1、北京工業(yè)大學碩士學位論文開關電源中關鍵器件的可靠性研究 姓名:張喆申請學位級別:碩士專業(yè):微電子學與固體電子學 指導教師:呂長志20080401摘要摘 要從90年代開始,開關電源逐步得到廣泛的應用。開關電源的核心是DC.DC 變換器。影響開關電源的主要因素是其拓撲結構,開關頻率,控制方式及關鍵元 器件如開關管、儲能電感和變壓器等。近年來,電源設備日趨復雜,使用環(huán)境也 變得惡劣多樣,所服務的電子系統又越來越重要和昂貴,這一切使得提高電源設 備的可靠性研究變得刻不容緩。開關電源中有很多器件無法進行高溫試驗(如光電耦合器,因此對開關電 源整體進行加速壽命試驗有一定的困難。本文在深入研究HHW28S1

2、5電源模塊 的基礎上,提取其功率級電路進行試驗并采用恒定電應力溫度斜坡法對此電路中 的VDMOS IRFl20和肖特基二極管(SDBSC070H150A進行可靠性評價。恒 定電應力溫度斜坡法(CET砌具有試驗周期短,所需樣品少的優(yōu)點。首先,對HHw28S15電源模塊的電路拓撲結構進行分析,并對其輸入、輸 出特性和關鍵節(jié)點的電壓波形進行了測量,所得結果是設計試驗樣品的電應力偏 置電路的重要依據。其次,專門研制了溫度應力控制系統和電應力偏置系統,以滿足恒定電應力 溫度斜坡法的試驗要求。溫度應力控制系統采用先進的歐陸3504溫控儀、周波 數調功控制模塊、固態(tài)繼電器、熱電偶和溫度補償導線搭建,為試驗提

3、供了精確 的序進溫度應力;電應力偏置系統的主電路與HHW28S15電源模塊的功率級電 路相同,并制作了專用的PCB電路板。使用專門設計研制的試驗設備對瓜F120和SC070H150A進行了加速壽命試 驗,得到了在75至203范圍內主要的直流特征參數,即服F120的閾值電壓、 通態(tài)電阻、跨導和SC070H150A的正向特性和反向特性。通過對數據進行分析 處理,得出各個試驗樣品的壽命,其中U120的平均壽命為9.06×106h, SC070H150A的平均壽命2.16×10。另外,本文對常見的失效模式與失效機理進行了介紹,在理論上分析了樣品 的失效機理主要是器件固有缺陷和玷污。

4、IRFl20氧化膜中的正離子沾污使其與 時間有關的擊穿(TDDB變得比較顯著,SC070H150A氧化膜中的正離子使Si02膜和場環(huán)之間可能形成以n型溝道,導致反向漏電流增加。關鍵詞:可靠性;恒定電應力溫度斜坡法;激活能;開關電源Abs廿actAbstractSince nle niIleteens of last centllry,switchiIlg power h嬲been usedworld“de st印by step. Tlle core of s、itching power is DC-DC conVert既ne m咖factors t11at a仃ectle pe喲衄ance o

5、fsWitchiIlg power is itS top0109y,s謝tch舶queIlcycon仃olmode aIld i協key device units such aS tlle switch tIlbe,energy-stomge iIlductor aIld脅lsfo珊既111recent years,me growillg complex時 of power equipmellt,me use of nle eI拍nleIlt haS become worse and diverse,me ser、,ices of meele咖nic system is increasiIl9

6、1y mlportant aIldexpensiVe,all nlis m a_kes me research of the reliabili夠ofpower supply equipment has become urgent. It is di伍cultto carry out accelerated life test iIl switching power sllpplya whole,because some dece caIl not work in high temperatIlre(such aS optocoupler.IIl血is pap%westudy the HHW2

7、8S 15power modules aIld get tlle power c訛uit to test.Tlle constant electrical s廿ess andteInperattlrer鋤p stress memod aplplied to me VDMOS己F120and SC070H150A.The cons鋤t elec打ical s缸.ess and teIIlperatIlre raI】叩s缸.ess method h弱the訪rtlle of short period aIld flew s鋤ples.Firstly,we analysis me topology

8、of HHW28S 15power modules,aIld me inputchamct甜stics, output characteristics and the Voltage waVe of me key nodeare measured.All mis is importallt for tlle design of electrical s臼.ess bi觚system.Secondly' the tempera_cIlre s仃.ess contI.0l system and electrical sn.ess bi鵲 syst鋤arecustomized for tll

9、e progressiVestress accelerated 1ife test to satis匆廿1e test condition of mecons協nt electrical stress a11d te塒【perature均mp s仃ess metllod.The t鋤p咖res仃ess contr01system,cons仇1cted wim adVanced temperatIlre con仃ol equipm豇lt Eurotllenn 3504controll%power adjust con仃ol module,solid-state rcla弘themocouple

10、aIld t唧erature c咖pensation lead, pro訪des accurate progressiVe tampera_tIlre s仃ess;while the electrical s缸.ess biaLs system includes specific PCB.The pro鏟essives仃.ess accelerated 1ife test is conducted to nle琢Tl 20aIld SC070H l 50A. The teSt 0btains the det甜orationdata in me瑚ge of75一203ofDC charact耐s

11、tic par鋤酏%n鋤elyn鵬sholdvoltage, on-state resistance,仃ansc徹ductarlce for強120aIld positive charact萌stics,I洄erse charact舐stics矗竹SC070H150A.Through me a11a】ysis of吐le data,廿le life ofthe sample are gained.T11e aV盯age life缸e ofIRFl20is 9.06×106h and me aVerage 1ife time ofSC070H150A is 2.16×108h

