引言

MOS管是金屬(metal)-氧化物(oxide)-半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，作為電壓驅(qū)動(dòng)大電流型器件，大量應(yīng)用于電路尤其是動(dòng)力系統(tǒng)中。本文以MOS管漏電失效為例，通過形貌觀察、無損分析、開封觀察、定位分析、SEM形貌觀察、去層分析等測(cè)試方法，分析其失效原因，并提出改善建議。

一、案例背景

產(chǎn)品在測(cè)試階段通過萬用表測(cè)試發(fā)現(xiàn)PCBA上MOS管漏電失效，現(xiàn)進(jìn)行分析，查找其失效原因。

二、分析過程

1. 外觀檢查

對(duì)失效PCBA上MOS管進(jìn)行外觀檢查；觀察結(jié)果顯示：失效PCBA上1#MOS管外觀無明顯的裂紋、破損等異常，與旁邊的2#MOS管無明顯差異。

2. 失效現(xiàn)象確認(rèn)

為確認(rèn)失效PCBA上1#MOS管是否存在明顯的漏電現(xiàn)象，對(duì)比測(cè)試2#MOS管與1#MOS管引腳間的半導(dǎo)體特性，發(fā)現(xiàn)1#MOS管引腳間都存在明顯的漏電現(xiàn)象。

圖1. MOS管引腳間半導(dǎo)體特性曲線

3. 無損分析

為確認(rèn)失效1#MOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)、封裝是否存在明顯缺陷，取下1#、2#MOS管利用X-ray、超聲掃描對(duì)其進(jìn)行無損分析。

無損分析結(jié)果顯示：失效的1#MOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，鍵合絲未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂跡象；超聲掃描未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部封裝有分層現(xiàn)象，可排除因內(nèi)部金屬遷移導(dǎo)致的漏電失效。

圖2. 1#、2#MOS管X-ray檢查形貌

圖3. MOS管超聲掃描形貌

4. 開封觀察

為確認(rèn)失效1#MOS管內(nèi)部是否存在明顯燒毀現(xiàn)象，對(duì)1#、2#MOS管進(jìn)行開封觀察。

觀察結(jié)果顯示：1#MOS管表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋、破損、燒毀等明顯異常，與2#MOS管表面形貌基本一致。

圖4. 1#、2#MOS管開封后形貌

5. 定位分析

前面分析可知：1#MOS管存在漏電現(xiàn)象，為確認(rèn)1#內(nèi)部的漏電位置，利用OBIRCH定位技術(shù)對(duì)1#內(nèi)部的漏電位置進(jìn)行定位分析。

定位結(jié)果顯示：1#MOS管存在異常亮點(diǎn)，亮點(diǎn)主要集中在晶圓上邊沿，如圖所示。

圖5. 1#MOS定位形貌

6. SEM形貌觀察

為確認(rèn)1#MOS管漏電的可能原因，利用電子掃描顯微鏡對(duì)1#MOS管異常亮點(diǎn)周邊位置進(jìn)行SEM形貌觀察。

開封結(jié)果顯示：1#MOS管異常亮點(diǎn)位置的金屬層存在裂紋，因金屬層覆蓋，芯片內(nèi)部是否存在其他缺陷需進(jìn)一步確認(rèn)。

圖6. 1#MOS管開封后SEM形貌

圖7. 2#MOS管開封后SEM形貌

7. 去層分析

7.1 去表面金屬層

為確認(rèn)芯片內(nèi)部是否存在其他異常，利用化學(xué)藥水去除1#MOS芯片表面的金屬層，觀察內(nèi)部晶胞形貌。

觀察結(jié)果顯示：內(nèi)部小單元晶胞存在擊穿、熔融的現(xiàn)象，擊穿熔融周邊伴隨著裂紋產(chǎn)生。

圖8. 1#MOS管去表面金屬層后形貌

7.2 去介質(zhì)層

為確認(rèn)失效的1#MOS管Si襯底是否存在其他缺陷，去除內(nèi)部介質(zhì)層后觀察襯底形貌。

觀察結(jié)果顯示：1#MOS管Si襯底只存在熔融現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)由外圍延伸到內(nèi)部的裂紋、破損等異常。

圖9. 1#MOS管去介質(zhì)層后形貌

以上測(cè)試結(jié)果說明：MOS管失效的原因?yàn)閮?nèi)部存在擊穿熔融燒毀的現(xiàn)象，從形貌上判斷應(yīng)屬于過壓擊穿。

三、總結(jié)分析

MOS管在測(cè)試階段出現(xiàn)漏電失效，經(jīng)過外觀檢查、失效現(xiàn)象確認(rèn)、無損分析、開封觀察、定位分析、SEM形貌觀察、去層分析等測(cè)試后發(fā)現(xiàn)：

（1）外觀檢查未發(fā)現(xiàn)失效的MOS管存在裂紋、破損等異常，與旁邊的2#MOS管外觀形貌基本一致，因此可排除因受外力導(dǎo)致的失效；

（2）通過半導(dǎo)體特性測(cè)試，確認(rèn)失效MOS管引腳間都存在漏電現(xiàn)象；

（3）X-ray檢查、超聲掃描等無損分析未發(fā)現(xiàn)失效MOS管內(nèi)部存在鍵合斷裂、分層等異?，F(xiàn)象，因此MOS管失效可排查因物料封裝缺陷導(dǎo)致的失效；

（4）開封觀察未發(fā)現(xiàn)失效MOS管芯片表層存在明顯燒毀的現(xiàn)象，通過定位分析確認(rèn)失效MOS漏電點(diǎn)主要集中在芯片上邊沿部位；通過對(duì)漏電位置的SEM形貌觀察發(fā)現(xiàn)漏電附近有金屬層存在裂紋；

（5）通過去除失效MOS管表面的金屬層以及介質(zhì)層確認(rèn)失效MOS管漏電位置存在擊穿熔融的現(xiàn)象，這是MOS管漏電失效的原因。失效MOS管擊穿熔融位置的形貌表現(xiàn)為范圍小、擊穿現(xiàn)象輕微，這種形貌應(yīng)是短時(shí)的過壓擊穿后形成的。

四、結(jié)論與建議

MOS管失效的原因?yàn)槌惺芰硕虝r(shí)的過電壓導(dǎo)致的引腳間漏電。

改善建議

1. 排查MOS管供應(yīng)電路是否有過壓現(xiàn)象；

2. 做好物料、PCBA的靜電防護(hù)。

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