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場(chǎng)效應(yīng)管靜電失效與防護(hù)措施研究

文檔作者：王殿湘 1,任西 2,楊潔 2,趙力甦 2,韓克華文檔來(lái)源： 2 1.海軍駐西安彈藥工程 2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所,		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月14日
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電子質(zhì)量（2016 第07 期）
場(chǎng)效應(yīng)管靜電失效與防護(hù)措施研究
Study on the MOSFET Failure and Protection to Electrostatic Discharge
王殿湘 1,任西 2,楊潔 2,趙力甦 2,韓克華（2 1.海軍駐西安彈藥工程
代表室,陜西西安710061;2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所,陜西西安
710061）
Wang Dian-xiang1,Ren Xi2,Yang Jie2,Zhao Li-shu2,Han Ke-hua2(1.Naval Ammunition
Engineering Representative Office in Xi'an,Shaanxi Xi'an 710061;2.Shaanxi Applied
Physics and Chemistry Research Institute,Shaanxi Xi'an 710061）
摘要：針對(duì)某產(chǎn)品中場(chǎng)效應(yīng)管IRF840 參數(shù)超標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，IRF840 失效機(jī)理為：
G-S 間遭受ESD，引起柵氧化層局部損傷，造成G-S 間漏電流增大，絕緣電阻大大下降，參數(shù)超標(biāo)。從人
體靜電防護(hù)、焊接工藝完善、器件加固設(shè)計(jì)等方面提出了改進(jìn)措施，有效防止ESD 對(duì)產(chǎn)品的損傷。
關(guān)鍵詞：場(chǎng)效應(yīng)管；失效；靜電放電；措施
中圖分類號(hào)：TN386.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-0107(2016)07-0065-03
Abstract: For some product,electrical characteristic of the MOSFET IRF840 exceed the technical indicators,
by the means of theoretical analysis and experimental verification,IRF840 failure mechanisms that:between
G-S suffered ESD,causing local damage of the gate oxide layer,resulting in increased leakage current between
G-S,insulation resistance declined significantly.The improvement measures are put forward from the
aspects of the human body electrostatic protection,the perfect welding process,device protection design
which can effectively prevent the damage of ESD to the product.
Key words: MOSFET;Failure;ESD;Measure
CLC number: TN386.1 Document code: A Article ID：1003-0107(2016)07-0065-03
作者簡(jiǎn)介：王殿湘(1962-)，男，高級(jí)工程師，海軍高級(jí)質(zhì)量審核員，從事彈藥技術(shù)管理工作。
0 引言
場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具
有擊穿電壓高、導(dǎo)通電流大、驅(qū)動(dòng)電流小和響應(yīng)時(shí)間快
等優(yōu)點(diǎn)，常用于功率放大、電源變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路
中。另一方面，基于MOSFET 的芯片結(jié)構(gòu)，其屬于靜電敏
感器件，設(shè)計(jì)、使用不當(dāng)，易受靜電放電的不良影響，因
此應(yīng)引起設(shè)計(jì)、使用人員足夠的重視。
1 故障現(xiàn)象
某產(chǎn)品中使用場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET，IRF840)進(jìn)行電
源變換，電路原理圖如圖1 所示。成品檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)4 個(gè)
