會升高得越快。 如果沒有外部鉗位電路， 漏極電壓將持續(xù)升高 漏極體二極管雪崩倍增產(chǎn)生載流子 持續(xù)導(dǎo)通模式（Sustaining Mode） 激活寄生晶體管導(dǎo)通 MOSFET低壓大電流狀態(tài) 雪崩擊穿。 Rdson oSolder void/poor die attach 焊錫膏空洞或芯片粘結(jié)不良 oCracks in the solder under the bonds 鍵合引線下方的焊錫膏開裂oCracks in the bond wires 引線開裂oCorrosion of the metal 金屬腐蝕（purple plague)Rg-distributed resistence of gate o功率MOSFET的等效電路(equivalent circuit model)無法直接測得芯片的Rg, 因為C點在芯片的內(nèi)部，而只能通過測GS之間的電阻間接獲得。Rg測試的基本原理Gate與source之間是一個含有電阻、電容和電感的series network，LCR表測得其凈阻抗Z和相位角，隨后計算Rg=Zcos，