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原创:开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析

来源:    编辑:    发布时间:2018-07-24 08:43:41    浏览量:

来了,就发原创创,希翼对大家有用。

开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析

结合功率MOSFET管失效分析图片不同的形态,论述了功率MOSFET管分别在过电流和过电压条件下损坏的模式,并说明了产生这样的损坏形态的原因,也分析了功率MOSFET管在关断及开通过程中,发生失效形态的差别,从而为失效是在关断还是在开通过程中发生损坏提供了判断依据。给出了测试过电流和过电压的电路图。

可以打开

Thank a lot!

同时,也分析了功率MOSFET管在动态老化测试中慢速开通及在电池保护电路应用中慢速关断时,较长时间工作在线性区时,损坏的形态。最后,结合实际的应用,论述了功率MOSFET通常会产生过电流和过电压二种混合损坏方式损坏机理和过程。

目前,功率MOSFET管广泛地应用于开关电源系统及其它的一些功率电子电路中,然而,在实际的应用中,通常,在一些极端的边界条件下,如系统的输出短路及过载测试,输入过电压测试以及动态的老化测试中,功率MOSFET有时候会发生失效损坏。工程师将损坏的功率MOSFET送到半导体原厂做失效分析后,得到的失效分析报告的结论通常是过电性应力EOS,无法判断是什么原因导致MOSFET的损坏。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

本文将通过功率MOSFET管的工作特性,结合失效分析图片中不同的损坏形态,系统的分析过电流损坏和过电压损坏,同时,根据损坏位置不同,分析功率MOSFET管的失效是发生在开通的过程中,还是发生在关断的过程中,从而为设计工程师提供一些依据,来找到系统设计的一些问题,提高电子系统的可靠性。

不错的资料,学习啦

1 过电压和过电流测试电路<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

过电压测试的电路图如图1(a)所示,选用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封装。其中,所加的电源为60V,使用开关来控制,将60V的电压直接加到AON6240的D和S极,熔丝用来保护测试系统,功率MOSFET损坏后,将电源断开。测试样品数量:5片。

过电流测试的电路图如图2(b)所示,选用40V的功率MOSFET:AON6240,DFN5*6的封装。首先合上开关A,用20V的电源给大电容充电,电容C的容值:15mF,然后断开开关A,合上开关B,将电容C的电压加到功率MOSFET的D和S极,使用信号发生器产生一个电压幅值为4V、持续时间为1秒的单脉冲,加到功率MOSFET的G极。测试样品数量:5片。

做个标记 等下再看

2 过电压和过电流失效损坏

将过电压和过电流测试损坏的功率MOSFET去除外面的塑料外壳,对露出的硅片正面失效损坏的形态的图片,分别如图2(a)和图2(b)所示。

从图2(a)可以看到:过电压的失效形态是在硅片中间的某一个位置产生一个击穿小孔洞,通常称为热点,其产生的原因就是因为过压而产生雪崩击穿,在过压时,通常导致功率MOSFET内部寄生三极管的导通,由于三极管具有负温度系数特性,当局部流过三极管的电流越大时,温度越高,而温度越高,流过此局部区域的电流就越大,从而导致功率MOSFET内部形成局部的热点而损坏。

硅片中间区域是散热条件最差的位置,也是最容易产生热点的地方,可以看到,上图中,击穿小孔洞即热点,正好都位于硅片的中间区域。

在过流损坏的条件下,图2(b )的可以看到:所有的损坏位置都是发生的S极,而且比较靠近G极,因为电容的能量放电形成大电流,全部流过功率MOSFET,所有的电流全部要汇集中S极,这样,S极附近产生电流 集中,因此温度最高,也最容易产生损坏。

注意到,在功率MOSFET内部,是由许多单元并联形成的,如图3(a)所示,其等效的电路图如图3(b )所示,在开通过程中,离G极近地区域,VGS的电压越高,因此区域的单元流过电流越大,因此在瞬态开通过程承担更大的电流,这样,离G极近的S极区域,温度更高,更容易因过流产生损坏。

确实很明了。最近炸好几次管子了,就是不知道咋坏的
大侠可否把电流损坏的点用红色表示出来,这样比较醒目。不然像我这么眼力不好而且又笨的人很难看出来。多谢!分析的很好。 图中加红圈圈的地方,就是损坏的BURN MARK 要有工具才能这样看哦

楼主,请教个问题,GS之间短路是怎么回事?

“由于三极管具有负温度系数特性,当局部流过三极管的电流越大时”对此句不了解,是负温度系数特性吗?