12、.111e脅niliar mode of failure aIldle failure mechaniSm is in仃oduced in me fillal chapter. 7rhe failure mechanism of tlle test s鋤ple is aIlal,zed in tlleo巧a11d t11e reaSon for the degeneration III北京丁業(yè)_I<學T學碩七學位論文is the int咖sic defect and tarrIish.The positiVe ion cont鋤iIlation m the oxide film make

13、 me ,rDDB become si嘶fic觚t.For SC070H l 50A,me positive ion c鋤fornl a n-咖e challnel be晰咖 Si02and field ring resulting i11reverSe leal(age current increaSeKeywords:reliabili夠;constant electrical s仃ess and teInp咖re r鋤p me吐lod;activation ene啦,; s、加tching powerIV獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。

14、盡我所知,除了文中特別加以標注和致謝的地方外,論文中不包含其他 人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得北京工業(yè)大學或其它教育機構 的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。關于論文使用授權的說明(、e又餾。本人完全了解北京工業(yè)大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定,即:學校有權 保留送交論文的復印件,允許論文被查閱和借閱;學校可以公布論文的全部或部 分內容,可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。(保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定簽名:煎絲導師簽名:顯左乙嘞垡幺%第1章緒論1.1課題背景第1章緒論開關電源是一種應用電力半導體開

15、關器件及電子技術對原始電能進行轉換、 加工、調節(jié)的電子設備,它廣泛應用在計算機、通信、航天、國防等各個領域【1】【2】。 作為電力電子技術的一個重要分支,開關電源在歐、美、日等世界各國,得到廣 泛的研究,正在以前所未有的速度,朝著輕型、高效、高頻、模塊化和集成化的 方向發(fā)展。開關電源的可靠性決定它所服務的電子設備能否正常工作,因此對其 可靠性的研究具有重要的意義。20世紀50年代,美國宇航局以小型化、重量輕為目標,為搭載火箭開發(fā)了 開關電源,在近半個世紀的發(fā)展過程中,開關電源因具有體積小、重量輕、效率 高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統技術設計制造的連續(xù)工作的線性 電源。20世紀80年

16、代,計算機全面實現了開關電源化,率先實現了計算機的電 源換代。20世紀90年代,開關電源在電子、電氣設備以及家電領域得到了廣泛 的應用,開關電源技術進入了快速發(fā)展期。進入新世紀,許多新的領域和新的要 求又對開關電源提出了更新更高的挑戰(zhàn)。近十年來中國的信息產業(yè)以其他行業(yè)三倍的速度快速發(fā)展。“九五”期間中 國對電子工業(yè)的投資比重由過去五年的2.2%提高到5.4%,總投資規(guī)模達到429億元,比過去五年增長近12倍,成為電源產業(yè)發(fā)展的強大推動力。隨著經濟的發(fā)展和科學技術的進步,節(jié)約能源保護環(huán)境已被社會各界所重 視。電源是節(jié)約能源的重要環(huán)節(jié),經過電力電子和電源技術處理之后的電力供應 節(jié)能效果明顯。例如家

17、用電器的待機損耗人們往往不重視,這個耗電相當驚人。 據美國統計,在美國這種損耗每年損失35.54億美元,德國環(huán)保機構調查,在德 國這種損耗每年損失23億美元,超過柏林全年用電總和。所以電力電子和電源 技術的發(fā)展是一個國家技術進步的重要標志。開關電源最大的應用領域是在通信行業(yè)。近十年來通信事業(yè)快速發(fā)展,通信 電源也同步增長。1992年國內通信電源投資額為人民幣0.8億元,到1997年增 加到10億元,到2000年增加到30億元,2001年全國通信電源市場容量為35北京T業(yè)大掌。學碩士掌位論文億元以上。1992年到2001年通信電源增長43倍多。然而,目前國內DC/DC模塊電源市場主要被國外品牌所

18、占據,它們覆蓋了 大功率模塊電源的大部分,以及中小功率模塊電源近一半的市場。但是,隨著國 內技術的進步和生產規(guī)模的擴大,進口中小功率模塊電源正在快速被國產電源產 品所取代。預計在未來的2年內,國產品牌將在中小功率模塊電源中占有很大的 市場份額。對于高端技術,如同步整流技術、有源嵌位技術、軟開關技術、平面變壓器 技術等,由于其成本高、工藝復雜、配套能力差、國內行業(yè)認可度低等諸多原因, 都沒有在產品中大規(guī)模使用。因此,在未來幾年內,200w以上功率模塊電源的 市場仍將可能以國外產品為主導,這是我們必須關注和思考的問題。我國模塊電源產業(yè)存在的另一個問題是,市場的大幅度發(fā)展和進入電源研制 生產的門檻較

19、低(資金投入不大、對生產設備和進行低檔次產品研制所需技術的 要求都不高,從而產生了大量民營企業(yè),它們以價格為武器,參與市場競爭, 這不利于整個電源產業(yè)的正常發(fā)展。據統計,我國通信開關電源經營和生產單位有300多家。其中年產值上億元 的不足20家,其余的規(guī)模均較小。無論是參與國內市場競爭,還是國際競爭, 國內的開關電源企業(yè)都需擴大生產規(guī)模。擴大生產規(guī)模,必須在保證產品質量、 穩(wěn)定性和可靠性的基礎上穩(wěn)步進行,這必然會遇到許多問題,諸如員工的質量意 識、員工的素質、質量管理體系的建立和完善、先進的工裝設備、工藝流程的科 學制定、完備的檢測手段、嚴格的出廠測試以及資金投入強度等。只有解決了上 述問題,

