MOS管漏电失效分析

引言

MOS管是金属(metal)-氧化物(oxide)-半导体(semiconductor)场效应晶体管，作为电压驱动大电流型器件，大量应用于电路尤其是动力系统中。本文以MOS管漏电失效为例，通过形貌观察、无损分析、开封观察、定位分析、SEM形貌观察、去层分析等测试方法，分析其失效原因，并提出改善建议。

一、案例背景

产品在测试阶段通过万用表测试发现PCBA上MOS管漏电失效，现进行分析，查找其失效原因。

二、分析过程

1. 外观检查

对失效PCBA上MOS管进行外观检查；观察结果显示：失效PCBA上1#MOS管外观无明显的裂纹、破损等异常，与旁边的2#MOS管无明显差异。

2. 失效现象确认

为确认失效PCBA上1#MOS管是否存在明显的漏电现象，对比测试2#MOS管与1#MOS管引脚间的半导体特性，发现1#MOS管引脚间都存在明显的漏电现象。

图1. MOS管引脚间半导体特性曲线

3. 无损分析

为确认失效1#MOS管内部结构、封装是否存在明显缺陷，取下1#、2#MOS管利用X-ray、超声扫描对其进行无损分析。

无损分析结果显示：失效的1#MOS管内部结构完整，键合丝未发现明显的断裂迹象；超声扫描未发现内部封装有分层现象，可排除因内部金属迁移导致的漏电失效。

图2. 1#、2#MOS管X-ray检查形貌

图3. MOS管超声扫描形貌

4. 开封观察

为确认失效1#MOS管内部是否存在明显烧毁现象，对1#、2#MOS管进行开封观察。

观察结果显示：1#MOS管表面未发现明显裂纹、破损、烧毁等明显异常，与2#MOS管表面形貌基本一致。

图4. 1#、2#MOS管开封后形貌

5. 定位分析

前面分析可知：1#MOS管存在漏电现象，为确认1#内部的漏电位置，利用OBIRCH定位技术对1#内部的漏电位置进行定位分析。

定位结果显示：1#MOS管存在异常亮点，亮点主要集中在晶圆上边沿，如图所示。

图5. 1#MOS定位形貌

6. SEM形貌观察

为确认1#MOS管漏电的可能原因，利用电子扫描显微镜对1#MOS管异常亮点周边位置进行SEM形貌观察。

开封结果显示：1#MOS管异常亮点位置的金属层存在裂纹，因金属层覆盖，芯片内部是否存在其他缺陷需进一步确认。

图6. 1#MOS管开封后SEM形貌

图7. 2#MOS管开封后SEM形貌

7. 去层分析

7.1 去表面金属层

为确认芯片内部是否存在其他异常，利用化学药水去除1#MOS芯片表面的金属层，观察内部晶胞形貌。

观察结果显示：内部小单元晶胞存在击穿、熔融的现象，击穿熔融周边伴随着裂纹产生。

图8. 1#MOS管去表面金属层后形貌

7.2 去介质层

为确认失效的1#MOS管Si衬底是否存在其他缺陷，去除内部介质层后观察衬底形貌。

观察结果显示：1#MOS管Si衬底只存在熔融现象，未发现由外围延伸到内部的裂纹、破损等异常。

图9. 1#MOS管去介质层后形貌

以上测试结果说明：MOS管失效的原因为内部存在击穿熔融烧毁的现象，从形貌上判断应属于过压击穿。

三、总结分析

MOS管在测试阶段出现漏电失效，经过外观检查、失效现象确认、无损分析、开封观察、定位分析、SEM形貌观察、去层分析等测试后发现：

（1）外观检查未发现失效的MOS管存在裂纹、破损等异常，与旁边的2#MOS管外观形貌基本一致，因此可排除因受外力导致的失效；

（2）通过半导体特性测试，确认失效MOS管引脚间都存在漏电现象；

（3）X-ray检查、超声扫描等无损分析未发现失效MOS管内部存在键合断裂、分层等异常现象，因此MOS管失效可排查因物料封装缺陷导致的失效；

（4）开封观察未发现失效MOS管芯片表层存在明显烧毁的现象，通过定位分析确认失效MOS漏电点主要集中在芯片上边沿部位；通过对漏电位置的SEM形貌观察发现漏电附近有金属层存在裂纹；

（5）通过去除失效MOS管表面的金属层以及介质层确认失效MOS管漏电位置存在击穿熔融的现象，这是MOS管漏电失效的原因。失效MOS管击穿熔融位置的形貌表现为范围小、击穿现象轻微，这种形貌应是短时的过压击穿后形成的。

四、结论与建议

MOS管失效的原因为承受了短时的过电压导致的引脚间漏电。

改善建议

1. 排查MOS管供应电路是否有过压现象；

2. 做好物料、PCBA的静电防护。

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