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MOS管失效的5大原因及解決措施

454398 ? 來源:羅姆半導(dǎo)體社區(qū) ? 作者:羅姆半導(dǎo)體社區(qū) ? 2022-12-20 13:09 ? 次閱讀
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來源:羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

MOS管全稱金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或稱金屬—絕緣體—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管,英文名metal oxide semiconductor,屬于場效應(yīng)管中的絕緣柵型,因此,MOS管有時(shí)候又稱為絕緣柵場效應(yīng)管。確切的說,這個(gè)名字描述了集成電路中MOS管的結(jié)構(gòu),即:在一定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件上,加上二氧化硅和金屬,形成柵極。

目前在市場應(yīng)用方面,排名第一的是消費(fèi)類電子電源適配器產(chǎn)品。排名第二的是計(jì)算機(jī)主板、NB、計(jì)算機(jī)類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品。第三的就屬網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子以及電力設(shè)備領(lǐng)域。這些產(chǎn)品對于MOS管的需求都很大。下面是關(guān)于MOS管失效的五大原因。

雪崩失效(電壓失效)

雪崩失效也就是我們常說的漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓,并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。到底什么是雪崩失效呢,簡單來說MOSFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在MOSFET漏源之間,導(dǎo)致的一種失效模式。簡而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見的失效模式。

雪崩失效的預(yù)防措施:
雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效,因此預(yù)防我們著重從電壓來考慮。具體可以參考以下的方式來處理。
1:合理降額使用,目前行業(yè)內(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額,具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行選取。
2:合理的變壓器反射電壓。
3:合理的RCD及TVS吸收電路設(shè)計(jì)
4:大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu),盡量減少布線寄生電感。
5:選擇合理的柵極電阻Rg。
6:在大功率電源中,可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

二、柵極電壓失效

造成柵極電壓異常高的主要原因有三:生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配過程中的靜電;電力系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備和電路寄生參數(shù)引起的高壓諧振;在高壓沖擊過程中,高壓通過Ggd傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(在雷擊試驗(yàn)中,這種原因引起的故障更常見)。

柵極電壓失效的預(yù)防措施:

柵極和源極之間的過電壓保護(hù):如果柵極和源極之間的阻抗過高,漏極和源極之間電壓的突然變化將通過電極間電容耦合到柵極上,導(dǎo)致非常高的UGS電壓超調(diào),從而導(dǎo)致柵極超調(diào)。氧化物層永久性損壞。如果是正方向上的UGS瞬態(tài)電壓,設(shè)備也可能導(dǎo)通錯(cuò)誤。為此,應(yīng)適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗,并在柵極和源極之間并聯(lián)一個(gè)阻尼電阻或一個(gè)穩(wěn)壓約20V的調(diào)壓器。必須特別注意防止開門操作。

三、SOA失效(電流失效)

SOA失效是指電源在運(yùn)行時(shí)異常的大電流和電壓同時(shí)疊加在MOSFET上面,造成瞬時(shí)局部發(fā)熱而導(dǎo)致的破壞模式。或者是芯片與散熱器及封裝不能及時(shí)達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累,持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。

1:受限于最大額定電流及脈沖電流
2:受限于最大節(jié)溫下的RDSON。
3:受限于器件最大的耗散功率。
4:受限于最大單個(gè)脈沖電流。
5:擊穿電壓BVDSS限制區(qū)
我們電源上的MOSFET,只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi),就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導(dǎo)致的電源失效問題的產(chǎn)生。


SOA失效的預(yù)防措施:
1:確保在最差條件下,MOSFET的所有功率限制條件均在SOA限制線以內(nèi)。
2:將OCP功能一定要做精確細(xì)致。
在進(jìn)行OCP點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),一般可能會取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多,然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗(yàn)的人會將檢測延遲時(shí)間、CISS對OCP實(shí)際的影響考慮在內(nèi)。但是此時(shí)有個(gè)更值得關(guān)注的參數(shù),那就是MOSFET的Td(off)。它到底有什么影響呢,我們看下面FLYBACK電流波形圖。


電流波形在快到電流尖峰時(shí),有個(gè)下跌,這個(gè)下跌點(diǎn)后又有一段的上升時(shí)間,這段時(shí)間其本質(zhì)就是IC在檢測到過流信號執(zhí)行關(guān)斷后,MOSFET本身也開始執(zhí)行關(guān)斷,但是由于器件本身的關(guān)斷延遲,因此電流會有個(gè)二次上升平臺,如果二次上升平臺過大,那么在變壓器余量設(shè)計(jì)不足時(shí),就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個(gè)電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個(gè)失效。


3:合理的熱設(shè)計(jì)余量,這個(gè)就不多說了,各個(gè)企業(yè)都有自己的降額規(guī)范,嚴(yán)格執(zhí)行就可以了,不行就加散熱器。

四、靜電失效

靜電的基本物理特性是:有吸引力或斥力;有電場,與地球有電位差;產(chǎn)生放電電流。這三種情況對電子元件有以下影響:

1、該元件吸收灰塵,改變線路之間的阻抗,影響元件的功能和壽命。

2、由于電場或電流的作用,元件的絕緣層和導(dǎo)體損壞,使元件不能工作(完全損壞)。

3、由于電場的瞬時(shí)軟擊穿或電流過熱,元件受到損壞。雖然它還能工作,但它的生命受到了損害。

靜電失效預(yù)防措施:

MOS電路輸入端的保護(hù)二極管在通電時(shí)的電流容限為1毫安。當(dāng)可能出現(xiàn)過大的瞬時(shí)輸入電流(大于10mA)時(shí),輸入保護(hù)電阻應(yīng)串聯(lián)。同時(shí),由于保護(hù)電路吸收的瞬時(shí)能量有限,過大的瞬時(shí)信號和過高的靜電電壓會使保護(hù)電路失效。因此,在焊接過程中,烙鐵必須可靠接地,以防止設(shè)備輸入端子泄漏。一般使用時(shí),斷電后,可利用烙鐵的余熱進(jìn)行焊接,其接地腳應(yīng)先焊好。

五、體二極管故障

在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。在不同的拓?fù)浜碗娐分?,MOS管具有不同的作用。例如,在LLC中,體二極管的速度也是影響MOS管可靠性的一個(gè)重要因素。由于二極管本身是寄生參數(shù),因此很難區(qū)分漏源體二極管故障和漏源電壓故障。二極管故障的解決方案主要是通過結(jié)合自身電路來分析。

審核編輯 黃昊宇

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