嵌入式~PCB专辑34_“ipc-ms-810”

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一、PCB失效分析技术及解决方案

PCB出问题的原因很多，如何分析和改善呢？其实对于很多硬件工程师而言了解的渠道很少，也难以理解，即使阅读完这一篇比较科普的文章可能也难以理解。

作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，PCB已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。但是由于成本以及技术的原因，PCB在生产和应用过程中出现了大量的失效问题。

对于这种失效问题，我们需要用到一些常用的失效分析技术，来使得PCB在制造的时候质量和可靠性水平得到一定的保证，本文总结了十大失效分析技术，供参考借鉴。

1.外观检查

外观检查就是目测或利用一些简单仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观，寻找失效的部位和相关的物证，主要的作用就是失效定位和初步判断PCB的失效模式。外观检查主要检查PCB的污染、腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别，是不是总是集中在某个区域等等。另外，有许多PCB的失效是在组装成PCBA后才发现，是不是组装工艺过程以及过程所用材料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。

2.X射线透视检查

对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，只好使用X射线透视系统来检查。X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。该技术更多地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位。目前的工业X光透视设备的分辨率可以达到一个微米以下，并正由二维向三维成像的设备转变，甚至已经有五维（5D）的设备用于封装的检查，但是这种5D的X光透视系统非常贵重，很少在工业界有实际的应用。

3.切片分析

切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB横截面结构的过程。通过切片分析可以得到反映PCB（通孔、镀层等）质量的微观结构的丰富信息，为下一步的质量改进提供很好的依据。但是该方法是破坏性的，一旦进行了切片，样品就必然遭到破坏；同时该方法制样要求高，制样耗时也较长，需要训练有素的技术人员来完成。要求详细的切片作业过程，可以参考IPC的标准IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810规定的流程进行。

4.扫描声学显微镜

目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的超声扫描声学显微镜，它是利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的振幅及位相与极性变化来成像，其扫描方式是沿着Z轴扫描X-Y平面的信息。因此，扫描声学显微镜可以用来检测元器件、材料以及PCB与PCBA内部的各种缺陷，包括裂纹、分层、夹杂物以及空洞等。如果扫描声学的频率宽度足够的话，还可以直接检测到焊点的内部缺陷。典型的扫描声学的图像是以红色的警示色表示缺陷的存在，由于大量塑料封装的元器件使用在SMT工艺中，由有铅转换成无铅工艺的过程中，大量的潮湿回流敏感问题产生，即吸湿的塑封器件会在更高的无铅工艺温度下回流时出现内部或基板分层开裂现象，在无铅工艺的高温下普通的PCB也会常常出现爆板现象。此时，扫描声学显微镜就凸现其在多层高密度PCB无损探伤方面的特别优势。而一般的明显的爆板则只需通过目测外观就能检测出来。

5.显微红外分析

显微红外分析就是将红外光谱与显微镜结合在一起的分析方法，它利用不同材料（主要是有机物）对红外光谱不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再结合显微镜可使可见光与红外光同光路，只要在可见的视场下，就可以寻找要分析微量的有机污染物。如果没有显微镜的结合，通常红外光谱只能分析样品量较多的样品。而电子工艺中很多情况是微量污染就可以导致PCB焊盘或引线脚的可焊性不良，可以想象，没有显微镜配套的红外光谱是很难解决工艺问题的。显微红外分析的主要用途就是分析被焊面或焊点表面的有机污染物，分析腐蚀或可焊性不良的原因。

6.扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜（SEM）是进行失效分析的一种最有用的大型电子显微成像系统，其工作原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速，由磁透镜聚焦后形成一束直径为几十至几千埃（A）的电子束流，在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动，这束高能电子束轰击到样品表面上会激发出多种信息，经过收集放大就能从显示屏上得到各种相应的图形。激发的二次电子产生于样品表面5~10nm范围内，因而，二次电子能够较好的反映样品表面的形貌，所以最常用作形貌观察；而激发的背散射电子则产生于样品表面100~1000nm范围内，随着物质原子序数的不同而发射不同特征的背散射电子，因此背散射电子图象具有形貌特征和原子序数判别的能力，也因此，背散射电子像可反映化学元素成分的分布。现时的扫描电子显微镜的功能已经很强大，任何精细结构或表面特征均可放大到几十万倍进行观察与分析。

