Утечка транзистора

Когда говорят об утечке транзистора, многие сразу думают о цифровых микросхемах или низковольтных цепях. Но в силовой электронике, особенно в высоковольтных приложениях, эта проблема проявляется иначе — она не всегда связана с катастрофическим отказом, а скорее с постепенным ухудшением параметров, которое сложно отследить на этапе приемочных испытаний. Часто винят перегрев или перегрузку, но корень может лежать в технологических нюансах самого кристалла. В OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий мы сталкиваемся с этим при отработке технологических процессов для MOSFET и биполярных транзисторов — казалось бы, параметры по даташиту в норме, но в реальной схеме, под напряжением 600В и выше, начинает 'плыть' пороговое напряжение или растет ток утечки в закрытом состоянии. Это не дефект в классическом понимании, а скорее следствие неидеальности пассивации поверхности или микродефектов в эпитаксиальном слое. Инженеры, привыкшие работать с готовыми модулями, часто упускают этот момент, списывая всё на внешние наводки или плохую разводку платы.

От теории к практике: где прячется утечка

В лаборатории в Жугао мы много разбирали отказы, пришедшие с полевых испытаний. Классический случай: в импульсном источнике питания на основе наших MOSFET после нескольких тысяч часов работы на горячем стенде (температура корпуса стабильно 85°C) начался рост энергопотребления в режиме standby. Осциллограф показывал нормальную форму сигналов, КПД на номинальной нагрузке не упал — всё выглядело прилично. Но тепловизор выявил аномальный нагрев одного конкретного транзистора в ключевом каскаде, причем не на стоке или истоке, а в районе корпуса ближе к затвору. Замена на аналогичный экземпляр из той же партии временно решала проблему. После декапсуляции и анализа под микроскопом (а у нас в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий своя лаборатория дефектоскопии) находили микротрещины в пассивирующем слое над краем затвора — видимо, термоциклирование в сочетании с высоким dv/dt приводило к постепенной деградации. Это не массовый брак, а именно технологический вызов: как добиться равномерности напыления защитных слоев на краях топологии кристалла, особенно когда речь идет о планарных MOSFET с напряжением 800В и выше.

Ещё один нюанс — зависимость от температуры. В даташитах обычно указывают утечку транзистора при 25°C и максимум при 125°C. Но в реальности кристалл редко нагревается равномерно. Локальные перегревы, вызванные, например, неидеальным прилеганием кристалла к подложке или микроскопическими пустотами в припое, создают 'горячие точки'. Именно в этих точках генерация носителей заряда идет активнее, и ток утечки может нарастать нелинейно. Мы это отслеживали на стендах для тестирования TVS-диодов и тиристоров — приборах, которые тоже, по сути, являются полупроводниковыми структурами с p-n переходами. Проблема в том, что стандартные тесты на 'горячей пластине' не всегда воспроизводят такой неравномерный нагрев. Приходится разрабатывать собственные методики стресс-тестирования, имитирующие реальные условия в силовых модулях, которые мы поставляем, например, для промышленных выпрямителей.

Иногда причина кроется даже не в самом транзисторе, а в сопутствующей обвязке. Был проект с высоковольтным кремниевым столбом, где требовалась минимальная обратная утечка. Схема работала, но общий ток покоя был выше расчетного. Долго искали проблему в самих столбах, пока не обратили внимание на цепь смещения затвора полевого транзистора, который управлял этим столбом. Там стоял высокоомный резистор, и его собственные шумы и микропробои (вызванные влагой в некачественном лаковом покрытии) создавали паразитный путь для тока. Замена на резисторы в керамическом корпусе решила вопрос. Вывод: утечка транзистора — это часто системная проблема, и изолированное тестирование компонента может не выявить истинной причины.

Технологические ловушки при производстве

На нашем производстве в провинции Цзянсу ключевой фокус — это отработка технологических процессов. И здесь как раз кроются основные риски. Возьмем, к примеру, процесс плазмохимического травления при формировании затворной структуры. Малейшее отклонение в рецептуре газа или мощности плазмы может привести к образованию заряженных дефектов на боковых стенках кремниевой канавки. Эти дефекты работают как центры генерации-рекомбинации и становятся каналом для поверхностной утечки. В режиме постоянного смещения она может быть незначительной, но в импульсном — особенно с короткими фронтами — начинает вносить заметные потери. Мы настраивали этот процесс для серии быстровосстанавливающихся диодов, и пришлось перебрать несколько вариантов пассивации (оксид, нитрид, их комбинации), чтобы найти баланс между скоростью восстановления и стабильностью параметра Igs (ток утечки затвор-исток) у сопряженных MOSFET.

Другой больной вопрос — контроль чистоты материалов. Кремниевые подложки, конечно, берутся у проверенных поставщиков, но даже следы металлических примесей (медь, золото) на уровне ppb (частей на миллиард) могут мигрировать вглубь структуры при высокотемпературных операциях, таких как диффузия или отжиг. Они создают глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, которые и служат 'мостиками' для обратного тока. У нас был эпизод с партией импульсных диодов, где утечка в обратном смещении росла скачкообразно при повышении температуры с 70° до 90°C. Анализ методом DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) показал наличие именно таких примесных центров. Пришлось ужесточить входной контроль подложек и ввести дополнительную операцию геттерирования (поглощения примесей) на тыльной стороне пластины. Это увеличило себестоимость, но стабилизировало параметры для критичных применений, например, в цепях защиты ESD.

