功率VDMOS器件高温直流应力下退化及失效机理研究(3)

量被测VDMOS器件寄生二极管PN结电压和温度的线性关系,得到温度系数曲线。而后将其放置于保持恒温的热沉(参考点)上,利用特制夹具将器件固定并给以恒定向下压力。对器件施加功率使其升温,进入稳态后断开功率,采集小测试电流下PN结电压变化情况,结合温度系数曲线得到其温度,进而计算出其结到热沉之间RTH。施加功率仍采用UDS=5 V,IDS=2 A。图9为不同应力时间后结到热沉的RTH测量结果,可以看到除少许测量值自然偏差引起的抖动外,RTH值基本保持不变。 考虑到器件采用TO-254AA国产军工级封装,源极区域向上为绝热性能良好的惰性气体,因此施加功率后主要热流传输路径如图10所示,器件内部升温后,热量由上往下传递至漏极,经焊料层、管壳,传递至最下端的热沉,所测得RTH为该传输路径上的RTH。在传输路径上,器件内部、漏极和焊料层结合处、焊料层、焊料层和管壳结合处、管壳到热沉这些环节的任一变化都将导致RTH值的改变。如果器件内部产生诸如孔洞裂纹或者漏极到焊料层之间结合情况变化,RTH会相应发生变化。图9所示测量结果证明了器件内部没有结构变化,并且漏极到焊料层结合情况保持稳定。此外,焊料层空洞是功率VDMOS器件常见的问题之一,对器件性能特别是RTH构成直接影响[9],RTH测量结果表明了焊料层保持稳定,其空洞情况没有恶化,并且焊料层和管壳结合情况没有变化。管壳到热沉的压力在测试期间保持恒定。 图9 结到热沉的RTH和应力时间关系Fig.9 Relation between the junction-to-sink RTHand stress time 图10 热流传输路径示意图Fig.10 Diagram of heat transfer path 由于RTH保持稳定,在传输路径上的漏极承受的是相对稳定的温度应力,而源极区域在器件表层,向上没有有效传热途径,一旦RS发生变化容易因热量堆积造成温度过高,2.2节中微区分析结果和此相吻合。 3 结 语 本文研究了功率VDMOS器件施加高温直流应力后的退化和失效情况,持续测量了其多项电学参数变化,并进行了RTH测量。研究表明,其UGS(th)、IGSS、UDSS、器件 RTH均保持稳定,表现出较高的可靠性,说明高温直流应力对器件的栅极、漏极、器件内部结构、焊料层、管壳影响均很小。与此同时,RDS(on)随应力作用时间增大而增大。对损坏器件进行微区分析,结合器件RTH变化情况,表明RDS(on)的增大是由于源极封装或欧姆接触部分退化导致RS增大所致,其直接诱发的源极区域高温是器件损坏的原因。在此基础上,今后工作可进一步分析源极封装和欧姆接触各自的退化情况。从提高器件工作可靠性的角度而言,在工艺中设法增加欧姆接触电导率、增加源极引线直径都可以有效降低RS,更好地避免热电反馈的产生。此外,如果能增加器件源极向上方的传热能力,也有助于避免源极部分的损坏。 [1] RICHARD K W,MOHAMED N D,RICHARD A B,et al.The trench power MOSFET—part II：Application specific VDMOS,LDMOS,packaging,and reliability[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2017,64(3)：692-712. [2] 高博,刘刚,王立新,等.国产星用VDMOS器件总剂量辐射损伤效应研究[J].物理学报,2012,61(17)：403-409. [3] BENDA V,GOWAR J,GRANT D.Power semiconductor devices[M].New York,USA：Wiley,1999. [4] JAYANT B B.Fundamentals of semiconductor power devices[M].New York,USA：Springer,2008. [5] VOJKAN D,DANIJEL D,ALEKSANDAR I,et al.NBTI and irradiation effects in P-channel power VDMOS transistors[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2016,63(2)：1268-1275. [6] 单尼娜,吕长志,马卫东,等.直流和脉冲工作的VDMOS可靠性试验[J].半导体技术,2010,35(2)：172-175. [7] DAVIDOVIC V,DANKOVIC D,ILIC A,et al.Effects of consecutive irradiation and bias temperature s

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