基于失效分析的功率MOSFET 應用可靠性研究

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通阻抗的開關特性，在各類功率電子電路中得到了廣泛應用。隨著應用需求牽引和工藝技術的發展，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，直接影響著系統可靠性。如何提高MOSFET 的應用可靠性已引起越來越多電子工程師的重點關注[1]。

根據制造廠家和專業失效分析機構的統計數據，MOSFET 在應用中表現出的主要失效模式為短路、開路和參數漂移，其中最常見的為短路失效，約占總失效比例的70%。經分析，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用不當有關。

本文在介紹幾例典型失效案例的基礎上，總結了導致MOSFET 失效的主要因素，給出了從物料選用到應用加工各環節提高MOSFET 應用可靠性的注意事項和方法。

1 典型失效案例

1.1 元件內部分層導致局部過熱燒毀失效

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

圖1 電壓調整電路原理簡圖

圖2 器件分層掃描聲學顯微圖

進一步開封檢測內部，發現MOSFET 柵源金屬化區沒有玻璃鈍化保護，內部存在多處燒毀點。結合芯片失效點位置分布及SEM 形貌，分析結論為元件內部存在分層，水汽易侵入并聚集到芯片表面，導致芯片局部漏電，最終引起芯片局部過熱燒毀。

1.2 鍵合損傷導致漏電流增大失效

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

將失效樣品芯片委托專業分析機構進行失效原因分析，經對MOSFET 進行I/V 特性測試，發現G-S、G-D間呈現出漏電特性，D-S 間呈現出明顯的并聯電阻特性；進行激光掃描顯微分析（OBIRCH），發現芯片表面存在一個電流熱點，表明該區域存在缺陷。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現電流熱點區域介質層存在破損、塌陷，原胞附近柵極區域有小面積熔融形貌，但無明顯持續電流、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論為，MOSFET 芯片柵極受損導致局部耐壓下降，柵氧層發生輕微的電壓擊穿，D-G-S間形成漏電通道，表現為判斷狀態下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 散熱不良導致過熱燒毀失效

某采用混合集成工藝的開關電源模塊在持續工作約10 h 后突然出現無輸出性失效，經開帽檢測，確認功率回路開關MOSFET 芯片出現燒毀失效。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

再對芯片的燒結質量進行檢查，發現芯片下方存在較大的空洞（如圖5），失效點正位于空洞區域內。

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

2 提高應用可靠性的措施

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

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，即使是剛入學的一年級小朋友，身高、視力、聽力、性格、習慣等也各不相同。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，到了小學高年級，孩子的身高、學習習慣等都會有十分明顯的區別，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，是對學生身心的另一種傷害。

為了提高MOSFET 應用的可靠性，在器件選型、應用設計及工藝加工各環節，針對可能引起MOSFET 失效的因素，需要采取相應的控制措施。

2.1 器件選型及來料控制

該階段的控制目標是器件選型合理、來料質量可控。

器件選型時應在物料合格供應商的符合預定質量等級要求的產品目錄內，選擇滿足設計技術要求的器件，同時還應關注器件的技術成熟度和應用限制（包括工藝要求）。盡量避免選用技術不成熟或對應用有特殊要求的器件。

圖5 MOSFET 芯片位置及焊結空洞圖

在來料檢驗階段，除進行電特性檢驗外，還應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量。必要時，應對每批次來料進行100 %的補充篩選，以剔除可能存在的早期失效品。但補充篩選應充分評估試驗附加風險并采取相應的控制或防護措施，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 應用設計

應用設計階段的核心是讓MOSFET 器件工作在安全狀態，通過開展電路可靠性及環境適應性設計，如降額設計、熱應力和結構應力分析，避免承受過電應力、過溫度應力和異常機械應力[2]。設計時主要應進行以下考慮：

1）對柵極驅動電壓幅度控制，必要時還需進

行靜電防護，避免出現柵氧化層擊穿。

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

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

4）MOSFET 構成橋式應用時，應有合理的死區時間，避免橋臂同側MOSFET 出現共態導通。

5）選擇合理的驅動方式和工作頻率，控制工作在開關態MOSFET 在放大狀態的停留時間，降低開關損耗；

6）設計必要的過/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；

7）合理的布局和結構設計，控制基板形變量，避免在生產、使用過程中承受異常的機械應力。

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力、靜電損傷和機械損傷。因此，工藝加工時應進行以下考慮：

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生異常的溫度應力或機械應力。

3）確保焊接質量，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，應根據芯片尺寸、材料優化工藝參數，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生機械損傷；設計合理的鍵合順序，先鍵合源極再鍵合柵極。

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

3 結論

本文在介紹幾例典型失效案例的基礎上，總結了導致MOSFET 失效的主要因素，并結合工程實踐經驗，給出了從器件選型、來料質量控制、應用設計到工藝加工各環節提高MOSFET 應用可靠性的注意事項、方法或措施，對提高MOSFET 的應用可靠性具有參考價值。