20、擴大生產規(guī)模才能真正落到實處。開關電源的高頻化是電源技術發(fā)展的創(chuàng)新技術,高頻化帶來的效益是使開關 電源裝置空前的小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域。開關電源的體積、 重量主要是由儲能元件(磁性元件和電容決定的,因此開關電源的小型化,實 質上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內開關頻率的提高,不僅 能夠有效的減小電容、電感及變壓器的尺寸,而且還能夠抑制干擾,改善系統的 動態(tài)性能,因此,高頻化是系統的主要發(fā)展方向。如今通信產品日趨小型化,必然要求開關電源減小體積、提高功率密度,而 提高效率是與之相輔相成的。提高效率主要是減少開關電源在工作時的各種損 耗。現在市場上大量使用的開關電源

21、,主要采用的是脈寬調制技術(PwM,模 塊的損耗主要是開關管的開通、關斷及導通三種狀態(tài)的下的損耗、浪涌吸收電路2勇1罩緒論損耗、整流二極管導通損耗、工作輔助電源功耗及磁芯元件損耗等因素引起的, 電源設計者應當采用先進的技術減少這些損耗以提高效率。浪涌吸收電路可采用 無損耗吸收電路,這一技術的使用使得該部分損耗大幅度下降,而軟開關技術和 同步整流技術也可以使效率和功率密度大幅度提高。在較高的頻率下,一定時間內開關電源的開關管開通、關斷及導通的次數就 多,所以對于PWM型開關電源,頻率越高其開關損耗就越大。采用軟開關技術 可以改善開關條件,使電壓為零或電流為零來控制開關管的開關狀態(tài),使其在開 關過

22、程中功耗減小,從而大大提高工作頻率,降低體積重量。同時,提高開關電 源壽命。從目前的情況來看,由于絕大多數開關電源都是采用傳統的模擬電路,數字 控制電源作為一種新興技術還處于摸索階段,模擬控制轉到數字控制面臨諸多挑 戰(zhàn)。例如:響應速度或帶寬問題、標準的發(fā)展、價格問題。盡管如此,現在已經 有些地方開始在用數字電源,比如通信行業(yè),這個市場相對量比較大。對于大型 的通信供電系統,所需的管理、維護工作越來越多,為了實現對通信局站內的各 種動力設備、空調設備及環(huán)境等進行實時監(jiān)控,設計人員開發(fā)出開關電源集中監(jiān) 控管理系統,利用計算機網絡技術、軟件工程、通信技術及測控技術等現代手段 對被控設備實行遙信、遙測

23、和遙控。這種監(jiān)控管理系統不僅實現了無人值守,而 且提高了電源系統的可靠性。開關電源產品日趨模塊化、標準化,并以積木式結構組成分布式供電系統。 標準化的外形和管腳設計不僅為設計師和使用者都帶來了即插即用的便利,而且 大大縮短了產品的研發(fā)周期,降低成本,利于電源升級。國際上各大公司成立聯 盟,其主要目標是確保開關電源產品的兼容性與標準化,最大程度上體現模塊電 源替代靈活和使用風險低的優(yōu)勢。目前多數國內企業(yè)采用自己的企業(yè)標準生產, 按照自己的測試規(guī)范測試,各個行業(yè)標準也存在著技術指標落后,測試方法可操 作性差等問題。提供國內企業(yè)生產質量控制的依據,制定科學的國家標準迫在眉 睫。同時開關電源廠商應提高

24、產品的快速開發(fā)能力和產品的更新速度,盡快形成3北京T業(yè)大學T學碩士學位論文標準化、系列化的電源產品,滿足市場快速變化的要求。近年來,電源設備日趨復雜,元器件的品種和數量增加很快,使用環(huán)境也變 得惡劣多樣,所服務的電子系統又越來越重要和昂貴。電源需要日夜不停的連續(xù) 運行,還要經受高、低溫以及高濕、沖擊等考驗,運行中往往不允許檢修或只能 從事簡單的維護。這一切使得電源設備的可靠性研究變得刻不容緩。可靠性是指產品在規(guī)定的時間內、規(guī)定的條件下、完成規(guī)定功能的能力。涉 及系統可靠性的因素很多,既有元器件的可靠性和制造裝配的工藝,又有開關電 源系統設計的因素。溫度對開關電源可靠性的影響至關重要,模塊工作溫

25、度每提高10,故障 率就會增加一倍。因此應當對系統進行合理的熱設計,使發(fā)熱元件盡量分散開, 為主要發(fā)熱源安裝散熱片以增加散熱面積,并在模塊的頂部或底部設置足夠多的 通氣孔,以形成冷卻空氣流。在使用風扇時,應使氣流平行于散熱片表面流動, 以達到良好的散熱效果。為保證開關電源的可靠性,必須對上機的電子元器件進行優(yōu)選。所選用的電 子元器件應符合整機工作環(huán)境和負荷方式,例如溫度、濕度、振動、沖擊、電壓、 電流等。同時要求設計者對所用電子元器件的失效機理、應用特性、失效率都比 較清楚。元器件實際工作中的負荷率和失效率之間存在著直接的關系。電子元器 件的降額是指器件在低于其額定值的應力條件下工作。降額使用

