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场效应管静电失效与防护措施研究

文档作者：王殿湘 1,任西 2,杨洁 2,赵力甦 2,韩克华文档来源： 2 1.海军驻西安弹药工程 2.陕西应用物理化学研究所,		点击数：	更新时间： 2021年10月14日
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电子质量（2016 第07 期）
场效应管静电失效与防护措施研究
Study on the MOSFET Failure and Protection to Electrostatic Discharge
王殿湘 1,任西 2,杨洁 2,赵力甦 2,韩克华（2 1.海军驻西安弹药工程
代表室,陕西西安710061;2.陕西应用物理化学研究所,陕西西安
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：针对某产品中场效应管IRF840 参数超标问题，通过理论分析和试验验证，IRF840 失效机理为：
G-S 间遭受ESD，引起栅氧化层局部损伤，造成G-S 间漏电流增大，绝缘电阻大大下降，参数超标。从人
体静电防护、焊接工艺完善、器件加固设计等方面提出了改进措施，有效防止ESD 对产品的损伤。
关键词：场效应管；失效；静电放电；措施
中图分类号：TN386.1 文献标识码：A 文章编号：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
作者简介：王殿湘(1962-)，男，高级工程师，海军高级质量审核员，从事弹药技术管理工作。
0 引言
场效应管(MOSFET)属于电压控制型半导体器件，具
有击穿电压高、导通电流大、驱动电流小和响应时间快
等优点，常用于功率放大、电源变换、电机驱动等电路
中。另一方面，基于MOSFET 的芯片结构，其属于静电敏
感器件，设计、使用不当，易受静电放电的不良影响，因
此应引起设计、使用人员足够的重视。
1 故障现象
某产品中使用场效应管(MOSFET，IRF840)进行电
源变换，电路原理图如图1 所示。成品检验中发现4 个
产品的栅极- 源极(G-S 间)驱动电流技术指标超差，但
产品功能正常。图1 中，12V+，12V-，SWD1 通过接插件
与外部连接，实现电源与激励信号的输入。
图1 产品电路原理图
2 MOSFET 失效模式与机理
IRF840 是一种MOSFET 器件(主要性能参数如表1
所示)，MOSFET 属于电压控制型半导体器件，输入阻抗
高，驱动电流小，驱动电压2~15V，便于数字器件、光耦
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电子质量（2016 第07 期）
表1 IRF840 主要工作参数
的控制。装机的200 只管子，在使用之前，利用晶体管测
试仪对IRF840 的漏- 源击穿电压(V (BR)DSS)、饱和漏源电
流(IDSS)、栅- 源阈值电压(VGS(th))等参数进行了测试，参数
全部合格[1]。
漏- 源击穿电压
V(BR)DSS(V)
栅- 源电阻
RGS(MΩ)
最大漏级通态
电流ID(A)
栅- 源阈值电压
VGS(th)(V)
开启时间toff(ns) 关断时间ton(ns)
≥500 >10 8 2~4 40 70
对失效的4 只管子委托771 所半导体失效分析中
心完成失效分析。
第一步，对失效管子进行特性曲线测试，测试仪器
为QT-2 晶体管图示仪和371B 测试仪。根据失效管子
电参数结果判断，4 只管子的栅极漏电流全部不合格，
但没有出现完全失效现象，因此初步判断栅极受到损
伤。管子失效模式为：栅- 源漏电流参数超差。
第二步，对失效管子开帽后，在显微镜下观察，场
效应管内部键合及粘片良好，管芯表面未见异常，但随
着损伤程度的不同，与栅极相连的铝条有一处或多处
击穿点。
第三步，对正常的管子进行了静电放电(ESD)试验
(按GJB128A“半导体分立器件试验方法”中的1020 方
法)。通过试验发现，当静电电压在1000V 以下时，管子
栅极未发生损伤；静电电压施加至1500V 时，管子栅极
发生轻微损伤，G-S 间电阻下降到3kΩ；当电压增加到
2000V 时， 管子栅极发生损伤，G-S 间电阻下降到
0.6kΩ，2 只管子的电阻与前述失效IRF840 的G-S 间
阻值相当。经开帽分析，管芯中栅极的铝桥有局部击穿
点，表明栅极有大电流通过，归结为静电类应力击穿。
通过ESD 模拟试验，复现了同样的故障现象，据此
分析，管子失效机理为：栅极- 源极遭受静电放电，引起
栅氧化层局部损伤，造成栅极- 源极间绝缘电阻大大下
降，漏电流增大，参数超标。此外，此次管子失效是属于
潜在性的，引起电路性能的退化，并最终影响产品的预
期寿命。
按GJB128A“半导体分立器件试验方法”中的1020
方法，根据器件可耐受的静电放电阈值，将器件分为三级：
①一级：0~2kV；②二级：2~4kV；③三级：4~16kV
