Применение конечно-элементного анализа при исследовании тока утечки затвора транзистора

Основными задачами, стоящими перед разработчиками новых корпусов для электронных компонентов, являют­ся обеспечение низкой стоимости, небольших размеров и высокой надежности компонентов. Для оптимизации этих характеристик была проделана большая работа с использо­ванием метода конечно-элементного анализа. В процессе этой работы было исследовано влияние различных факто­ров на ток утечки затвора транзистора.

А. Мельниченко

Контроль тока утечки “затвор-исток” имеет боль­шое значение в процессе производства мощных по­левых транзисторов. Повышенный ток утечки может повлечь за собой увеличение рассеиваемой мощно­сти и, как следствие, сокращение срока службы тран­зистора.

Измерение тока утечки происходит при подаче напряжения между выводом затвора и соединенными вместе выводами стока и истока транзистора. Из-за необходимости заряда входной емкости мощных транзисторов длительность цикла проверки тока утечки может оказаться сравнительно большой. Боль­шинство мощных транзисторов имеют структуру DMOS (Double-Diffused Metal-Oxide Semiconductor) (рис. 1). Емкости “затвор-исток” и “затвор-сток” могут оказывать влияние на точность измерения тока утеч­ки, особенно при значении тока порядка десятков на­ноампер.

Рис. 1. Структура DMOS-транзистора

На величину тока утечки оказывают влияние и характеристики корпуса, как-то: изгибы проводников, дефекты выводной рамки, а также свойства эпоксидного компаунда, из которого сделан кор­пус. Ниже рассмотрено влияние каждого из этих факторов.

При изготовлении компаунда используются, в ос­новном, следующие составляющие: органическая (эпоксидная) смола, наполнитель, катализатор, кра­сящие вещества. Могут быть добавлены также пла­мезамедляющие вещества, активаторы адгезии и вещества для снятия механических напряжений. Состав компаунда сбалансирован для оптимизации его характеристик. Поэтому изменение свойств лю­бой из составляющих оказывает влияние на величи­ну тока утечки и должно быть скомпенсировано соот­ветствующим изменением свойств другой составля­ющей.

Принято считать, что основной причиной отказов (механического, электрического и т.д.) является влажность. Однако при этом свойства вывода затво­ра, формируемого как в процессе изготовления крис­талла, так и в процессе его монтажа, до недавнего времени не были проанализированы достаточно глу­боко.

Для исследования тока утечки затвора была по­строена нелинейная конечно-элементная модель на основе корпуса JEDEC TO220, а кристалл скомпоно­ван из изолирующих слоев и площадок. Было иссле­довано влияние на ток утечки следующих четырех факторов:

• удельного сопротивления эпоксидного компаунда
• изгибов проводников
• дефектов выводной рамки
• структуры пограничной области между компаун­дом и кристаллом.

Напряжение между затвором и соединенными вместе стоком и истоком было принято равным 28 В.

Рис. 2. Распределение потенциала между затвором и стоком снаружи (a) и внутри (б) корпуса транзистора

На рис. 2 показано распределение потенциала между затвором и остальными выводами снаружи и внутри корпуса.

Удельное сопротивление эпоксидного ком­паунда. Удельное сопротивление эпоксидного ком­паунда оказывает наибольшее влияние на величину тока утечки. При уменьшении удельного сопротивле­ния компаунда от 1015 до 1010 Ом мм ток затвора увеличивается линейно, достигая значения примерно 200 нА. Обычно на практике удельное сопротивление компаунда составляет порядка 1015 Ом^мм, при этом ток утечки равен примерно 0.02 нА.

Изгибы проводников. Сравнительные измере­ния тока затвора показали, что изгибы проводников практически не влияют на его величину. В процессе моделирования было обнаружено, что ток утечки кон­центрируется, главным образом, в двух областях: снаружи корпуса – между выводами затвора и стока, а внутри корпуса – между компаундом и кристаллом.

Дефекты выводной рамки. Наиболее распрост­раненный дефект выводной рамки – уменьшение рас­стояния между выводами затвора и стока. В результа­те моделирования оказалось, что при уменьшении рас­стояния вдвое относительно номинального значения величина тока затвора практически не меняется. Оче­видно, основной путь тока утечки находится внутри корпуса, точнее – на границе кристалла и компаунда.

Пограничная область между компаундом и кристаллом. Структура пограничной области между компаундом и кристаллом достаточно сложна. Здесь могут образовываться физические и химические свя­зи между компаундом и поверхностью кристалла. Среди различных факторов, оказывающих влияние на ток утечки, наиболее важными являются влажность, а также свойства зоны кристалла между затвором и ис­током, выполняющей функцию электрической изоля­ции. В условиях высокой влажности резкое повыше­ние температуры может вызвать отказ компонента. В процессе заключительного тестирования темпера­тура кристалла может повыситься на 30-40 °С за время порядка 0.1 с. Из-за различия коэффициентов температурного расширения кристалла и компа­унда возникающие при действии влаги механические напряжения в пограничном слое могут выз­вать излом слоя пассивирования кристалла (рис. 3) и, как след­ствие, увеличение тока утечки. Кроме излома кристалла влаж­ность может также стать причи­ной электрохимической корро­зии в пограничном слое, что при­ведет к уменьшению его удель­ного сопротивления.

Толщина затвора составляет несколько микрон, поэтому загрязнения, изначально присутствующие в компаунде или привнесенные в процессе изготовле­ния компонента, могут существенно уменьшить со­противление между затвором и истоком. Произойти это может как при изготовлении кристалла, так и в процессе его монтажа, но обнаружить это неразру­шающими методами невозможно, так как при любом методе вскрытия корпуса нарушается пограничный слой между компаундом и кристаллом.

Рис. 3. Трещина в слое пассивирования кристалла транзистора

Заключение

Влияние физических процессов, происходящих в пограничной области между компаундом и кристал­лом, на величину тока утечки многими осознано еще не полностью. В результате конечно-элементного анализа появляется возможность найти причину уве­личения тока утечки и пути ее устранения. Результаты анализа показывают, что ток утечки изменяется про­порционально изменению удельного сопротивления компаунда. Изгибы проводников и дефекты выводной рамки не оказывают существенного влияния на вели­чину тока утечки. Эти выводы сделаны в предположе­нии, что путь тока утечки пролегает внутри корпуса компонента, главным образом в пограничном слое между компаундом и кристаллом.