26、可進一步提高元 器件和設備的可靠性。元器件的降額方法和降額程度的確定要滿足設備的可靠性 要求,同時考慮重量、體積和成本等因素,這樣才能充分發(fā)揮電子元器件應有的 功能,提高電子元器件的使用可靠性,延長整機的使用壽命。電源裝置或系統在生產和使用過程中可能出現靜電干擾,靜電將會造成電源 裝置自身的損壞和設備使用人員的傷害。某些致命的靜電放電失效在靜電放電作 用后某一段時間內可能不會立刻出現,稱為潛在失效。這是由于有某種程度損壞 的靜電放電敏感的器件,受工作能力和時間的影響進一步引起性能降低,直至失 效。對靜電放電翻轉的敏感器件主要是邏輯電路系列,如NM0s、PM0s、CMOS 等。1.2課題的研究意

27、義半導體器件是開關電源中的關鍵器件也是最容易失效的器件,因此,對半導 4 第1罩緒論體器件的可靠性的研究具有重要的意義。隨著科學技術和工藝水平的不斷發(fā)展, 半導體器件和集成電路的可靠性水平越來越高;另一方面,由于競爭日趨激烈, 產品更新換代的速度越來越快,研制生產的周期越來越短,這就使得現行標準及 常規(guī)評價方法已不能滿足需要。新產品研制和舊產品性能改進的周期縮短至1至 2年或更短;重點工程特別是某些軍用配套專用器件數量少至幾十只。如何快速 評價這些器件、產品的可靠性水平(如失效機理,壽命,失效率,標準偏差等等, 及時提供相關的可靠性信息,已成為十分迫切需要解決的問題。本課題基于溫度斜坡法對開關

28、電源中的半導體器件(vDMos和肖特基二極 管進行可靠性評價。該方法屬于序進應力加速壽命試驗,能夠縮短試驗時間, 提高效率;可以得到樣品失效過程中各參數的動態(tài)退化數據,從而更清楚的了解 樣品的退化趨勢和規(guī)律;所需要樣品少;可以縮短器件的研制和生產周期,降低 成本;可以為整機的可靠性設計,可靠性預計及時提供信息;對于量少、質高、 價貴、制造周期短的器件,特別是為軍工和重點工程配套的元器件更具有特殊意 義。 1.3主要研究內容本課題是國防科工委預研項目,論文類型屬于應用基礎研究。對應用于開關電源HHW28S15的VDMOSFET IRFl20和肖特基二極 SC070H150A進行序進應力加速壽命試

29、驗,專門為樣品定做了加熱平臺,搭建了 溫度應力控制系統;模擬VDMoS和肖特基二極管在HHw28S15中的工作條件, 設計出電應力偏置系統。應用溫度斜坡法計算出樣品的失效激活能,預測其正常 使用條件下的壽命。此外,對樣品在不同溫度下失效模式和可能的失效機理在理 論上進行簡單的分析。5第2章加速壽命試驗方法第2章加速壽命試驗方法加速壽命試驗方法可以是定性的或者定量的。定性加速壽命試驗(如HALT, HAsT試驗最早是為識別失效模式而設計的,能提高產品的可靠性。定量加速 壽命試驗(QALT是為確定產品的壽命而設計的,分析人員利用定量加速壽命 試驗得到的數據可以預計產品在正常使用條件下的壽命。本文僅

30、討論定量加速壽 命試驗。加速壽命試驗按施加應力方式的不同劃分為三種。將樣品分成幾組,每組固 定一個保持不變的應力(其水平高于正常條件的試驗稱為恒定應力加速壽命試 驗;應力隨時間分階段逐步增強的試驗稱為步進應力加速壽命試驗:應力隨時間 等速連續(xù)增強的試驗稱為序進應力加速壽命試驗。序進應力加速壽命試驗可以看 作步進應力的階梯取很小的極限情況。2.1三種加速壽命試驗方法簡介恒定應力加速壽命試驗一般需要約1000h,總共要取上百個樣品,要求應 力水平數不少于3個。每個應力下的樣品數不少于10個,特殊產品不少于5只。 每一應力下的樣品數可相等或不等,高應力可以多安排一些樣品。步進應力加速壽命試驗只需1組

31、樣品,最好至少安排4個等級的應力,每 級應力的失效數不少于3個,這樣才能保證數據分析的合理性【11。例如試驗應力 的起始點選在元器件正常工作的上限附近,應力最高點的選擇應參考之前的試驗 經驗或是已知的元器件失效模式來設定。將應力起始點到最高點之間分成3.6段;試驗前需確定應力步長的最小和最大值,一般在20.500小時之間。傳統的 做法是保持步長間隔一樣,但有時也需要在小應力下采用大的步長,在大應力下 采用小的步長,因為大應力會加速失效或累計疲勞;在最后2個應力臺階前,每 步的失效數最少為3個,最多為剩下樣品數的1/3。序進應力加速壽命試驗的樣品數尚無明確的規(guī)定。步進應力加速壽命試驗和 序進應力

32、加速壽命試驗只需幾百小時,取幾十個樣品甚至更少且只需一組樣品就 可以完成試驗。2.2三種加速壽命試驗的研究與應用恒定應力加速壽命試驗已經比較成熟,國外已經對G啦s和InP PHEMT單 7北京T業(yè)丈掌1二學碩十掌位論文片微波集成電路(MMIC放大器【21、不同材料的異質結雙極晶體管(HBT【31、 CRT陰極射線管41、贗式高電子遷移率晶體管開關(PHEMT switch【51、多層 陶瓷芯片電掣6】等電子元器件、電路做了相關試驗。步進和序進加速壽命試驗的發(fā)展如下:1958年,鼬mmel J在電子產品的可靠性研究中首先嘗試了序進應力試驗方 法。盡管準確度比不上恒定應力加速壽命試驗,但由于其在加