见以前本人发的一个贴子,有比较详细的说明: http://bbs.dianyuan.com/topic/558559

原创:理解功率MOSFET的RDS(ON)温度系数特性:正温度系数?不,有正和负温度系数双重特性

感觉您分析的很深入,能讲讲如何判断MOS管的损坏是由于雪崩击穿吗,单从损坏后的MOS管能判断出来吗,如果加的电压没有达到允许的Vds是不是就不会出现雪崩击穿现象呢,最近经常烧管子,求高手引导,谢谢了。

3 过电压和过电流混合失效损坏<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

在实际应用中,单一的过电流和过电流的损坏通常很少发生,更多的损坏是发生过流后,由于系统的过流保护电路工作,将功率MOSFET关断,这样,在关断的过程中,发生过压即雪崩。从图4可以看到功率MOSFET先过流,然后进入雪崩发生过压的损坏形态。

可以看到,和上面过流损坏形式类似,它们也发生在靠近S极的地方,同时,也有因为过压产生的击穿的洞坑,而损坏的位置远离S极,和上面的分析类似,在关断的过程,距离G极越远的位置,在瞬态关断过程中,VGS的电压越高,承担电流也越大,因此更容易发生损坏。

好贴啊~~ 楼主 图4中过压击穿的洞坑在哪?能否标示出来? 好贴 菜鸟学习中 顶一个

请教楼主:

过压与过流损坏的顺序问题,是否存在先进入雪崩区,然后雪崩击穿MOSFET,从而引起过流损坏的现象?

如果有,其损坏的具体机理跟先过流后过压的损坏机理有何不同?有没有相关的资料图片共享

谢谢

过压损坏多半会开路,貌似存在再过流损坏的可能性教小

呵呵,兄弟,其实不管是over voltage还是over current损坏,都有其不同的物理表象

adlsong分析的非常到位,所以想更深层次的了解下

如果过压将GD打成短路,电流再一冲,如果电源保护不好的话,就看到急剧的过流现象, 其实不管过流还是过压,核心的思想仍然是温度,而且大多实际的应用都是局部的过热,因此是否损坏机理在于:1是否产生过热。2过热是否可以及时的散出去。通常大电流关断时,由于回路的电感存在,电流越大,器件越可能就会进入雪崩.

4 线性区大电流失效损坏

在电池充放电保护电路板上,通常,负载发生短线或过流电,保护电路将关断功率MOSFET,以免电池产生过放电。但是,和通常短路或过流保护快速关断方式不同,功率MOSFET以非常慢的速度关断,如下图5所示,功率MOSFET的G极通过一个1M的电阻,缓慢关断。从VGS波形上看到,米勒平台的时间高达5ms。米勒平台期间,功率MOSFET工作在放大状态,即线性区。

功率MOSFET工作开始工作的电流为10A,使用器件为AO4488,失效的形态如图5(c)所示。当功率MOSFET工作在线性区时,它是负温度系数,局部单元区域发生过流时,同样会产生局部热点,温度越高,电流越大,导致温度更一步增加,然后过热损坏。可以看出,其损坏的热点的面积较大,是因为此区域过一定时间的热量的积累。另外,破位的位置离G极较远,损坏同样发生的关断的过程,破位的位置在中间区域,同样,也是散热条件最差的区域.

另外,在功率MOSFET内部,局部性能弱的单元,封装的形式和工艺,都会对破位的位置产生影响

另外,一些电子系统在起动的过程中,芯片的VCC电源,也是功率MOSFET管的驱动电源建立比较慢,如在照明中,使用PFC的电感绕组给PWM控制芯片供电,这样,在起动的过程中,功率MOSFET由于驱动电压不足,容易进入线性区工作。在进行动态老化测试的时候,功率MOSFET不断的进入线性区工作,工作一段时间后,就会形成局部热点而损坏。

使用AOT5N50作测试,G极加5V的驱动电压,做开关机的重复测试,电流ID=3,工作频率8Hz重复450次后,器件损坏,波形和失效图片如图6(b)和(c)所示。可以看到,器件形成局部热点,而且离G极比较近,因此,器件是在开通过程中,由于长时间工作线性区产生的损坏。

图6(a)是器件 AOT5N50在一个实际应用中,在动态老化测试过程生产失效的图片,而且测试实际的电路,起动过程中,MOSFET实际驱动电压5V,MOSFET工作在线性区,失效形态和图6(b)相同。

有人看,没有人回?hehe

学习了,谢谢

这绝对是最权威的失效分析,这个问题也是开关电源失效的最多原因,LZ能否再谈下怎样控制这类问题呢? 因为对这些问题现在只能学习,所以多数人就没回答,呵呵。

Perfect!

其实所有的分立器件在做失效分析时都可以采取类似的方式。

好东西~!

楼主继续啊...