在PCB或焊点的失效分析方面，SEM主要用来作失效机理的分析，具体说来就是用来观察焊盘表面的形貌结构、焊点金相组织、测量金属间化物、可焊性镀层分析以及做锡须分析测量等。与光学显微镜不同，扫描电镜所成的是电子像，因此只有黑白两色，并且扫描电镜的试样要求导电，对非导体和部分半导体需要喷金或碳处理，否则电荷聚集在样品表面就影响样品的观察。此外，扫描电镜图像景深远远大于光学显微镜，是针对金相结构、显微断口以及锡须等不平整样品的重要分析方法。

7.X射线能谱分析

上面所说的扫描电镜一般都配有X射线能谱仪。当高能的电子束撞击样品表面时，表面物质的原子中的内层电子被轰击逸出，外层电子向低能级跃迁时就会激发出特征X射线，不同元素的原子能级差不同而发出的特征X射线就不同，因此，可以将样品发出的特征X射线作为化学成分分析。同时按照检测X射线的信号为特征波长或特征能量又将相应的仪器分别叫波谱分散谱仪（简称波谱仪，WDS）和能量分散谱仪（简称能谱仪，EDS），波谱仪的分辨率比能谱仪高，能谱仪的分析速度比波谱仪快。由于能谱仪的速度快且成本低，所以一般的扫描电镜配置的都是能谱仪。

随着电子束的扫描方式不同，能谱仪可以进行表面的点分析、线分析和面分析，可得到元素不同分布的信息。点分析得到一点的所有元素；线分析每次对指定的一条线做一种元素分析，多次扫描得到所有元素的线分布；面分析对一个指定面内的所有元素分析，测得元素含量是测量面范围的平均值。

在PCB的分析上，能谱仪主要用于焊盘表面的成分分析，可焊性不良的焊盘与引线脚表面污染物的元素分析。能谱仪的定量分析的准确度有限，低于0.1%的含量一般不易检出。能谱与SEM结合使用可以同时获得表面形貌与成分的信息，这是它们应用广泛的原因所在。

8.光电子能谱（XPS）分析

样品受X射线照射时，表面原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体表面形成电子，测量其动能Ex,可得到原子的内壳层电子的结合能Eb,Eb因不同元素和不同电子壳层而异，它是原子的“指纹”标识参数，形成的谱线即为光电子能谱（XPS）。XPS可以用来进行样品表面浅表面（几个纳米级）元素的定性和定量分析。此外，还可根据结合能的化学位移获得有关元素化学价态的信息。能给出表面层原子价态与周围元素键合等信息；入射束为X射线光子束，因此可进行绝缘样品分析，不损伤被分析样品快速多元素分析；还可以在氩离子剥离的情况下对多层进行纵向的元素分布分析（可参见后面的案例），且灵敏度远比能谱（EDS）高。XPS在PCB的分析方面主要用于焊盘镀层质量的分析、污染物分析和氧化程度的分析，以确定可焊性不良的深层次原因。

9.热分析差示扫描量热法（Differential Scanning Calorim-etry）

在程序控温下，测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度（或时间）关系的一种方法。DSC在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，可通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化。

而使两边热量平衡，温差ΔT消失，并记录试样和参比物下两只电热补偿的热功率之差随温度（或时间）的变化关系，根据这种变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。DSC的应用广泛，但在PCB的分析方面主要用于测量PCB上所用的各种高分子材料的固化程度、玻璃态转化温度，这两个参数决定着PCB在后续工艺过程中的可靠性。