33、速效率方面具有的 優(yōu)勢,序進應力試驗方法被逐漸應用于加速壽命試驗,并發(fā)展成為該試驗的一類 基本試驗方法【7】。1961年,貝爾實驗室的Dodson G A和Howard B T在電子產品的可靠性研 究中提出了半導體器件的步進溫度應力試驗法。步進應力試驗的優(yōu)點在于這種加 速試驗方式降低了對試驗數量的要求,具有比恒定應力試驗更高的加速效率8】o 1980年Nelson W B提出了著名的Nelson原理。據此,產品在不同加速應力 水平下的試驗時間可以互相折算,從而使步進應力試驗的統計分析取得突破【91。 1985年,茆詩松等人利用指數分布場合有序統計量的特性,給出了指數分 布場合步進應力試驗統計分

34、析的方澍10】。1987年,林正寧和費鶴良對weibull分布和對數正態(tài)分布給出了序進應力 v(t=虹下的序進應力試驗統計推蝌11,12】,并于1991年發(fā)表了在固體鉭電解電容 器上的應用情況131。1992年,葛廣平等對威布爾分布和對數正態(tài)分布場合步進應力試驗的統計 分析進行了研究,對步進應力試驗的最大似然估計(MLE統計分析方法進行改 進,克服了MLE求多元函數最值的困難,使分析過程步驟流程化【14,15,161。 1987年,湯銀才、費鶴剮171和徐曉嶺1即討論了多組序進應力試驗在weibull 分布場合的參數估計問題,其中參考文獻17的方法復雜性得到了較大改善。針 對參考文獻【17,1

35、8】的分析方法存在無解場合的問題,湯銀才和費鶴良提出了序進應 力試驗參數估計的新方法,并用C語言開發(fā)了相應的軟件包【19】。1990年,Nelson指出,對步進應力、序進應力加速壽命試驗有四項基本假定:(1Piemschka的假定,即統計模型;(2關于失效機理不變條件的假定;(3關于壽命與應力間關系的假定,即加速模型;(4關于時間折算公式的假定【20】。1995年,王玲玲等人也研究了對數正態(tài)分布場合序進應力試驗的統計分析第2蕈加逐壽命試驗方法【21】o1998年,J鋤es A.McLinn等人在改進步進應力試驗分析的方法一文中,較 為詳細地對步進應力壽命試驗的實施方法和數據分析計算方法進行了描

36、述221。 當然對加速壽命試驗的研究還遠不止上面所述,我國的研究人員們對步進應 力和序進應力加速壽命試驗常見的壽命分布函數,如指數分布、對數分布和威布 爾分布做了大量的分析研究工作23彤】。葛廣平的“我國加速壽命試驗研究的現狀 與展望”【33】;張春華等人的“加速壽命試驗技術綜述"【34】對此作了較為全面的 介紹。國際上對加速壽命試驗的統計分析也很多35。4¨。特別是,腳e B.Nelson在A Biblio目aphy of Accelerated Test P1ans【42】一文中對國外加速壽命試驗的統計 學模型和統計分析研究作了非常詳盡的總結。2.3CETI泓方法的理論

37、模型半導體器件參數的退化是由于器件表面、體內及金屬化系統的物理和化學變 化引起的,當這種退化積累到一定程度時器件即發(fā)生失效H351】,退化經歷的時 間即產品的壽命。溫度可以改變物理、化學反應速率,因此提高溫度應力可以加 速半導體器件多種失效過程,如二次慢俘獲、腐蝕、表面電荷擴散、相互擴散、 電遷徙、應力遷徙、蠕變等退化過程28。41。因此溫度常用作壽命試驗中的加速9應力。反應速率與溫度的關系常用趾Thenius模型來模擬3537】.,考慮到器件參數的 退化還與施加的電流應力和電壓應力有關,建立模型為:等AeXp擴exexp(亭(2-1式中M一器件的失效敏感參數;卜試驗時間;dM/d卜參數的退化

38、速率:A常數;j電流密度;V_一電壓;E-一激活能;n電流密度冪指數因子;m電壓冪指數因子;l(-波爾茲曼常數;T_試驗中溫度(K。(2.1式兩邊同時除以器件特征參數初始值Mo,可得. 甏2,唧擴,唧cn唧薯沙 。2塒 其中A,=刖Mo,Mo為器件的初始特征參數。為了快速得到樣品失效敏感參數的溫度特性和退化特性,在試驗過程中,應 力加載方式采用序進溫度應力法,即對試驗樣品施加按一定速率p上升的溫度應 力381,電流和電壓應力為恒定值,則t時刻電子元器件的結溫為:丁=寫+肛+丁 (2.3 式中,T-電子元器件t時刻的結溫:To電子元器件初始的結溫;卜升溫速率;k對電子元器件施加一定電應力后由焦爾

39、熱引起的溫升。 lO第2章加速壽命試驗方法加速試驗是在假定試驗器件在不同應力下具有相同的失效機理的前提下提 出來的,然而,由于在加速條件下器件潛在的失效機理可能被激發(fā)出來,成為主 要失效機理,使加速條件下失效機理發(fā)生改變,從而導致由加速試驗獲得的器件 壽命不能代表器件的真實壽命。因此,進行加速試驗,首先要驗證失效機理的一 致性問題。同一失效機理對應的失效激活能是相同的,而理想的加速壽命試驗只是加速 器件的退化速率,而不改變其失效機理。因此,如果加速過程中試驗樣品的失效 機理不發(fā)生改變,那么其對應的失效激活能E在此溫度范圍內也將是恒定的。當 在試驗中對試驗樣品施加恒定工作狀態(tài)電流電壓應力時,影響

