基于失效分析的功率MOSFET 應(yīng)用可靠性研究

唐萬軍，張世莉

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

MOSFET 由于具有良好的電壓控制和低導(dǎo)通阻抗的開關(guān)特性，在各類功率電子電路中得到了廣泛應(yīng)用。隨著應(yīng)用需求牽引和工藝技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET 在性能不斷提升的同時，其自身可靠性也已處于較高的水平。但在實際應(yīng)用中，MOSFET 卻是功率電子電路中失效率較高的器件，直接影響著系統(tǒng)可靠性。如何提高MOSFET 的應(yīng)用可靠性已引起越來越多電子工程師的重點關(guān)注[1]。

根據(jù)制造廠家和專業(yè)失效分析機構(gòu)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，MOSFET 在應(yīng)用中表現(xiàn)出的主要失效模式為短路、開路和參數(shù)漂移，其中最常見的為短路失效，約占總失效比例的70%。經(jīng)分析，除少部分為元件自身存在制造缺陷外，主要還是與選型不合理及應(yīng)用不當(dāng)有關(guān)。

本文在介紹幾例典型失效案例的基礎(chǔ)上，總結(jié)了導(dǎo)致MOSFET 失效的主要因素，給出了從物料選用到應(yīng)用加工各環(huán)節(jié)提高MOSFET 應(yīng)用可靠性的注意事項和方法。

1 典型失效案例

1.1 元件內(nèi)部分層導(dǎo)致局部過熱燒毀失效

某塑封P 型MOSFET 用于圖1 所示線性電壓調(diào)整電路，在加電測試過程中出現(xiàn)輸出電壓失控，經(jīng)檢測確認為P 型MOSFET 出現(xiàn)短路性失效所致。

圖1 電壓調(diào)整電路原理簡圖

圖2 器件分層掃描聲學(xué)顯微圖

進一步開封檢測內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)MOSFET 柵源金屬化區(qū)沒有玻璃鈍化保護，內(nèi)部存在多處燒毀點。結(jié)合芯片失效點位置分布及SEM 形貌，分析結(jié)論為元件內(nèi)部存在分層，水汽易侵入并聚集到芯片表面，導(dǎo)致芯片局部漏電，最終引起芯片局部過熱燒毀。

1.2 鍵合損傷導(dǎo)致漏電流增大失效

某采用混合集成工藝的開關(guān)電源模塊在進行輸入阻抗測試時，發(fā)現(xiàn)輸入阻抗明顯低于正常值（正常值約60 kΩ，實測值約800 Ω）。經(jīng)對電源模塊內(nèi)部進行檢測分析，確認為輸入功率回路的功率開關(guān)MOSFET 的關(guān)斷阻抗偏低所致。

將失效樣品芯片委托專業(yè)分析機構(gòu)進行失效原因分析，經(jīng)對MOSFET 進行I/V 特性測試，發(fā)現(xiàn)G-S、G-D間呈現(xiàn)出漏電特性，D-S 間呈現(xiàn)出明顯的并聯(lián)電阻特性；進行激光掃描顯微分析（OBIRCH），發(fā)現(xiàn)芯片表面存在一個電流熱點，表明該區(qū)域存在缺陷。檢查芯片外觀無異常。去除芯片金屬化層后，在掃描電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)電流熱點區(qū)域介質(zhì)層存在破損、塌陷，原胞附近柵極區(qū)域有小面積熔融形貌，但無明顯持續(xù)電流、電壓作用的失效特征（見圖3）。

圖3 MOSFET 燒毀點SEM 形貌圖

針對芯片失效原因的分析結(jié)論為，MOSFET 芯片柵極受損導(dǎo)致局部耐壓下降，柵氧層發(fā)生輕微的電壓擊穿，D-G-S間形成漏電通道，表現(xiàn)為判斷狀態(tài)下DS阻抗偏低。進一步分析確認，損傷點位于引線鍵合點正下方，結(jié)合試驗驗證情況，確認柵極損傷是由芯片引線鍵合過程引入。

1.3 散熱不良導(dǎo)致過熱燒毀失效

某采用混合集成工藝的開關(guān)電源模塊在持續(xù)工作約10 h 后突然出現(xiàn)無輸出性失效，經(jīng)開帽檢測，確認功率回路開關(guān)MOSFET 芯片出現(xiàn)燒毀失效。對失效芯片進一步分析，在芯片源極有燒毀熔融形貌和裂紋（所有裂紋從失效點向外延伸），柵極區(qū)域無異常。燒毀點SEM 形貌如圖4 所示。從失效點形貌特征，判定失效為過熱引起。

圖4 MOSFET 燒毀點SEM 形貌圖

再對芯片的燒結(jié)質(zhì)量進行檢查，發(fā)現(xiàn)芯片下方存在較大的空洞（如圖5），失效點正位于空洞區(qū)域內(nèi)。

結(jié)合熱分析及試驗驗證情況，最終確定MOSFET 出現(xiàn)過熱失效是由于芯片下方存在燒結(jié)空洞，芯片散熱不良，在長時間工作時芯片過熱擊穿所致。

2 提高應(yīng)用可靠性的措施

根據(jù)器件的失效機理以及對歷年來失效案例的統(tǒng)計情況，MOSFET 在使用過程中失效的主要因素可以歸納為：與元件質(zhì)量有關(guān)的因素（芯片制造缺陷、封裝缺陷等）、與工藝有關(guān)的因素（靜電損傷、機械損傷、溫度應(yīng)力、焊接質(zhì)量等）和與應(yīng)用有關(guān)的因素（過電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機械應(yīng)力等）。

