【專家帖】如何提高開關(guān)電源芯片MOSFET雪崩可靠性？
雪崩耐量是芯片中功率器件的關(guān)鍵指標(biāo)，影響開關(guān)電源安規(guī)及可靠性。芯朋微電子是國內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導(dǎo)體器件工藝設(shè)計(jì)能力的功率集成電路設(shè)計(jì)公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標(biāo)準(zhǔn)工藝制程的IC設(shè)計(jì)公司。
本期芯朋微電子的功率器件技術(shù)團(tuán)隊(duì)從電源功率器件的雪崩原理入手，為大家揭秘：
什么是雪崩擊穿？
單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩有何不同？
雪崩擊穿失效機(jī)理是什么？
平面型VDMOS和超結(jié)型VDMOS的雪崩耐量有何差異以及如何選擇？
什么是雪崩擊穿？單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩有何不同？
單脈沖雪崩耐量
重復(fù)雪崩耐量
單脈沖雪崩
圖1給出了單脈沖雪崩測試的原理圖，對(duì)待測器件的Gate施加開啟信號(hào)，器件導(dǎo)通，電感L開始儲(chǔ)能，當(dāng)電感儲(chǔ)能達(dá)到一定值以后，關(guān)閉Gate，此時(shí)電感能量只能通過雪崩電流來泄放。
圖1. 單脈沖雪崩測試的原理圖
圖2. 單脈沖雪崩測試波形圖
雪崩泄放的總能量由以下公式給出
其中：
在實(shí)際測試中，通常會(huì)固定L和VIN，通過不斷增大脈寬寬度TPulse，測得器件不損壞的最大雪崩耐量即為所測器件的EAS值。
重復(fù)雪崩耐量
圖3給出了重復(fù)雪崩測試的原理圖，對(duì)待測器件的Gate施加周期性開關(guān)信號(hào)，通過器件反復(fù)開關(guān)，周期性對(duì)電感儲(chǔ)能，并通過器件雪崩釋放能量。對(duì)于重復(fù)雪崩，每次發(fā)生雪崩的能量要比EAS小很多，但重復(fù)累加的能量會(huì)比單脈沖雪崩多很多，所以芯片結(jié)溫和管殼溫度都會(huì)升高，當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到Tjmax時(shí)，即為所測器件的EAR最大值。
圖3. 重復(fù)雪崩測試的原理圖
雪崩擊穿失效機(jī)理是什么？
重復(fù)雪崩的失效機(jī)理主要有兩種，一種是重復(fù)雪崩過程中芯片結(jié)溫超過Tjmax，而帶來的器件損壞；另一種表現(xiàn)為重復(fù)雪崩老化過程中，由于熱載流子效應(yīng)而帶來的器件參數(shù)漂移，是一個(gè)緩慢退化的過程。
平面型VDMOS和超結(jié)型VDMOS的雪崩能力有何差異？
圖5.平面型VDMOS電場分布
但對(duì)于超結(jié)型VDMOS，為了降低Rdson，芯朋都會(huì)對(duì)電場進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示，可見超結(jié)型VDMOS的電場特性是有可能帶來雪崩觸發(fā)位置的隨機(jī)變化，所以超結(jié)型VDMOS的雪崩能力較弱，超結(jié)型VDMOS的雪崩一致性設(shè)計(jì)難度要遠(yuǎn)高于平面型VDMOS。
圖6.超結(jié)型VDMOS電場分布
VDMOS該如何選型？
當(dāng)EMI濾波器的防雷等級(jí)較高時(shí)(采用共模電感+X電容濾波器結(jié)構(gòu)+防雷器件)，并對(duì)開關(guān)頻率有較高要求時(shí)，可選用超結(jié)型VDMOS，避免雷擊殘壓造成MOS雪崩損壞；
當(dāng)EMI濾波器防雷等級(jí)較低時(shí)(采用π型濾波器+防雷器件)，優(yōu)先選用雪崩能力強(qiáng)的平面型VDMOS。
芯朋微電子的開關(guān)電源芯片系列中，可提供高雪崩耐量的智能VDMOS器件，如圖8所示：
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