40、器件敏感參數退化 速率的將只有溫度。從式(2.1中可以得出,當失效機理不發(fā)生改變,即激活 能E及施加電流電壓恒定時,敏感參數退化速率dM/dt與溫度的負倒數.1/T成指 數關系。對(2.1式兩邊求ln,就可以得到ln(dM/dt和.1/T的線性關系,如式 (2.4:o, F.hlf竺=.=111(彳,8礦”一蘭 (2.4 dt k1因此,對加速試驗施加恒定電應力,序進溫度應力時,只需在試驗過程中測 定敏感參數的退化量dM,求得退化速率dM/dt是否與溫度的負倒數.1廠r符合指 數關系,即1n(dM/dt是否與溫度的負倒數.1/T是否符合線性關系,就可確定激活 能E是否發(fā)生改變,從而判斷失效機理

41、是否發(fā)生改變。當測得ln(dM/dt與溫度 的負倒數一1/T符合線性關系時,說明在加速過程中失效激活能是恒定的,即失效 機理沒有發(fā)生改變,加速壽命試驗是合理的;反之,失效機理在加速試驗過程中 發(fā)生改變,找出ln(dM/dt和.1廠r關系曲線的拐點,就可以確定失效機理發(fā)生改變 的溫度應力點,從而得到器件失效機理保持一致的溫度范圍。理想的加速壽命試驗只是加速器件失效敏感參數的退化,而不改變其失效機 理。序進應力加速壽命試驗只要選取合適的溫度范圍,其失效機理就不會發(fā)生改 變,對應的失效激活能在此溫度范圍內也是恒定的。由(2.3式可得dT=pdt (25 代入(2.2式,得到:北京T業(yè)大學T學碩士學位

42、論文其中T1,T2是與t1,t2對應的結溫。根據此式即可預測受測器件的壽命。 試驗中的器件特征參數初始值Mo實際為樣品在不同溫度下不加電時的參 數值。本章小結本章首先介紹了三種加速壽命試驗的實施方法,各方法的研究應用情況。然 后詳細介紹了本課題的序進應力加速壽命試驗所用的溫度斜坡法,即計算出樣品 的激活能,進而預測器件在正常使用條件下的壽命,并說明了如何判定器件失效 機理的一致性,保證了加速的有效性和外推壽命的準確性。14第3章開關電湃中的關鍵器件第3章開關電源中的關鍵器件在深入研究了DC.DC開關電源的基礎上,本章對DC.DC開關電源的關鍵 器件及其發(fā)展方向作簡要的介紹。功率半導體器件仍然是

43、開關電源技術發(fā)展的龍頭,開關電源技術的進步必須 依靠不斷推出的新型電力電子器件。VDMOSFET以其獨特的高輸入阻抗、低驅 動功率、高開關速度、優(yōu)越的頻率特性、以及很好的熱穩(wěn)定性等特點,廣泛地應 用于開關電源。肖特基二極管的正向通態(tài)壓降較小,具有多數載流子導電的特性, 因此其開關頻率高,在開關電源中常常被用為整流管。3.1VDMOS的簡要介紹vDMoS由于采用單極性多子導電,開關時間顯著地減小,又因其很容易達 到1GHz的開關工作頻率而受到矚目。但是提高器件阻斷電壓必須加寬器件的 漂移區(qū),結果使器件的內阻迅速增大,通態(tài)壓降增高,通態(tài)損耗增大,所以只能 應用于中小功率產品。為了降低通態(tài)電阻,美國

44、瓜公司采用提高單位面積元胞 個數的方法。如瓜公司開發(fā)的一種HEET,其溝槽(Trench元胞密度己達 到每平方英寸1.12億個的世界水平,通態(tài)電阻可達3m Q。自1996年以來, HEET的通態(tài)電阻以每年50%的速度下降。取公司還開發(fā)了一種低柵極電荷 (QG的HExFET,其開關速度更快,同時兼顧通態(tài)電阻和柵極電荷兩者同時 下降,則R×QG的下降速度為每年30%。VDMOS結構如圖31,其顯著特點是源極與漏極分別做在芯片的兩面,形成 垂直導電通道,多個單胞并聯實現大功率。其工藝是在N+襯底<100>晶向上生 長N。高阻外延層,外延層的厚度及摻雜濃度直接決定VDMos的擊穿

45、電壓, vDMOS制作過程是在外延層上采用平面自對準雙擴散工藝,以此在水平方向形 成與MOS結構相同的多子導電溝道。早期N+源區(qū)與P體區(qū)是由擴散形成,近北京T業(yè)大學T學碩十掌何論文年來為了精確控制結深,出現了更為先進的離子雙注入工藝f double. implanted。值得注意的是P體區(qū),它與外延層構成一個反并聯的寄生體二極管, 并且源區(qū)、體區(qū)和外延層組成了一個寄生NPN管。體二極管代表了VDMOS的 耐壓能力,而寄生三極管一旦觸發(fā),將使器件失效,因此P體區(qū)與源極短接,并 在短接處做濃硼離子注入,以減小體區(qū)電阻,削弱寄生三極管觸發(fā)能力。vDMOS 工作原理同一般的MoS管一樣,當柵源電壓yG