產(chǎn)品的柵極- 源極(G-S 間)驅(qū)動(dòng)電流技術(shù)指標(biāo)超差，但
產(chǎn)品功能正常。圖1 中，12V+，12V-，SWD1 通過(guò)接插件
與外部連接，實(shí)現(xiàn)電源與激勵(lì)信號(hào)的輸入。
圖1 產(chǎn)品電路原理圖
2 MOSFET 失效模式與機(jī)理
IRF840 是一種MOSFET 器件(主要性能參數(shù)如表1
所示)，MOSFET 屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，輸入阻抗
高，驅(qū)動(dòng)電流小，驅(qū)動(dòng)電壓2~15V，便于數(shù)字器件、光耦
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電子質(zhì)量（2016 第07 期）
表1 IRF840 主要工作參數(shù)
的控制。裝機(jī)的200 只管子，在使用之前，利用晶體管測(cè)
試儀對(duì)IRF840 的漏- 源擊穿電壓(V (BR)DSS)、飽和漏源電
流(IDSS)、柵- 源閾值電壓(VGS(th))等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，參數(shù)
全部合格[1]。
漏- 源擊穿電壓
V(BR)DSS(V)
柵- 源電阻
RGS(MΩ)
最大漏級(jí)通態(tài)
電流ID(A)
柵- 源閾值電壓
VGS(th)(V)
開(kāi)啟時(shí)間toff(ns) 關(guān)斷時(shí)間ton(ns)
≥500 >10 8 2~4 40 70
對(duì)失效的4 只管子委托771 所半導(dǎo)體失效分析中
心完成失效分析。
第一步，對(duì)失效管子進(jìn)行特性曲線測(cè)試，測(cè)試儀器
為QT-2 晶體管圖示儀和371B 測(cè)試儀。根據(jù)失效管子
電參數(shù)結(jié)果判斷，4 只管子的柵極漏電流全部不合格，
但沒(méi)有出現(xiàn)完全失效現(xiàn)象，因此初步判斷柵極受到損
傷。管子失效模式為：柵- 源漏電流參數(shù)超差。
第二步，對(duì)失效管子開(kāi)帽后，在顯微鏡下觀察，場(chǎng)
效應(yīng)管內(nèi)部鍵合及粘片良好，管芯表面未見(jiàn)異常，但隨
著損傷程度的不同，與柵極相連的鋁條有一處或多處
擊穿點(diǎn)。
第三步，對(duì)正常的管子進(jìn)行了靜電放電(ESD)試驗(yàn)
(按GJB128A“半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法”中的1020 方
法)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靜電電壓在1000V 以下時(shí)，管子
柵極未發(fā)生損傷；靜電電壓施加至1500V 時(shí)，管子?xùn)艠O
發(fā)生輕微損傷，G-S 間電阻下降到3kΩ；當(dāng)電壓增加到
2000V 時(shí)， 管子?xùn)艠O發(fā)生損傷，G-S 間電阻下降到
0.6kΩ，2 只管子的電阻與前述失效IRF840 的G-S 間
阻值相當(dāng)。經(jīng)開(kāi)帽分析，管芯中柵極的鋁橋有局部擊穿
點(diǎn)，表明柵極有大電流通過(guò)，歸結(jié)為靜電類應(yīng)力擊穿。
通過(guò)ESD 模擬試驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)了同樣的故障現(xiàn)象，據(jù)此
分析，管子失效機(jī)理為：柵極- 源極遭受靜電放電，引起
柵氧化層局部損傷，造成柵極- 源極間絕緣電阻大大下
降，漏電流增大，參數(shù)超標(biāo)。此外，此次管子失效是屬于
潛在性的，引起電路性能的退化，并最終影響產(chǎn)品的預(yù)
期壽命。
按GJB128A“半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法”中的1020
方法，根據(jù)器件可耐受的靜電放電閾值，將器件分為三級(jí)：
①一級(jí)：0~2kV；②二級(jí)：2~4kV；③三級(jí)：4~16kV
在防靜電措施上，一級(jí)器件應(yīng)作重點(diǎn)控制，二級(jí)
器件作一般控制，抗16kV 器件被認(rèn)為是非靜電敏感
器件[2]。
MOSFET 為靜電敏感度一級(jí)，耐受靜電電壓：≤
2kV，一般生產(chǎn)環(huán)節(jié)的靜電防護(hù)電壓上限為500V，因此，
500V 以上的ESD 有可能造成MOSFET 柵極意外損傷。
此外，根據(jù)產(chǎn)品使用手冊(cè)，IRF840 焊接時(shí)應(yīng)采用S→
D→G 的順序，焊接溫度260℃、10 秒或者350℃、3 秒。
使用接地烙鐵或者用變壓器降低電壓，最好將烙鐵頭接
地使其不會(huì)出現(xiàn)泄漏電流。
3 MOSFET 靜電防護(hù)措施
3.1 人體靜電防護(hù)
在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品需要反復(fù)過(guò)手、搬運(yùn)(拷
機(jī)、應(yīng)篩、存放等環(huán)節(jié))，這些環(huán)節(jié)當(dāng)中產(chǎn)生的人體靜電
可能直接或間接作用于產(chǎn)品，也就是對(duì)MOSFET 形成靜
