基于米勒平臺電壓的mosfet退化評估方法及采用該方法的mosfet剩余壽命預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體退化評估及壽命預(yù)測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率MOSFET由于其開通速度快，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于混合動力車、 航天飛行器等設(shè)備的電力電子電路中。近年來隨著微電子器件加工工藝的迅速發(fā)展，器件 的溝道長度、柵極氧化層厚度等尺寸不斷縮小，器件動態(tài)特性也隨之提高，功率損耗以及費 用顯著降低。但器件尺寸縮小的同時，MOSFET的熱載流子注入、柵氧化層經(jīng)時擊穿等退化 更加顯著，由此導(dǎo)致的氧化層、界面態(tài)缺陷損傷積累，最終將導(dǎo)致MOSFET的柵極失去控制 能力，使得功率轉(zhuǎn)換電路出現(xiàn)嚴重故障。數(shù)據(jù)表明，功率MOSFET是電力電子電路中失效率 僅次于鋁電解電容的器件，其可靠性對系統(tǒng)的可靠性有著重要的影響。
[0003] 大量的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)表明，MOSFET的閾值電壓、跨導(dǎo)等參數(shù)可以精確地反映出 MOSFET的退化效果，體現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，進而判斷器件是否失效以及預(yù)測其剩余壽命。 但是閾值電壓等參數(shù)的測量，需要將MOSFET從應(yīng)用電路中取出，采用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀等 進行離線測試，但是實際應(yīng)用中基本不允許中斷工作狀態(tài)，對器件離線測試。因此，如何在 實際電路中不取出MOSFET完成對MOSFET的閾值電壓和跨導(dǎo)參數(shù)的精確測量是目前該領(lǐng)域 中的研宄熱點。
[0004] 米勒平臺電壓和閾值電壓、跨導(dǎo)等之間存在著對應(yīng)關(guān)系，在器件的退化過程中也 可表征其退化狀態(tài)，并且可以在實際電路中在線測得，所以通過米勒平臺電壓評估MOSFET 退化狀態(tài)是完全可行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決無法實時在線評估MOSFET退化狀態(tài)的問題，同時滿足對MOSFET 的剩余壽命預(yù)測方法的需求。提出了基于米勒平臺電壓的MOSFET退化評估方法及采用該 方法的MOSFET剩余壽命預(yù)測方法。
[0006] 基于米勒平臺電壓的MOSFET退化評估方法，該退化評估方法包括如下步驟：
[0007] 步驟一、將MOSFET與實際工作電路連接，采集并存儲MOSFET開通時刻的柵源極電 壓波形；
[0008] 步驟二、從所述采集的電壓波形中提取出米勒平臺電壓，并存儲，該米勒平臺電壓 記為米勒平臺電壓初始值；
[0009] 步驟三、根據(jù)MOSFET的柵氧化層經(jīng)時擊穿退化機理，對MOSFET做加速退化試驗；
[0010] 步驟四、在加速退化試驗中，根據(jù)退化速度的快慢，每隔預(yù)設(shè)時間間隔，采集并存 儲當前退化狀態(tài)下的米勒平臺電壓，記錄各時刻的米勒平臺電壓；
[0011] 步驟五、利用步驟二中的米勒平臺電壓初始值及步驟四中獲得的退化試驗中各時 刻的米勒平臺電壓，對米勒平臺電壓退化模型進行估計，獲得米勒平臺電壓的狀態(tài)方程，其 中利用步驟二中的米勒平臺電壓確定米勒平臺電壓退化模型的初始參數(shù)；