46、s大于器件的開啟電壓y也時, 水平溝道表面形成強反型層,器件導通,當小于開啟電壓時.不存在導電溝道, 器件斷開。改變柵壓的大小,可以控制漏極電流的大小。為了實現高壓,必須降 低外延層的摻雜濃度,但會引起導通電阻的增大,因此自VDMOs誕生以來, 如何解決VDMOS高擊穿電壓與低導通電阻的矛盾一直是研究的熱點。VDMOS 為多元集成結構,m公司的HExFET采用了六邊形單元,西門子公司的 S口MOSFET采用了正方形單元(如圖3.2,摩托羅拉公司的TMOSFET采用了 矩形單元按“品”字排列。G圖3.1VDMOS的結構及符號Fig.31nle stmcmre aIld symb01ofVDMOS

47、16第3奄開關電源中的關鍵器件圖3.2vDMoS結構剖面圖Fig.3-2TheStmcture of VDMOS由于VDMOS管是以柵極電壓控制負載電流,屬于電壓控制型器件,因而 具有驅動功率小的特點;又因是多子器件,無少數載流子存貯效應,所以具有“開 關速度快"、“安全工作區(qū)域寬等優(yōu)點。VDMOS的準飽和現象是設計器件最 大輸出電流的重要因數之一。具體的技術特點如下:(1高輸入阻抗和低驅動功率VDMOS管是電壓控制型器件,其輸入阻抗通常在1011Q以上。一般來說, 驅動電流在100nA量級,可控制幾安到幾十安的電流輸出,功率消耗極小。 VDMOS柵極可直接與CMOS、TTL集成電路

48、和其他高阻器件連接,具有良好 的工藝兼容性,使驅動電路的設計大大簡化。(2開關速度快VDMOS管的開關速度比雙極型晶體管快得多,由于其為多子器件,沒有尾 電流,開關損耗小,不需要存儲時間,其開關時間一般為110ns量級,而雙 極晶體管在1u s量級。VDMOS不僅可以作為開關電源的重要部件,也可廣泛 應用于通訊、微波爐等高頻領域。(3更寬的安全工作區(qū)域VDMOS具有電流負溫度系數,沒有二次擊穿現象。對比雙極型功率器件,北京-、眥大學工學碩j_學位論文因為其少子注入密度隨結溫升高而增加,即電流增大,可能造成電流集中而熱擊 穿器件。相反VDMOS作為多子器件,其通態(tài)電阻隨著溫度升高而增大,沒有 由

49、熱電正反饋而引起的二次擊穿,很難引起由于局部電流突然增大,過熱發(fā)生的 擊穿,使得安全工作區(qū)增大。這也是VDMOS允許元胞之間并聯和器件之間并 聯的原因。(4準飽和效應由于VDMOS具有的特殊的垂直導電通道結構,將出現有別于一般MOSFET 的準飽和現象,所謂的準飽和效應指VDMOS的輸出電流達到一定限度以后,漏 源電流隨著柵壓升高幾乎不變,隨著漏壓升高不飽和的現象。準飽和現象限制了 VDMOS的最大輸出電流。研究指出,準飽和現象是載流子在外延層達到速度飽 和所造成的,輸出電流的最大值與體區(qū)P阱之間距離成正比。當柵極加適當極性和大小的柵極電壓時,多晶硅柵極在擴散溝道區(qū)表面感應 一個反型層,如圖3

50、.3。這個反型層(溝道連接了源極與漏極的輕摻雜區(qū),并 且開始導通電流,漏極電壓較小時,漏極電流與之成線性關系:厶2以%弘吲一爭(3-1 隨著漏極電壓的增加,漏極電流出現飽和并與柵源電壓的平方成一定關系:厶:以co孚(%一圪:(3.2 其中玩為電子遷移率;q為單位面積的柵氧化層電容;w為溝道寬度; I,為溝i酋長摩。柵壓為零時,半導體表面層可能已存在電荷,要使它沒有電荷,或者說,要 使半導體表面能帶是平的,柵上應加電壓,此電壓稱為平帶電壓。這是因為: 1、柵與P型半導體之間存在著接觸電勢差九。,即使柵電壓為零,此接觸電勢 18第3帝開關電源中的關鍵器件差已使得柵表面的靜電位比P型半導體低了一個九

51、。,即半導體表面已經有正電 荷,柵上已有負電荷。為了消除這些電荷,柵上應加正電壓九。;2、半導體在與 氧化層接觸的層面上常存在著面電荷,此面電荷的密度用表示,為了使這 些面電荷產生的電力線都終止在柵的表面上,而不是進入半導體使半導體能帶彎 曲以產生感應電荷一Q囂,那么柵上應有負的面電荷,其面密度為級。這對正 負電荷在氧化層上的電壓為級乞/氣或即級乞/C0。由此可見,平帶電壓為: %=一級/巳 (33 如果氧化層內還有其它電荷,則它的作用可以用半導體表面的等效電荷來反 映,上式中的艮應包括這種等效電荷在內。閾值電壓%定義為使半導體表面為反型層時柵上所需加的電壓。它由三部 分組成:1、柵上首先需加

52、電壓VFB使半導體表面能帶是平的;2、若要表面反型 則半導體能帶應有2q蝙的彎曲,其中q是體內費米能級到禁帶中央的距離, 故柵上還應再加2蝙的電壓;3、能帶彎曲2q對應著表面反型層到體內有一1過渡層,就象+P結一樣,此耗盡層有一電荷面密度:一Q=一2(粥乞2NA 為P型襯低的雜質濃度。這個負電荷需由柵上相應的正電荷來屏蔽,因此氧化 層上又需要再加一個電壓Q/乞,綜上所述,得到閾值電壓:三%:%+2如+2型掣遞 (3.4 unX由于制造P型區(qū)是靠通過掩膜的窗口擴散受主雜質而形成的,P區(qū)表面雜 質濃度不均勻,按閾電壓的定義,它應使表面處處形成反型溝道,故上式NA應 取最大值NAm。x同理,蝻也應取