在防静电措施上，一级器件应作重点控制，二级
器件作一般控制，抗16kV 器件被认为是非静电敏感
器件[2]。
MOSFET 为静电敏感度一级，耐受静电电压：≤
2kV，一般生产环节的静电防护电压上限为500V，因此，
500V 以上的ESD 有可能造成MOSFET 栅极意外损伤。
此外，根据产品使用手册，IRF840 焊接时应采用S→
D→G 的顺序，焊接温度260℃、10 秒或者350℃、3 秒。
使用接地烙铁或者用变压器降低电压，最好将烙铁头接
地使其不会出现泄漏电流。
3 MOSFET 静电防护措施
3.1 人体静电防护
在产品生产过程中，产品需要反复过手、搬运(拷
机、应筛、存放等环节)，这些环节当中产生的人体静电
可能直接或间接作用于产品，也就是对MOSFET 形成静
电放电，因此静电防护不当极易造成MOSFET 的损伤。
依据相关资料提供的数据表明[3](如表2 所示)，即使
操作人员穿着良好的防静电服装，依然会形成最高
3.5kV 的人体静电，因此未经静电泄放，操作人员不能直
接碰触静电敏感器件。
表2 着不同鞋袜人体静电电位(/kV)
工作服静电位赤脚尼龙袜薄毛袜导电袜
橡胶底运动鞋20.0 19.0 1.0 20.0
新皮鞋5.0 8.5 7.0 6.0
防静电鞋2.0 4.0 3.0 3.5
IRF840 属于静电敏感器件，为防止隐患发生，须要
对产品在测试、转运及储存等环节中加强静电防护，严
格遵守操作规程，在此过程中，凡是接触产品的所有人
员，应佩戴防静电腕带，穿戴防静电工作服，防静电鞋
帽，避免静电可能对IRF840 栅极造成的破坏[4]。
3.2 焊接工艺改进
在印制板焊接时，IRF840 按照S→D→G 的顺序进
行焊接。同时应使用接地烙铁或者用变压器降低电压，
最好将烙铁头接地使其不会出现泄漏电流。焊接温度
260℃、10 秒或者350℃、3 秒。
3.3 MOSFET 抗静电加固设计
为防止ESD、瞬态过压对IRF840 的损伤，根据厂方
提供的使用建议，从以下两个方面加强管子的ESD 保
护电路设计：(1)瞬态电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor
Diode)简称TVS 器件，在规定的反相应用条件
下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗
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能立即降低值很低的导通值，允许大电流通过，并将电
压箝制到预定水平，从而有效地保护精密元器件免受损
坏。TVS 能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，箝位响应
时间仅为皮秒级[5]。选用振华集团永光电子有限公司生
产(国营873 厂)的TVS，型号BSYP6KE15A，并接在管子
的G-S 之间，将IRF840 栅极电压箝位在12V，低于20V
的极限栅极电压，有效防止过压、静电对栅极造成的破
坏。(2)压敏电阻的响应速度很快，在纳秒时间内迅速呈
现优良的非线性导电特性，此时压敏电阻两端电压迅速
下降，远小于过电压，这样被保护设备或元器件上的实
际承受的电压就远低于过电压，从而使设备或元器件免
遭过电压的冲击[6]。选用了深圳振华富电子有限公司的
压敏电阻，型号：CV2012S140C700，并接在管子的G-S
之间，将极限栅极电压限制在20V 以下。
采取这两种保护措施后，从设计上有效防止了ESD
对管子栅极的潜在危害。
4 结论
通过理论分析和试验验证，IRF840 失效机理为：
G-S 间遭受ESD，引起栅氧化层局部损伤，造成G-S 间
漏电流增大，绝缘电阻大大下降，参数超标。根据产品使
用情况，从人体静电防护、焊接工艺完善、器件加固设计
等方面提出了改进措施，有效防止ESD 对产品的损伤。
参考文献：
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北京:电子工业出版社,2005.
[5]产品手册[S].贵阳:中国振华集团永光电子有限公司,
2012.
[6]产品手册[S].深圳:深圳振华富电子有限公司,2013.
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4 总结
GB/T 17618-2015 经过标准变更，试验项目没有增
加，试验等级没有更严酷，但是许多试验细节部分的变
更非常重要，完善了信息技术设备电磁兼容抗扰度试
验的要求，需要电磁兼容试验人员详细研读，对于信息
技术设备的生产设计人员的设计和整改过程也非常有
必要。
参考文献：
[1]GB/T17618-2015.信息技术设备抗扰度限值和测量方
法[S].
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[5]陈立辉.电磁兼容(EMC)设计与测试之信息技术设备
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