路过,看到好帖子当然得留下点什么 谢楼主的分析,可是不知用什么可以拆开和你一样完整的芯片。我都是爆力拆开,早就一片稀烂。

好家伙,有图有真相

高水平的帖子,必须回复,鼓励

1.也没有说明哪个管子的失效波形

2.存在一个死区时间的问题

测试电路是不是图5所示的(a)图呀

不管过流还是过压都是二次击穿损坏

你好,楼主,我真在做一个H桥电路,在调试的工程中经常会出现坏管子的情况,DS短路,器件的电压电流的余量留的很大,驱动电路测试也问题不大。能帮忙分析有什么可能导致少管子吗? 楼主,我现在电池包做短路测试很难通过。关断快Vds超,MOS管进入雪崩。关断慢,MOS管热击穿。有什么好方法吗?

m1_rc69_51k_85t15_0

图一:关断快

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关断慢

more people read but no one give the comment 不是没人提意见,主要是超出了电子学范围,属材料学科的基础分析。看得出楼主已进入本例分析到很深的领域,而且电子基础也很高,不继续真的太可惜了。 期待后面的内容

非常好的文章,对失效问题的准确分析,进而避免再次发生,楼主功力很深。

我有做240W的电源坏了很多MOS 管,没有击穿和其它明显变化的阻值,而峰值电压是460V,用的是20N60.

帮忙分析下

哇哈哈哈哈 来围观好贴~~
看来只有我这个工兵报到了!烧管子是我最常见的!来学习

只围观,不发言,呵呵,不象你的风格<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

学习了,谢谢分享 谢谢分享经验。

good
plase

这分析确实很到位,这都属于固体物理的内容了,一般的电子工程师还真很难分析到这一层面


固体物理学跟材料有极大的关系

mosfet失效,归结起来有,瞬间功率过高,温度升高,导致管子失效

非常好,长见识了 其实一直在找这方面的资料,只不过像这种资料一般都是大企业很内部的资料了,很少有发出来的,今天在这里看到很惊喜,希翼楼主继续,也好像楼主都学习学习! 许多企业内部也没有这样的资料,许多人没去研究它,也不想研究它,至于原因,大家都知道的。 那可不一定,一般大厂生产时发现MOS管坏了都要求返回原厂分析并给出8D报告的,他们不研究怎么能得出结论啊。 呵呵,8d报告你觉得有用吗?那个报告是给QA部门看的,研发看的是FA报告,我不知道你看过一些企业FA报告了,你是不是觉得不同企业FA报告基本差不多?你看了觉得他们分析对你有价值吗?如果不看本贴上面内容? 以前看过一些报告,有些写的还可以,和上面有些像,有些就是应付人的,说什么过功率算坏,呵呵、、、说了和没说一样。

最近电源失效比较多,老板天天催着解决问题,但是供应商的8D报告好假,每次说的有一样。

没有什么参考价值

学习了 学习了,留个记号 呵呵呵呵 楼主,能说说mos管子过压和过流之后,G,D,S极的导通情况么?在实际中,我遇到了有的是SD导通,有的是全通,这是什么损坏情况啊?还有就是管子炸的与塑封分离了

损坏的模式以及GDS是开路还是短路,和工作的条件以及封装的类型有相当大的关系,实际上短路的情况比较多,而开路的情况大多情况下是内部封装的打线在大电流冲击下烧断路。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

从我个人经验看,管子炸的与塑封分离,则过压,而且通常是过压得非常多的可能性比较大。

我是做电池保护板的,我碰到的管子炸裂都是线性区过电流。管子能炸开说明内部短时间集聚大量能量~ 这个很好,向adlsong学习。 这个帖子真不错,支撑楼主继续~ 不错,学习了

楼主很专业,但你所说的细微现象,对于一般的人来说(类似我之类的),很难把握得到!

,讲的非常好! 受益匪浅 受益匪浅 非常好,顶一个!

理论结合实际

好帖,学习了 楼主顺便告诉大家自己怎么把坏管拆开吧,送到原厂去分析太拖时间了。 我也想知道用什么工具拆开合观察的,肉眼能看清那些小孔吗? 最近炸管利害啊 都怕了!

用酸去腐蚀塑封料,完成后就可以在显微镜下看到,腐蚀要有经验一定注意安全

氰氟酸,要注意安全,通风等

楼主辛苦了,支撑下!

深圳有很多这种做半导体产品分析的企业,decap的价格100元/颗左右。

自己decap就要注意通风, 还要加热煮。

一直看到最后,确实很精辟!学习了

learn to learn

果真是好帖

一直都在寻找这种帖子

好贴,马克下

留个 印,

好贴,学习……

好贴值得学习啊。各位大侠们请帮忙分析一下这个图片是什原因导致损坏的,谢谢了。

1-1

超越幻想:请教你用什么方法将盖子去掉的?谢谢 应该是专用的开封仪器开的,一般的很难开的这么好看

这个是在南山区宜特企业开盖的。

看着像过流损坏,绑定线脱落了 关于MOS的失效,很受益。

楼主好帖,受益非浅呀。支撑继续讲解

好贴,学习……

学习中!