53、N觸來算。薩堡覷監(jiān)2仂出g %19(3-5北京工qk大學T學碩十學位論文 (如 >> (豢勰蝴堍馘圖3.3不同柵壓下溝道的開啟情況Fig.33功率MOS由許多單兀并聯而成,由于導通電阻與面積成反比,因此本文 討論的均為單位面積的導通電阻,這個電阻與圖形結構有關。圖3。4示出了功 率MOS的電子從+源區(qū)流經有源區(qū)、表面積累層、“頸”區(qū)、.外延區(qū)、+區(qū) 的有關電阻,它們分別用%、%、心、如、B表示。氐+:它是+擴散源區(qū)的電阻。與其它電阻相比,它僅占很小的一部分; %:溝道電阻;尺,:“頸”部電阻;心:表面積累層電阻;如:漂移區(qū)電阻上面列出的各電阻在不同的器件中占不同的比重。對于低壓器件

54、溝道電阻 %、積累層電阻心和“頸”區(qū)電阻吩是主要的。單位面積的溝道寬度對心、 %影響較大,溝道寬度愈大,則導通電阻愈低;對于高壓器件,漂移區(qū)電阻如 是主要的。20第3奇開關電源中的關鍵器件/、/娃e j蘭碉鬯鴨彳 一i;§摹 躺溉魄l 黯柏圖3-4vDMOS導通電阻的結構示意圖Fig.3-4111e s仃uctIlre oftlle onstateofMOS功率MOSFET的擊穿電壓或反向阻斷電壓的定義與雙極型晶體管中 K朋四(基極與發(fā)射極短路,集電極與發(fā)射極間的擊穿電壓的定義相同,這里 的擊穿指的是雪崩擊穿。當反向偏置PN結的耗盡區(qū)載流子獲得足夠的動能發(fā) 生電離或產生臨界電場時的電

55、壓為漏源擊穿電壓K踟腳。這一電壓的大小主要決 定于輕摻雜漏極區(qū)的特性和基底端表面電場的類型。導通電阻和耐壓的關系:功率器件的性能主要由三個參數來衡量:耐壓、開關時間和比導通電阻。而 這些性能的優(yōu)劣與否主要取決于漂移區(qū)的摻雜、載流子壽命和導通時的調制情況 即非平衡載流子的數目。功率MOsFET這類器件是沒有少子注入的器件,所以 關斷很快。因為漂移區(qū)摻雜濃度越低,耐壓越高,但是比導通電阻越大,所以耐 壓和比導通電阻是一對矛盾,不能同時做到很好。對于一個均勻摻雜的漂移區(qū), 由前人的工作可知,在最佳的條件下,即漂移區(qū)寬度是平行平面結擊穿時耗盡區(qū) 寬度的2/3時,比導通電阻心和擊穿電壓的關系為:Ik=8

56、.3×109VB25Q an2這就是人們常說的硅極限,它描述了比導通電阻 和擊穿電壓的極限關系。21北京工、眥大學工學碩十學位論文3.2肖特基二極管的簡要介紹整流二極管為開關電源的關鍵部件,因為其功耗大,約占電源功耗30%,因 此要求整流二極管在高速大電流工作狀態(tài)下,具有正向壓降小、開關時間短的特 性。肖特基勢壘二極管在開關電路和保護電路中作為整流和續(xù)流元件,可以大幅 度降低功耗,提高電路效率和使用頻率,減少電路噪聲。與普通的PN結二極管 相比,SBD的勢壘高度低于PN結勢壘高度,故其正向導通門限電壓和正向壓降 都比PN結二極管低(約低O.2;SBD是一種多數載流子導電器件,不存在少

57、 數載流子壽命和反向恢復問題。SBD的反向恢復時間只是肖特基勢壘電容的充、 放電時間,故開關速度非常快,開關損耗也特別小,尤其適合于高頻應用。金屬和半導體形成整流接觸特性有兩種情況:1金屬和n型半導體接觸,且 金屬的功函數大于半導體的功函數,即既>形;2金屬和P型半導體接觸,且 金屬的功函數小于半導體的功函數,即既<形,其能帶圖如圖3-5所示。一一.贏一一”一一一 l咖毒 _-。 EcsE如E蹦EvlEcs EFl Evs圖3.5金屬與半導體接觸的能帶圖F適.3-5The energ,-balld diagram of metal semiconductor contact金屬導體

58、內部有大量的導電電子。當金屬與半導體接觸(二者距離只有原子 大小的數量級時,金屬的費米能級低于半導體的費米能級。在金屬內部和半導 體導帶相對應的分能級上,電子密度小于半導體導帶的電子密度。因此,在二者 接觸后,電子會從半導體向金屬擴散,從而使金屬帶上負電荷,半導體帶正電荷。 由于金屬是理想的導體,負電荷只分布在表面為原子大小的一個薄層之內。而對 于N型半導體來說,失去電子的施主雜質原子成為正離子,則分布在較大的厚 度之中。電子從半導體向金屬擴散運動的結果,形成空間電荷區(qū)、自建電場和勢 壘,并且耗盡層只在N型半導體一邊(勢壘區(qū)全部落在半導體一側。勢壘區(qū)中自第3章哥關電源中的關鍵器件建電場方向由N型區(qū)指向金屬,隨熱電子發(fā)射