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【專(zhuān)家帖】如何提高開(kāi)關(guān)電源芯片MOSFET雪崩可靠性？

發(fā)布時(shí)間 2019-12-04 |

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雪崩耐量是芯片中功率器件的關(guān)鍵指標(biāo)，影響開(kāi)關(guān)電源安規(guī)及可靠性。芯朋微電子是國(guó)內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導(dǎo)體器件工藝設(shè)計(jì)能力的功率集成電路設(shè)計(jì)公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標(biāo)準(zhǔn)工藝制程的IC設(shè)計(jì)公司。
本期芯朋微電子的功率器件技術(shù)團(tuán)隊(duì)從電源功率器件的雪崩原理入手，為大家揭秘：

什么是雪崩擊穿？

單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩有何不同？

雪崩擊穿失效機(jī)理是什么？

平面型VDMOS和超結(jié)型VDMOS的雪崩耐量有何差異以及如何選擇？

什么是雪崩擊穿？單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩有何不同？

當(dāng)功率器件PN結(jié)的反向電壓增大到某一數(shù)值后，半導(dǎo)體內(nèi)載流子通過(guò)碰撞電離開(kāi)始倍增，這一現(xiàn)象與宏觀世界中高山雪崩是很像的，所以我們稱(chēng)之為雪崩擊穿。

功率器件并不是觸發(fā)雪崩就會(huì)損壞的，而是對(duì)雪崩能量有一定的承受能力，稱(chēng)之為雪崩耐量，一般從以下兩個(gè)特性來(lái)考量某個(gè)功率器件承受的雪崩耐量的強(qiáng)弱，分別是：

單脈沖雪崩耐量
重復(fù)雪崩耐量

單脈沖雪崩

圖1給出了單脈沖雪崩測(cè)試的原理圖，對(duì)待測(cè)器件的Gate施加開(kāi)啟信號(hào)，器件導(dǎo)通，電感L開(kāi)始儲(chǔ)能，當(dāng)電感儲(chǔ)能達(dá)到一定值以后，關(guān)閉Gate，此時(shí)電感能量只能通過(guò)雪崩電流來(lái)泄放。

圖1. 單脈沖雪崩測(cè)試的原理圖

圖2給出了單側(cè)雪崩測(cè)試幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)的示波器波形圖，可以看到當(dāng)器件Gate電壓Vgs從高變低后，器件漏端電壓瞬時(shí)升高到雪崩擊穿電壓，直到電感能量在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)泄放完畢。

圖2. 單脈沖雪崩測(cè)試波形圖

雪崩泄放的總能量由以下公式給出

其中：

在實(shí)際測(cè)試中，通常會(huì)固定L和VIN，通過(guò)不斷增大脈寬寬度TPulse，測(cè)得器件不損壞的最大雪崩耐量即為所測(cè)器件的EAS值。

重復(fù)雪崩耐量

圖3給出了重復(fù)雪崩測(cè)試的原理圖，對(duì)待測(cè)器件的Gate施加周期性開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)器件反復(fù)開(kāi)關(guān)，周期性對(duì)電感儲(chǔ)能，并通過(guò)器件雪崩釋放能量。對(duì)于重復(fù)雪崩，每次發(fā)生雪崩的能量要比EAS小很多，但重復(fù)累加的能量會(huì)比單脈沖雪崩多很多，所以芯片結(jié)溫和管殼溫度都會(huì)升高，當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到Tjmax時(shí)，即為所測(cè)器件的EAR最大值。

圖3. 重復(fù)雪崩測(cè)試的原理圖

雪崩擊穿失效機(jī)理是什么？

當(dāng)功率器件承受的雪崩耐量超過(guò)極限后，芯片最終會(huì)損壞，然而單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的失效機(jī)理并不相同。

單脈沖雪崩發(fā)生時(shí)，持續(xù)的時(shí)間一般在微秒量級(jí)，我們發(fā)現(xiàn)由于熱容的存在，瞬時(shí)熱量不足以傳遞到芯片引線框和封裝體，雪崩擊穿位置的溫度會(huì)急劇上升，當(dāng)超過(guò)PN結(jié)極限溫度（約400℃）時(shí)，芯片熱擊穿損壞。所以單脈沖雪崩的極限溫度限制是PN結(jié)的熱擊穿溫度，而非器件手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)的最高工作溫度Tjmax（150℃）。圖4給出了在單脈沖雪崩后器件局部熱擊穿損壞照片。