请教楼主,我一个功率PMOS的G极接驱动器,如图,R1为NW电阻串POLY电阻,R2为POLY电阻,POLY电阻是负温的,NW电阻是正温的,就是只有在功率管关断时做了温度系数补偿,这样做减慢了功率管在高温下的关断速度,请问这是基于什么考虑呢?求教!

DSC_0241

学习了! 楼主,MOS管中Qrr在BUCK-BOOST中有很大的副作用么?会不会制造炸MOS管的现象. 楼主,MOS管中Qrr在BUCK-BOOST中有很大的副作用么?会不会制造炸MOS管的现象.现我选用的MOS管2N65型号其Qrr比士兰等牌MOS管的Qrr大15万倍,且会出现不规律的炸机,不是是不是这Qrr造成的。 我干电源有二十年了,有了非常多的经验和实际体会,光光从理论上理解有一些是似而非,模棱两可,爆管大家最会首先怀疑过压,然后才是过流,比如220伏400伏的耐压的管就足够了,比如电子镇流器就是一概400伏的耐压,然而,好多还有了600伏甚至800伏的管都有,毫无关系,有反向的二极管钳位,硬开关峰值电压高一些不过更高几十伏罢了,实际上一是米勒效应共态导通,比如硬开关漏电感要小,爆掉加大RC吸取就可以了,在于降低电压上升录,二是电流,低电压下也安全,坏掉首先是电路不稳定不均匀,也是产生共态导通引起的。一切在于电路,技术的可靠性问题,都他妈的模仿抄袭,不三不四,存在问题,才坏的多了,归根结底就是电路性能和可靠的问题了,说根底就是米勒效应破坏你的,什么峰呀峰流,其实大多数都没有关系的。望大家好好思考一下。技术知识才是大电里,没有做好罢了。电路的稳定性非常重要。 这个问题,没有找到相应的理论,所以下手解决这个问题不容易。不知MOS管的Qrr太大了,是不是耗损更多,是不是需要更强的驱动。

回复上一贴,如果更快的驱动,还容易坏掉的,因为快了的反馈的电容产生的电流还要更大,而且更快的电压上升录产生米勒电容效应,所以还反而不安全,如果慢了一些,中国作用更小,我从事电源行业二十年了,有经验的,其实,大家总会怀疑什么峰值的电源电流导致,都不是这样的,万恶的就是米勒电容效应导致的,电压上升录太高了,都是产生共态导通损坏的,首先,电路的稳定性非常重要,而且还不能更强的驱动,反而慢了一些还更好的,还比较不容易产生,也在于电压的上升录降低了,在硬开关的电路之中,尽可能降低漏电感,而且加大RC吸取,但在于的效率会降低,不过,对安全可靠比较好了,通常变压器的绕法输出高电压的漏电感比较小,如果低电压的漏电感就比较大了,所以一层初一层次,都一一并起来的漏电感非常小了,这样会更可靠的,但匝间的电容会比较大,产生EMI,在谐振电源里漏电感当成了谐振电感的一部分,所以大的漏电感根本不是问题了,移相电源的漏电感也不必很小,但硬开关就一定要小的漏电感,因为,漏电感会产生峰值的电压和电路,容易损坏开关管的。

但在BUCK-BOOST中不存在漏感的问题,所以也不好判定其炸机的原因。

回复上一位,道理一样,同一回事,升压电感叫不叫,炸机也是米勒效应,如果电压变化录非常大,就产生了,技术首先电路不大稳定,或者环流没有调好,又不如加一点RC吸取器会好很多,因为大电流高电压之下,峰值的功率非常高,内部的温度太高了,发生了二次击穿,所以坏了。故电路的稳定性非常重要,而且电压的变化率不可太高,否则会产生米勒电容效应的,就要损坏了。 兄弟能简单说明一下米勒电容如何影响吗,看来资料感觉没看懂,最近老烧管子,真心求助,谢谢了。 楼主做了深入细致的研究、分析;确实不错。 有没有? 好像看不到内容啊 謝謝 什么情况 平面MOS coolMOS有什么异同点? 是指的芯片结构不同,平面MOS指的是平常的芯片工艺,COOLMOS一般是高压MOS上采用这种结构,使得导通电阻更加小 学习了 进来看看,向楼主学习 后可查看该帖 来看看 学习 11 冷眼旁观 多谢分享

好,学习了

多谢楼主分享,这个太精髓了 很需要,看看,谢谢 什么内容要回复才能看? 刚好碰到一个MOSFET管失效的情况,希翼能从这获得启发! 后可查看该帖 学习一下 学习 看一下 好哦 来学习 学习一下

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