首先，從公平的角度來看。公平正義是千百年來人類不懈追求的一種美好理想和愿望，也是社會主義核心價值觀的主要內(nèi)容。但是公平正義不等于搞平均主義。每一個個體都是存在差異的，即使是剛?cè)雽W(xué)的一年級小朋友，身高、視力、聽力、性格、習(xí)慣等也各不相同。難道摒棄這些客觀因素，忽視個體差異的真實存在，而改成機械、純粹的座位輪換制，就是真正意義上的公平嗎？試想一下，到了小學(xué)高年級，孩子的身高、學(xué)習(xí)習(xí)慣等都會有十分明顯的區(qū)別，一米三的小不點躲在一米七的大個子后面，小胡子和大姑娘坐在一起，調(diào)皮搗蛋的和文文靜靜的勉強同桌，這就是公平？看似絕對公平的座位輪換制，實則是嚴重的不公正，是對學(xué)生身心的另一種傷害。

為了提高MOSFET 應(yīng)用的可靠性，在器件選型、應(yīng)用設(shè)計及工藝加工各環(huán)節(jié)，針對可能引起MOSFET 失效的因素，需要采取相應(yīng)的控制措施。

2.1 器件選型及來料控制

該階段的控制目標(biāo)是器件選型合理、來料質(zhì)量可控。

器件選型時應(yīng)在物料合格供應(yīng)商的符合預(yù)定質(zhì)量等級要求的產(chǎn)品目錄內(nèi)，選擇滿足設(shè)計技術(shù)要求的器件，同時還應(yīng)關(guān)注器件的技術(shù)成熟度和應(yīng)用限制（包括工藝要求）。盡量避免選用技術(shù)不成熟或?qū)?yīng)用有特殊要求的器件。

圖5 MOSFET 芯片位置及焊結(jié)空洞圖

在來料檢驗階段，除進行電特性檢驗外，還應(yīng)制定并實施有針對性的可靠性評估方案（如X 射線檢查、超聲檢測、DPA 試驗等），以便能夠有效評價器件批次性質(zhì)量。必要時，應(yīng)對每批次來料進行100 %的補充篩選，以剔除可能存在的早期失效品。但補充篩選應(yīng)充分評估試驗附加風(fēng)險并采取相應(yīng)的控制或防護措施，避免試驗過程引入新的失效模式，如靜電損傷、受潮、引出端氧化等。

2.2 應(yīng)用設(shè)計

應(yīng)用設(shè)計階段的核心是讓MOSFET 器件工作在安全狀態(tài)，通過開展電路可靠性及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，如降額設(shè)計、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，避免承受過電應(yīng)力、過溫度應(yīng)力和異常機械應(yīng)力[2]。設(shè)計時主要應(yīng)進行以下考慮：

1）對柵極驅(qū)動電壓幅度控制，必要時還需進

行靜電防護，避免出現(xiàn)柵氧化層擊穿。

2）控制D 極電壓幅值和尖峰，避免D-S 間體二極管因持續(xù)的雪崩擊穿而失效。

3）進行合理的熱匹配設(shè)計，避免器件在散熱界面因溫度系數(shù)差異大而產(chǎn)生熱應(yīng)力；選擇有效的散熱方式，有效降低熱阻，避免在正常工作狀態(tài)下溫升超過安全范圍。

4）MOSFET 構(gòu)成橋式應(yīng)用時，應(yīng)有合理的死區(qū)時間，避免橋臂同側(cè)MOSFET 出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通。

5）選擇合理的驅(qū)動方式和工作頻率，控制工作在開關(guān)態(tài)MOSFET 在放大狀態(tài)的停留時間，降低開關(guān)損耗；

6）設(shè)計必要的過/欠壓及過流/短路保護電路，避免MOSFET 承受過功率或工作在非正常狀態(tài)；

7）合理的布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制基板形變量，避免在生產(chǎn)、使用過程中承受異常的機械應(yīng)力。

2.3 工藝加工

工藝加工階段的核心是讓器件安全可靠地裝配到基板上，同時要避免在加工過程中承受過溫度應(yīng)力、靜電損傷和機械損傷。因此，工藝加工時應(yīng)進行以下考慮：

1）全過程實施有效的靜電防護。

2）選擇合適的工藝套路，避免工藝裝配過程對器件產(chǎn)生異常的溫度應(yīng)力或機械應(yīng)力。

3）確保焊接質(zhì)量，必要時通過X 射線檢查識別焊接缺陷[3]。

4）裝配無封裝裸芯片時，應(yīng)根據(jù)芯片尺寸、材料優(yōu)化工藝參數(shù)，加工前需檢查劈刀是否存在粘污、破損等情況，避免引線鍵合過程對芯片產(chǎn)生機械損傷；設(shè)計合理的鍵合順序，先鍵合源極再鍵合柵極。

5）對于體積較大的MOSFET 器件，應(yīng)采取加固措施以提高產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性能，但需充分考慮各材料間的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配性，同時控制加固措施對其他性能的影響[4]。

3 結(jié)論

本文在介紹幾例典型失效案例的基礎(chǔ)上，總結(jié)了導(dǎo)致MOSFET 失效的主要因素，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，給出了從器件選型、來料質(zhì)量控制、應(yīng)用設(shè)計到工藝加工各環(huán)節(jié)提高MOSFET 應(yīng)用可靠性的注意事項、方法或措施，對提高MOSFET 的應(yīng)用可靠性具有參考價值。