功率MOSFET可靠性建模的研究

摘要

功率MOSFET以其驱动电路简单、开关速度快、便于集成等特点,在电源、汽车、航空航天等电子系统中得到广泛应用。随着元器件工艺的不断改进,产品的研发周期不断减小,功率MOSFET的可靠性正承受着巨大考验。传统的分立器件可靠性研究建立在大量的寿命试验基础上，而通常加速试验并没有实现真正的“加速”,费时费力。因此基于有限元建模的功率MOSFET可靠性研究,有重要的理论意义和实用价值。
　　在深入研究功率MOSFET失效模式发生的环境诱因和数学模型基础上，本文提出功率 MOSFET可靠性建模的总体研究方案。首先在有限元软件 ANSYS中建立了封装为TO-247的功率MOSFET模型,仿真获得恒定电场作用下的器件温度分布,结果与热像仪拍摄到的热分布基本一致,证明了本文所建立模型的正确性。再利用该模型对器件进行瞬态多场耦合仿真,得到功率MOSFET在实际“开”、“关”状态下,最易发生失效的薄弱部位。结果表明,功率MOSFET封装中主要的失效位置是黏结层、芯片、键合引线和塑料封装。
　　然后本文针对不同的环境因素,分别对器件的主要失效模式进行仿真分析,通过温度和等效热应力的仿真结果,结合 Paris方程、Coffin-Manson准则等理论模型,实现了器件的剩余寿命预测。
　　最后对20只相同型号的功率 MOSFET在温度循环、功率循环、热击穿和湿热环境下的进行可靠性试验。利用半导体参数测试仪测量试验前后的电特性参数变化,并用光学显微镜和电子显微镜观察失效器件的形貌。利用电测试的结果可以有效地分析各失效模式对器件的影响,并通过形貌观察加以确认,同时也间接验证了剩余寿命预测的有效性。

目录

功率 MOSFET 可靠性建模的研究

RESEARCH ON POWER MOSFET MODEL FOR RELIABILITY ANALYSIS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源及研究的目的和意义

1.2 功率MOSFET失效分析的研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 功率MOSFET有限元分析的研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 功率MOSFET失效模式分析

2.1 引 言

2.2 失效模式分析

2.2.1 芯片热击穿

2.2.2 黏结层疲劳

2.2.3 塑料封装外壳失效

2.2.4 键合引线断裂

2.3 可靠性建模总体研究方案

2.4 本章小结

第3章 功率MOSFET有限元建模

3.1 引 言

3.2 功率MOSFET有限元模型的建立

3.2.1 芯片TCAD二维模型

3.2.2 器件ANSYS三维模型

3.3 稳态热分析

3.3.1 加载与求解

3.3.2 实验结果及分析

3.4 瞬态多场耦合分析

3.4.1 电—热耦合分析

3.4.2 热—结构耦合分析

3.5 本章小结

第4章 主要失效模式的仿真分析

4.1 引 言

4.2 芯片热击穿

4.3 黏结层疲劳失效

4.3.1 粘结疲劳分析

4.3.2 疲劳寿命预测

4.4 塑料封装外壳失效

4.4.1 湿气扩散分析

4.4.2 湿气膨胀应力分析

4.4.3 蒸汽压力分析

4.4.4 等效热应力分析

4.5 键合引线断裂失效

4.5.1 裂纹扩展轨迹模拟

4.5.2 剩余寿命预测

4.6 本章小结

第5章 功率MOSFET可靠性试验

5.1 引 言

5.2 试验方案设计

5.2.1 试验方案

5.2.2 失效判据

5.2.3 芯片提取方法

5.3 试验结果及分析

5.3.1 电特性分析

5.3.2 形貌分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性说明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