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【專家帖】如何提高開關(guān)電源芯片MOSFET雪崩可靠性？

發(fā)布時間 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，影響開關(guān)電源安規(guī)及可靠性。芯朋微電子是國內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導(dǎo)體器件工藝設(shè)計能力的功率集成電路設(shè)計公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標準工藝制程的IC設(shè)計公司。
本期芯朋微電子的功率器件技術(shù)團隊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)載流子通過碰撞電離開始倍增，這一現(xiàn)象與宏觀世界中高山雪崩是很像的，所以我們稱之為雪崩擊穿。

功率器件并不是觸發(fā)雪崩就會損壞的，而是對雪崩能量有一定的承受能力，稱之為雪崩耐量，一般從以下兩個特性來考量某個功率器件承受的雪崩耐量的強弱，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試的原理圖，對待測器件的Gate施加開啟信號，器件導(dǎo)通，電感L開始儲能，當電感儲能達到一定值以后，關(guān)閉Gate，此時電感能量只能通過雪崩電流來泄放。

圖1. 單脈沖雪崩測試的原理圖

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

圖2. 單脈沖雪崩測試波形圖

雪崩泄放的總能量由以下公式給出

其中：

在實際測試中，通常會固定L和VIN，通過不斷增大脈寬寬度TPulse，測得器件不損壞的最大雪崩耐量即為所測器件的EAS值。

重復(fù)雪崩耐量

圖3給出了重復(fù)雪崩測試的原理圖，對待測器件的Gate施加周期性開關(guān)信號，通過器件反復(fù)開關(guān)，周期性對電感儲能，并通過器件雪崩釋放能量。對于重復(fù)雪崩，每次發(fā)生雪崩的能量要比EAS小很多，但重復(fù)累加的能量會比單脈沖雪崩多很多，所以芯片結(jié)溫和管殼溫度都會升高，當芯片結(jié)溫達到Tjmax時，即為所測器件的EAR最大值。

圖3. 重復(fù)雪崩測試的原理圖

雪崩擊穿失效機理是什么？

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

單脈沖雪崩發(fā)生時，持續(xù)的時間一般在微秒量級，我們發(fā)現(xiàn)由于熱容的存在，瞬時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急劇上升，當超過PN結(jié)極限溫度（約400℃）時，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，而非器件手冊標稱的最高工作溫度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)雪崩的失效機理主要有兩種，一種是重復(fù)雪崩過程中芯片結(jié)溫超過Tjmax，而帶來的器件損壞；另一種表現(xiàn)為重復(fù)雪崩老化過程中，由于熱載流子效應(yīng)而帶來的器件參數(shù)漂移，是一個緩慢退化的過程。

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，芯朋微電子把終端結(jié)構(gòu)的耐壓設(shè)計的高于元胞。

在滿足上面的設(shè)計條件后，雪崩的觸發(fā)位置會在元胞電場強度最大的地方。如圖5所示，對于平面型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最強的地方通常在Pbody的側(cè)下方。

圖5.平面型VDMOS電場分布

但對于超結(jié)型VDMOS，為了降低Rdson，芯朋都會對電場進行優(yōu)化，如圖6所示，可見超結(jié)型VDMOS的電場特性是有可能帶來雪崩觸發(fā)位置的隨機變化，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)計難度要遠高于平面型VDMOS。

圖6.超結(jié)型VDMOS電場分布

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變差，所以芯片的重復(fù)雪崩耐量EAR會降低。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，雖然系統(tǒng)中一般都會配置RCD吸收回路，來抑制雪崩發(fā)生，然而在做雷擊浪涌測試或者市電瞬時過壓的時候，還是不可避免使器件發(fā)生雪崩的，因此選擇雪崩耐量優(yōu)異的分立器件或開關(guān)電源芯片是與電源系統(tǒng)可靠性緊密相關(guān)的。

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

芯朋微電子的開關(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.反激開關(guān)電源系統(tǒng)圖

芯朋微電子是國內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導(dǎo)體器件工藝設(shè)計能力的功率集成電路設(shè)計公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標準工藝制程的IC設(shè)計公司，芯朋可通過獨特的功率器件結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的雪崩耐量，并進行嚴格的EAS和EAR測試考核。還不僅僅止步于此，芯朋配合獨有的智能功率集成技術(shù)，進一步在普通VDMOS器件上內(nèi)置了電壓采樣、電流采樣、溫度采樣、驅(qū)動、高壓啟動等功能，從而能提供安全可靠的高性能AC-DC開關(guān)電源芯片方案，廣泛應(yīng)用于各類新型工業(yè)電源、智能家電、快速充電器、機頂盒/網(wǎng)關(guān)適配器等產(chǎn)品。

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