電放電，因此靜電防護(hù)不當(dāng)極易造成MOSFET 的損傷。
依據(jù)相關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)表明[3](如表2 所示)，即使
操作人員穿著良好的防靜電服裝，依然會(huì)形成最高
3.5kV 的人體靜電，因此未經(jīng)靜電泄放，操作人員不能直
接碰觸靜電敏感器件。
表2 著不同鞋襪人體靜電電位(/kV)
工作服靜電位赤腳尼龍襪薄毛襪導(dǎo)電襪
橡膠底運(yùn)動(dòng)鞋20.0 19.0 1.0 20.0
新皮鞋5.0 8.5 7.0 6.0
防靜電鞋2.0 4.0 3.0 3.5
IRF840 屬于靜電敏感器件，為防止隱患發(fā)生，須要
對(duì)產(chǎn)品在測(cè)試、轉(zhuǎn)運(yùn)及儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)中加強(qiáng)靜電防護(hù)，嚴(yán)
格遵守操作規(guī)程，在此過(guò)程中，凡是接觸產(chǎn)品的所有人
員，應(yīng)佩戴防靜電腕帶，穿戴防靜電工作服，防靜電鞋
帽，避免靜電可能對(duì)IRF840 柵極造成的破壞[4]。
3.2 焊接工藝改進(jìn)
在印制板焊接時(shí)，IRF840 按照S→D→G 的順序進(jìn)
行焊接。同時(shí)應(yīng)使用接地烙鐵或者用變壓器降低電壓，
最好將烙鐵頭接地使其不會(huì)出現(xiàn)泄漏電流。焊接溫度
260℃、10 秒或者350℃、3 秒。
3.3 MOSFET 抗靜電加固設(shè)計(jì)
為防止ESD、瞬態(tài)過(guò)壓對(duì)IRF840 的損傷，根據(jù)廠方
提供的使用建議，從以下兩個(gè)方面加強(qiáng)管子的ESD 保
護(hù)電路設(shè)計(jì)：(1)瞬態(tài)電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor
Diode)簡(jiǎn)稱TVS 器件，在規(guī)定的反相應(yīng)用條件
下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗
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電子質(zhì)量（2016 第07 期）
能立即降低值很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，并將電
壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)精密元器件免受損
壞。TVS 能承受的瞬時(shí)脈沖功率可達(dá)上千瓦，箝位響應(yīng)
時(shí)間僅為皮秒級(jí)[5]。選用振華集團(tuán)永光電子有限公司生
產(chǎn)(國(guó)營(yíng)873 廠)的TVS，型號(hào)BSYP6KE15A，并接在管子
的G-S 之間，將IRF840 柵極電壓箝位在12V，低于20V
的極限柵極電壓，有效防止過(guò)壓、靜電對(duì)柵極造成的破
壞。(2)壓敏電阻的響應(yīng)速度很快，在納秒時(shí)間內(nèi)迅速呈
現(xiàn)優(yōu)良的非線性導(dǎo)電特性，此時(shí)壓敏電阻兩端電壓迅速
下降，遠(yuǎn)小于過(guò)電壓，這樣被保護(hù)設(shè)備或元器件上的實(shí)
際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過(guò)電壓，從而使設(shè)備或元器件免
遭過(guò)電壓的沖擊[6]。選用了深圳振華富電子有限公司的
壓敏電阻，型號(hào)：CV2012S140C700，并接在管子的G-S
之間，將極限柵極電壓限制在20V 以下。
采取這兩種保護(hù)措施后，從設(shè)計(jì)上有效防止了ESD
對(duì)管子?xùn)艠O的潛在危害。
4 結(jié)論
通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，IRF840 失效機(jī)理為：
G-S 間遭受ESD，引起柵氧化層局部損傷，造成G-S 間
漏電流增大，絕緣電阻大大下降，參數(shù)超標(biāo)。根據(jù)產(chǎn)品使
用情況，從人體靜電防護(hù)、焊接工藝完善、器件加固設(shè)計(jì)
等方面提出了改進(jìn)措施，有效防止ESD 對(duì)產(chǎn)品的損傷。
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上接64 頁(yè)
4 總結(jié)
GB/T 17618-2015 經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)變更，試驗(yàn)項(xiàng)目沒(méi)有增
加，試驗(yàn)等級(jí)沒(méi)有更嚴(yán)酷，但是許多試驗(yàn)細(xì)節(jié)部分的變
更非常重要，完善了信息技術(shù)設(shè)備電磁兼容抗擾度試
驗(yàn)的要求，需要電磁兼容試驗(yàn)人員詳細(xì)研讀，對(duì)于信息
技術(shù)設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)和整改過(guò)程也非常有
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