近年来,随着半导体技术的快速发展及对产品可靠性、失效机理等认知的深入,给功率半导体厂商带来了全新的挑战,即如何在芯片尺寸不断缩小的情况下,使产品能更为安全、可靠、长寿命。特别是功率MOSFET在高频开关(如通信电源)和汽车电子等特殊工作广泛应用,UIS(Unclamped Inductive Switching)失效已逐渐成为功率MOSFET最主要的安全杀手之一。UIS特性用来描述功率MOSFET在雪崩击穿下负载能量的能力,会随芯片尺寸缩小而变差,这是由于单个管芯尺寸越小,所能负载的能量越小。这和“摩尔定律”中提到的半导体工艺尺寸不断减小的发展趋势是矛盾的,必将导致UIS引起的安全问题越来越严重。本文首先描述了功率MOSFET的DC、AC及热特性,结合这些特性及实际应用中器件的击穿特性,分别从以下几个方面对功率MOSFET的UIS特性进行研究:1.UIS的电级机理及测试方法。2.UIS的器件物理级原理及失效模式。3.UIS对功率MOSFET的电特性影响。4.功率MOSFET的UIS热特性分析。本文选用一款应用于汽车电子领域的深槽栅MOSFET,根据PQA(Product Quality Alert)项目需求选取3种不同的测试条件对样品进行UIS测试,运用DC测试、可靠性试验及失效分析等工程方法对样品的UIS测试结果进行对比分析,最后通过构造温度分布模型及UIS时器件结温的数学计算分析,验证试验结果。最终,UIS时器件结温理论值(160 oC)低于最大工作温度(175oC)的A组测试条件,其DC、可靠性验证都通过;UIS时器件结温理论值(216 oC)高于最大工作温度(175oC)的B组和C组测试条件,其DC、可靠性验证未完全通过。理论分析结果和实际试验结果吻合。本文运用的整套工程方法对功率MOSFET量产过程中的UIS测试标准建立有重要意义;文中提出UIS时最大结温T(jmax)的计算方法,与工程试验结果一致,有助于理论确定功率MOSFET的UIS安全工作条件。
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