厚膜DC/DC电源VDMOS退化机理及工作寿命评估技术

• 作 者: 陈镜波
• 机 构: 广东工业大学
• 出 处: 广东工业大学
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 厚膜DC/DC电源模块 VDMOS器件 寿命评价 开关器件 可靠性 芯片级失效

厚膜DC/DC电源模块广泛用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域。随着厚膜DC/DC电源模块向高功率密度、高效率和大电流低电压方向发展,因此对其中的开关器件VDMOS提出了更高的可靠性要求。当中因为主要是其裸芯片的组装结构,在高压、大电流应力条件下,不可避免地产生与电应力、温度应力相关的性能退化,进而影响电源的效率、温升指标及技术性能。　　
本文为避免厚膜DC/DC电源整体试验时VDMOS检测所存在的困难,深入研究了VDMOS器件在厚膜DC/DC电源中的电脉冲工作状况,设计出等效试验电路并采用恒流恒温应力对VDMOS器件进行了可靠性评价。另外,利用有限元法对VDMOS器件的组装结构进行温度循环载荷的模拟,分析评价焊料层的可靠性。通过上述方法,本文对应用在DC/DC电源上的VDMOS器件可靠性有了全面的评价。　　
首先,分析总结了厚膜DC/DC电源中VDMOS器件存在的各种失效机理,以及相对应的寿命评价手段。将各类失效机理归结为两类:芯片级失效和组装级失效。芯片级失效主要有与时间相关的介质击穿TDDB、阈值电压漂移、热击穿；组装级失效主要有焊接空洞引起热击穿、键合退化和热失配。　　
其次,根据对电源模块的电路分析,通过“恒流恒温应力”等效模拟“脉冲电流温度应力”对VDMOS退化的影响进行了研究,得到了阈值电压退化的特征曲线。通过对数据进行分析处理,得到三种温度下(135℃、150℃、165℃)的中位寿命:t135℃=3920h,t150℃=997h,t165℃=399h,以及样品的加速寿命模型为lnt=-25.2+13637(1/T),激活能Ea=1.18eV。初步分析认为,栅氧化层中电荷的变化是导致阈值电压漂移的主要因为,而其中慢陷阱电荷是本次试验中的主要失效机理。　　
再次,结合有限元模拟手段,得到温度循环载荷下焊料层内部的应力应变情况,深入分析了焊料层内部应力-应变场分布特征的动态特性。从分析中得知,焊料层边角位置是应力应变最大位置,是焊料层疲劳失效最易首先发生的所在。进一步分析了焊料层的应力应变时间历程,发现最大应力应变都发生在低温保温阶段。依照材料力学中的第三强度理论,分析得出垂直于芯片方向上的剪切应力应变是导致焊料疲劳失效的主要因素。以塑性应变为基础,利用Coffin-Masson方程预测了该焊料层的热疲劳寿命,计算出循环次数可达到3087次。另外,当焊料层存在空洞时,其最大塑性应变值降低了80％左右,对焊料层在热循环情况下的使用寿命有提高作用,但不利于芯片的散热。　　
最后,利用红外测温技术测定壳温为80℃下电源模块内部的器件温度,利用试验得到的加速寿命方程,求得了VDMOS器件在该工作条件下,以阈值电压漂移20mV为判据的特征寿命值为4.5×105h。并建立了其精确的有限元模型,分析了电源内部的温度耦合情况,在不影响内部电路的情况下对组装材料进行了热模拟优化。优化结果为厚膜DC/DC电源的进一步热设计提供了有益的指导。