[0012] 步驟六、利用步驟五得到的狀態(tài)方程及初始參數(shù)作為粒子濾波算法的起始參數(shù)， 然后利用粒子濾波算法評估MOSFET的退化狀態(tài)。
[0013] 步驟一中的實際工作電路為BoostDC/DC升壓電路。
[0014] 所述步驟二中的從所述采集的電壓值中提取出米勒平臺電壓，提取方法為：對采 集的電壓值進行消噪處理和二階求導(dǎo)，取MOSFET開通階段二階導(dǎo)數(shù)的最大值，該最大值即 為米勒平臺電壓。
[0015] 所述步驟三中的對MOSFET做加速退化處理，該加速退化處理過程為：對MOSFET施 加?xùn)旁礃O過電應(yīng)力和漏源極過電應(yīng)力。
[0016] 采用基于米勒平臺電壓的MOSFET退化評估方法的MOSFET剩余壽命預(yù)測方法，該 剩余壽命預(yù)測方法包括下述步驟：
[0017] 步驟1、將MOSFET與實際工作電路連接，采集并存儲MOSFET開通時刻的柵源極電 壓波形；
[0018] 步驟2、從所述采集的電壓波形中提取出米勒平臺電壓，并存儲，該米勒平臺電壓 記為米勒平臺電壓初始值；
[0019] 步驟3、根據(jù)MOSFET的柵氧化層經(jīng)時擊穿退化機理，對MOSFET做加速退化試驗；
[0020] 步驟4、在加速退化試驗中，根據(jù)退化速度的快慢，每隔一定時間間隔，采集并存儲 當前退化狀態(tài)下的米勒平臺電壓，記錄各時刻的米勒平臺電壓；
[0021] 步驟5、利用步驟二中的米勒平臺電壓初始值及步驟四中獲得的退化試驗中各時 刻的米勒平臺電壓，對米勒平臺電壓退化模型進行估計，獲得米勒平臺電壓的狀態(tài)方程，其 中利用步驟二中的米勒平臺電壓確定米勒平臺電壓退化模型的初始參數(shù)；
[0022] 步驟6、利用第五步得到的狀態(tài)方程及初始參數(shù)作為粒子濾波算法的起始參數(shù)，然 后利用粒子濾波算法評估MOSFET的退化狀態(tài)，得到MOSFET退化模型；
[0023] 步驟7、利用粒子濾波算法對MOSFET退化模型的參數(shù)進行修正與更新，并得到新 的MOSFET退化模型；
[0024] 步驟8、根據(jù)步驟七中的新的MOSFET退化模型，獲得MOSFET當前狀態(tài)距失效閾值 的時間差，即完成MOSFET的剩余壽命的預(yù)測。
[0025] 本發(fā)明涉及基于米勒平臺電壓的MOSFET退化評估方法及采用該方法的MOSFET剩 余壽命預(yù)測方法，具體涉及基于米勒平臺電壓的以MOSFET開通波形中的米勒平臺電壓作 為敏感特征參數(shù)的評估方法：將MOSFET的米勒平臺電壓作為評估器件退化狀態(tài)的參數(shù)。采 用基于米勒平臺電壓的MOSFET退化評估方法獲得MOSFET退化模型，再利用粒子濾波算法 對MOSFET退化模型的參數(shù)進行修正與更新，并得到新的MOSFET退化模型，從而獲得MOSFET 當前狀態(tài)距失效閾值的時間差，實現(xiàn)對MOSFET的剩余壽命預(yù)測，實現(xiàn)了對MOSFET的可靠性 評估，屬于半導(dǎo)體可靠性評估領(lǐng)域。
[0026] 有益效果：本發(fā)明完成了實時在線評估MOSFET退化狀態(tài)，進而預(yù)防了MOSFET突然 失效引起的設(shè)備故障，將此類故障的損失降到最低。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0028] 1、利用MOSFET開通波形中的米勒平臺電壓表征MOSFET的退化狀態(tài)，對器件進行 退化狀態(tài)評估并進行壽命預(yù)測。
[0029] 2、對MOSFET進行實時在線監(jiān)測而無需離線測試，幫助用戶及時了解器件退化狀 態(tài)，以免發(fā)生不必要的故障損失。
[0030] 本發(fā)明適用于半導(dǎo)體的退化評估及壽命預(yù)測。<