圖4. 單脈沖雪崩引起的器件局部熱擊穿損壞

重復(fù)雪崩的失效機(jī)理主要有兩種，一種是重復(fù)雪崩過(guò)程中芯片結(jié)溫超過(guò)Tjmax，而帶來(lái)的器件損壞；另一種表現(xiàn)為重復(fù)雪崩老化過(guò)程中，由于熱載流子效應(yīng)而帶來(lái)的器件參數(shù)漂移，是一個(gè)緩慢退化的過(guò)程。

平面型VDMOS和超結(jié)型VDMOS的雪崩能力有何差異？

VDMOS主要由終端結(jié)構(gòu)和元胞兩部分組成，為了得到比較好的器件雪崩耐量，器件結(jié)構(gòu)上能均勻雪崩擊穿是關(guān)鍵。為了做到這一點(diǎn)，芯朋微電子把終端結(jié)構(gòu)的耐壓設(shè)計(jì)的高于元胞。

在滿足上面的設(shè)計(jì)條件后，雪崩的觸發(fā)位置會(huì)在元胞電場(chǎng)強(qiáng)度最大的地方。如圖5所示，對(duì)于平面型VDMOS，為了保證雪崩耐量，芯朋微電子內(nèi)置高壓功率器件的電場(chǎng)最強(qiáng)的地方通常在Pbody的側(cè)下方。

圖5.平面型VDMOS電場(chǎng)分布

但對(duì)于超結(jié)型VDMOS，為了降低Rdson，芯朋都會(huì)對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示，可見(jiàn)超結(jié)型VDMOS的電場(chǎng)特性是有可能帶來(lái)雪崩觸發(fā)位置的隨機(jī)變化，所以超結(jié)型VDMOS的雪崩能力較弱，超結(jié)型VDMOS的雪崩一致性設(shè)計(jì)難度要遠(yuǎn)高于平面型VDMOS。

圖6.超結(jié)型VDMOS電場(chǎng)分布

功率半導(dǎo)體器件的研發(fā)一直在不斷追求更低的特征導(dǎo)通電阻，也就是希望以更小的芯片面積獲得同樣的導(dǎo)通電阻，然而隨著芯片面積的減小，器件的熱阻也就是散熱特性會(huì)變差，所以芯片的重復(fù)雪崩耐量EAR會(huì)降低。目前超結(jié)型VDMOS的特征導(dǎo)通電阻已經(jīng)比平面型VDMOS優(yōu)化數(shù)倍以上，帶來(lái)的犧牲就是相同Rdson規(guī)格的超結(jié)型VDMOS比平面型VDMOS的重復(fù)雪崩耐量EAR要差很多。

圖7.特征導(dǎo)通電阻與雪崩耐量

VDMOS該如何選型？

雪崩耐量是功率器件關(guān)鍵指標(biāo)，雖然系統(tǒng)中一般都會(huì)配置RCD吸收回路，來(lái)抑制雪崩發(fā)生，然而在做雷擊浪涌測(cè)試或者市電瞬時(shí)過(guò)壓的時(shí)候，還是不可避免使器件發(fā)生雪崩的，因此選擇雪崩耐量?jī)?yōu)異的分立器件或開(kāi)關(guān)電源芯片是與電源系統(tǒng)可靠性緊密相關(guān)的。

當(dāng)EMI濾波器的防雷等級(jí)較高時(shí)(采用共模電感+X電容濾波器結(jié)構(gòu)+防雷器件)，并對(duì)開(kāi)關(guān)頻率有較高要求時(shí)，可選用超結(jié)型VDMOS，避免雷擊殘壓造成MOS雪崩損壞；
當(dāng)EMI濾波器防雷等級(jí)較低時(shí)(采用π型濾波器+防雷器件)，優(yōu)先選用雪崩能力強(qiáng)的平面型VDMOS。

芯朋微電子的開(kāi)關(guān)電源芯片系列中，可提供高雪崩耐量的智能VDMOS器件，如圖8所示：

圖8.反激開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)圖

芯朋微電子是國(guó)內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導(dǎo)體器件工藝設(shè)計(jì)能力的功率集成電路設(shè)計(jì)公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標(biāo)準(zhǔn)工藝制程的IC設(shè)計(jì)公司，芯朋可通過(guò)獨(dú)特的功率器件結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的雪崩耐量，并進(jìn)行嚴(yán)格的EAS和EAR測(cè)試考核。還不僅僅止步于此，芯朋配合獨(dú)有的智能功率集成技術(shù)，進(jìn)一步在普通VDMOS器件上內(nèi)置了電壓采樣、電流采樣、溫度采樣、驅(qū)動(dòng)、高壓?jiǎn)?dòng)等功能，從而能提供安全可靠的高性能AC-DC開(kāi)關(guān)電源芯片方案，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)新型工業(yè)電源、智能家電、快速充電器、機(jī)頂盒/網(wǎng)關(guān)適配器等產(chǎn)品。

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