Выходы из строя полевых транзисторов и как они выглядят
В своё время нам необходимо было разобраться с систематическими выходами из строя одного преобразователя. Повреждение кристаллов транзисторов выглядели одинаково, но причину никак не удавалось определить. Пробовали понять причину и исходя из характера повреждений кристаллов, но, к своему удивлению, мы не нашли в интернете практически никакой информации о том, как выглядят кристаллы при том или ином выходе из строя. Сейчас, обладая уже собственным материалом на эту тему, было решено поделиться наработками в данной области и кратко рассказать/показать читателю, как выглядит выход из строя полевого транзистора. Возможно, эта статья будет полезна разработчику в его нелёгких поисках причины отказов преобразователя.
Нижеследующая информация основывается исключительно на практическом опыте эксплуатации преобразователей, а фотографии кристаллов – из приборов, отказавших у потребителя или в процессе наших испытаний. Транзистор – КП793, т.е. MOSFET, но и для IGBT-транзистора текст был бы точно такой же, да и вышедшие из строя кристаллы MOSFET и IGBT выглядят одинаково. Информация краткая, практически тезисная. Приведены описание повреждения, физический процесс (механизм) выхода из строя, внешняя причина такого отказа и типовые ситуации (режимы), в которых отказывает транзистор. В конце – общие рекомендации по устранению, разумеется, без общих фраз, вроде снизить нагрузку, поставить другой транзистор, мощнее и т.п. В общем, материал для общего развития.
Выход из строя по перенапряжению
Характеризуется локальным пробоем (замыканием) стока-истока, т.е. в кристалле образуется вертикальный токопроводящий канал. Внешне выглядит как точка (рисунок 2, верхний левый угол), в остальном кристалл «целый». Впрочем, такой «чистый» выход по перенапряжению – редкость; как правило, после потенциального пробоя возникает ударный ток, и кристалл получает уже более существенные повреждения.
Физический процесс: между стоком и истоком очень небольшой зазор, величина которого, по сути, и определяет пробивное напряжение транзистора. Если напряжение сток-исток становится достаточным, для преодоления зазора, то, что ожидаемо, образуется «искра», которая локально спекает сток с истоком.
Причина: индуктивные выбросы недопустимой для транзистора амплитуды.
Ситуации: останов электродвигателя, запуск импульсного трансформатора под ёмкостной нагрузкой.
Устранение: уменьшение амплитуды выброса и/или его активное ограничение, т.е. установка снабберных цепей и, в частности, супрессора, увеличение номинала затворного резистора.
Выход из строя в жёстком режиме переключения
Выглядит как «побежалость» по кристаллу. При чём в отличии от токового пробоя, который всегда локализуется в области истоковых разварок, данные повреждения могут быть где угодно. Это принципиальное отличие от токового выхода из строя. На рисунке 3 – область между истоковой разваркой и затвором. Часто бывает в районе затвора, не касаясь силовых разварок истока, так же часто по углам кристалла, т.е. вообще не связанно с затвором или с разварками. В общем, локально почти где угодно площадью от нескольких мм2 до см2.
Физический процесс. Известно, что кристалл транзистора состоит из множества параллельно включённых относительно маломощных транзисторов. В жёстком режиме переключения, характеризующимся большим током и напряжением сток-исток в периоды включения/выключения, а главное – большой скорость нарастания этого тока и/или напряжения, не все транзисторы успевают включиться/выключиться одновременно. Наиболее «быстрые» (локализация по кристаллу, соответственно, ближе к затвору), или транзисторы, на которые приходит главный токовый удар (в районе истоковых разварок), или в какой-то степени «дефектные» транзисторы (углы, края кристалла) получают наибольшую пиковую мощность; ещё до того, как эта мощность успела распределиться по все транзисторам кристалла. И если все транзисторы такую мощность выдержали бы (если бы было достаточно времени на распределения тока по всему кристаллу), то часть этих транзисторов такую мощность выдержать не могут. Как следствие – пробой локальных областей.
Причина: недопустимый di/dt в жёстком режиме переключения.
Ситуации: зачастую непредсказуемо, «беспричинно», в любых режимах (в т.ч. на холостом ходу) и на любых этапах испытаний/эксплуатации.
Устранение: снижение скорости di/dt за счёт увеличения номинала затворного резистора.
Выход из строя по току
Выглядит как выгорание истоковой области в районе разварок. В зависимости от длительности воздействия и амплитуды тока размер повреждения может быть самым разным. При кратковременном воздействии – небольшая область под разваркой, сток и исток закорочены (спекание), как на рисунке 4. Если ток не был прерван, то спекшиеся сток-исток продолжают греться, по причине остаточного омического сопротивления, и выгорают полностью. В этом случае между стоком и истоком будет обрыв, как показано на рисунке 5. Если ток был очень большим и протекал за малое время, то транзистор успевает сгореть полностью ещё до образования обрыва сток-исток. Характерны следы взрыва, испарение разварочных проволок, полное сгорание кристалла. Яркий представитель – кристалл на рисунке 6.
Физический процесс: недопустимая плотность тока для данного транзистора. И т.к. плотность тока всегда наибольшая под разварками, то и выгорание всегда начинается именно от разварок. При этом здесь не выделяется отдельная причина как перегрев. Не в плане внешнего нагрева кристалла (отпаивание, окисление и т.п.), а в плане одновременного воздействия тока и температуры. Выход из строя по перегреву – это, на самом деле, тот же токовый пробой. С ростом температуры допустимый ток транзистора снижается и если при нормальных условиях транзистор ещё справлялся с коммутируемым током, то на повышенной температуре справиться уже не может. Т.е. повышается температура – снижается ток выхода транзистора из состояния насыщения. В итоге всё тот же выход из строя по току. Но и с другой стороны выход из строя по току – это всегда перегрев; энергия такой величины, которую кристалл не может рассеять. В общем, температура и ток, в контексте выхода из строя, это две стороны одной медали.
Причина: недопустимый ток для данной температуры эксплуатации. Можно выделить две «под причины»: перегрев и ударный ток.
Ситуации: выход из строя непосредственно при включении преобразователя (пусковые токи) или через относительно длительное время работы под нагрузкой (перегрев).
Устранение: уменьшение нагрузки внешними цепями (управление, ограничение тока, снижение выходного тока) или улучшение теплоотвода. Непосредственно схемными решениями данные выходы из строя не устранимы.
Рисунок 1 – Годный кристалл
Рисунок 2 – Выход из строя по перенапряжению
Рисунок 3 – Выход из строя в жёстком режиме переключения
Рисунок 4 – Выход из строя по току (кратковременный)
Рисунок 5 – Выход из строя по току (длительный)
Рисунок 6 – Выход из строя по току (ударный неограниченный)
Из вышесказанного логично обозначить ровно три причины выхода из строя транзистора с полевым управлением в реальном преобразователе: слишком большое напряжение, слишком большой ток или слишком большая скорость нарастания этого тока. Конечно, если говорить о других причинах выхода из строя кристалла, то существует пробой затвора перенапряжением, выход из строя обратного диода для MOSFET-транзистора (который, к слову, не отличается от выхода из строя сток-исток), механические повреждения кристалла, в т. ч. при его некорректной пайке, появления микротрещин в результате термоциклирования и т.п. Однако, такие выходы из строя относительно редки, просты в своей идентификации, а потому о них и не говорилось. В остальном же всё, что интересно было бы узнать практику, надеюсь, сказано.