Нельзя забывать и про упаковку. Герметизация в пластиковый корпус (например, TO-220 или DPAK) — это не просто механика. Разные коэффициенты теплового расширения пластика, медной рамки вывода и кремниевого кристалла создают механические напряжения. Со временем, под воздействием влажности и термоциклирования, эти напряжения могут привести к микроотслоениям или трещинам в области контакта алюминиевой разводки кристалла с выводной рамкой. Контакт формально есть, но его сопротивление растет, локально повышается температура, и это провоцирует рост утечки. Для высоконадежных применений мы часто рекомендуем клиентам, которые заказывают у нас диодные мосты или тиристоры по индивидуальным спецификациям, рассматривать варианты в металлокерамических корпусах, особенно если речь идет о работе в агрессивных средах или при больших перепадах температур.

Опыт отладки в реальных схемах

В практике поддержки клиентов OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий часто приходят запросы, которые на первый взгляд не связаны с утечкой. Например, 'нестабильность порога срабатывания' в схеме защиты на стабилитроне или TVS-диоде. Начинаешь разбираться, а оказывается, что параллельно защитному диоду стоит полевой транзистор для управления нагрузкой, и у него повышенный Igss (ток утечки затвор-исток). Этот ток, протекая через делитель в цепи затвора, создает дополнительное падение напряжения и смещает рабочую точку. В цифровых схемах с высоким импедансом это особенно критично. Решение может быть простым — поставить резистор с меньшим номиналом (но тогда возрастут потери на управление) или выбрать транзистор с другим технологическим исполнением канала. Мы для таких случаев держим на складе в Жугао партии MOSFET с гарантированно низким Igss, хотя их цена на 10-15% выше стандартных.

Ещё один поучительный случай из области силовых преобразователей. Клиент жаловался на низкий КПД в режиме малой нагрузки в обратноходовом преобразователе. Все расчеты по потерям на ключе и трансформаторе сходились. При детальном анализе осциллограмм обнаружили небольшой 'горб' тока на фронте включения силового MOSFET. Оказалось, что паразитная емкость Cgd (емкость затвор-сток) Миллера перезаряжалась не только драйвером, но и частично через канал утечки самого транзистора в момент, когда напряжение на стоке еще высокое, а затвор уже начал открываться. Это создавало кратковременный сквозной ток, который не попадал в стандартные модели потерь. Проблему решили подбором драйвера с более крутым фронтом и чуть более высоким выходным током, чтобы пересилить этот паразитный эффект. Но сам факт — что утечка транзистора может динамически влиять на переключение — стал для нас важным наблюдением при разработке рекомендаций по применению наших компонентов.

Иногда помогает простой, но трудоемкий метод — построение 'карты' параметров внутри партии. Мы как-то взяли партию в 1000 штук биполярных транзисторов, предназначенных для линейных стабилизаторов, и замерили у каждого обратный ток коллектора (Iсbo) при трех температурах: 25°C, 75°C и 100°C. Не просто на соответствие даташиту, а построили распределение. Оказалось, что распределение не нормальное, а бимодальное — основная масса транзисторов имела отличные параметры, но была небольшая группа (около 2%) с параметрами на грани допуска, причем их утечка росла с температурой намного круче. Эти 2% и были причиной редких, но стабильно возникающих отказов в устройствах с плохим теплоотводом. После этого мы внедрили выборочный термоциклический тест для 100% продукции в критичных сериях, например, для тех же высокоэффективных диодов Шоттки, используемых в солнечных инверторах.

Взгляд в будущее: материалы и измерения

С переходом на карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) проблема утечки трансформируется, но не исчезает. У SiC MOSFET, например, из-за более широкой запрещенной зоны объемная утечка в принципе меньше. Но появляются новые вызовы, связанные с качеством окисла на границе SiC/SiO2 и плотностью поверхностных состояний. Эти состояния могут быть источником шума и нестабильности порогового напряжения, что в высокочастотных преобразователях может быть даже хуже, чем просто постоянный ток утечки. Наша компания пока сосредоточена на кремниевой технологии, но исследовательская группа в Жугао уже изучает эти вопросы, потому что запросы рынка на эффективность и частоту переключения растут. Возможно, следующим шагом для OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий станет освоение производства широкозонных полупроводников, и тогда весь накопленный опыт борьбы с утечками придется переосмысливать.

Точность измерений — это отдельная головная боль. Стандартные измерители параметров полупроводников (типа Agilent B1505A) хороши, но они работают в идеальных лабораторных условиях. А как измерить утечку транзистора прямо на печатной плате, в работающем устройстве, под воздействием соседних компонентов и наводок? Для этого мы разработали несколько простых, но эффективных адаптеров, позволяющих подключать щупы высокоомного осциллографа или пикоамперметра непосредственно к выводам компонента в схеме, не выпаивая его. Это дает не абсолютные значения (фоновые токи схемы вносят погрешность), но позволяет отследить динамику изменения утечки во время длительных испытаний или при изменении температуры. Такой 'полевой' метод диагностики не раз спасал репутацию, когда нужно было быстро доказать, что проблема в конкретном компоненте, а не в схемотехнике.

В конечном счете, борьба с утечкой — это не разовая акция, а непрерывный процесс контроля и совершенствования на всех этапах: от выбора сырья и отработки техпроцесса до финального тестирования и анализа отказов в поле. Для нас в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий это часть философии качества. Мы не можем гарантировать абсолютный ноль утечки у каждого транзистора или диода — физику не обманешь. Но мы можем гарантировать, что понимаем механизмы её возникновения для каждого типа нашей продукции, от выпрямительных диодов до сложных ESD-защитных устройств, и закладываем необходимый запас надежности в конструкцию и технологию. Именно это позволяет нашим клиентам в России и СНГ создавать надежное оборудование, работающее в самых суровых условиях. А когда возникают проблемы — мы готовы разобраться вместе, потому что часто именно на стыке компонента и его применения рождается самое ценное знание.