10.热机械分析仪（TMA）

热机械分析技术（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控温下，测量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的形变性能，常用的负荷方式有压缩、针入、拉伸、弯曲等。测试探头由固定在其上面的悬臂梁和螺旋弹簧支撑，通过马达对试样施加载荷，当试样发生形变时，差动变压器检测到此变化，并连同温度、应力和应变等数据进行处理后可得到物质在可忽略负荷下形变与温度（或时间）的关系。根据形变与温度（或时间）的关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。TMA的应用广泛，在PCB的分析方面主要用于PCB最关键的两个参数：测量其线性膨胀系数和玻璃态转化温度。膨胀系数过大的基材的PCB在焊接组装后常常会导致金属化孔的断裂失效。

由于PCB高密度的发展趋势以及无铅与无卤的环保要求，越来越多的PCB出现了润湿不良、爆板、分层、CAF等等各种失效问题。介绍这些分析技术在实际案例中的应用。PCB失效机理与原因的获得将有利于将来对PCB的质量控制，从而避免类似问题的再度发生。

部分案例：

一、板电后图电前擦花

1、断口处的铜表面光滑、没有被蚀痕迹。

2、OPEN处的基材有或轻或重的被损伤痕迹（发白）。

3、形状多为条状或块状。

４、附近的线路可能有渗镀或线路不良出现。

５、从切片上看，图电层会包裹板电层和底铜。

二、铜面附着干膜碎

1、断口处沙滩位与正常线路一致或相差很小

2、断口处铜面平整、没有发亮

三、铜面附着胶或类胶的抗镀物

1、断口处铜面不平整、发亮；有时成锯齿状

2、通常伴随短路或残铜出现

四、曝光不良

切片图

1.断口呈尖形,没有沙滩位,除断口附近幼线外板面其它位置没有幼线

2.断口呈尖形或圆形,没有沙滩位,附近伴随线路不良出现

3.断口呈尖形,没有沙滩位,伴随曝光垃圾造成的残铜或短路出现

４．从切片上看，图电层会伸出一个弯钩状，有长有短．

五、擦花干膜

1、面积较大、常伴随短路出现

2、形状不规则、但有方向性

六、锡面擦花

切片图

１．断口没有明显沙滩位，为较重的擦花导致；较轻时有沙滩位，或没有蚀穿．

２．从切片上看，被蚀处较为圆滑，有平缓的坡度,沙滩位较大。

七、溶锡或电锡不良

切片图

八、显影不净

1、较少发生、一般面积较大

2、断口及附近线路边缘发亮，

九、图电后擦花

切片图

1、图电后的擦花，一般擦花处的基材和铜面都较为粗糙，基材上会有铜粒，擦花的线路处会有明显被擦花的痕迹，线路边会有顺着擦花方向的突出。

2、从切片上看，擦花处的线路会被压向基材方向，有明显的弯曲。（公众号：电子汇）

十、甩膜

干膜余胶导致的线路不良

1、干膜余胶造成的线路不良，基材位不会有残铜。

2、线路不良处底部一般都非常平整，会露出铜的颜色，与周围线路的颜色不一样。

3、从切片上看，线路不良处板电层和底铜完整，但镀不上二铜，周围的图电层有一个包裹的动作。

十一、渗镀

1、从平面上看,渗镀处会发亮,渗镀的地方会有一个圆滑的坡度,没有被蚀的痕迹 。

2、从切片上看，渗镀处有图电层。

十二、蚀板不净（夹菲林）

1、蚀板不净(夹菲林)不会发亮,底部很平,没有坡度,呈阶梯状，会有一些被蚀的痕迹. 

2、从切片上看，蚀板不净处没有图电层。

十三、针孔

1、针孔一般发生在线路或孔环的边缘，不会出现在线路中间。

2、针孔的切片是一个非常平滑的圆弧，有图电层。

十四、绿油钉床压伤

1、绿油钉床压伤是定位性的，线路压伤处一般呈现圆形凹陷，底部会有延伸突出。

2、切片图形呈弓状，图电层被挤压向板电层。

十五、线路缩腰

1、特征：

一般出现在密集排线上，呈括弧状，缩腰处线路边缘发亮。

2、原因：

线路缩腰的出现与生产板的结构类型有关，此类板密集排线多，孔少。在干菲林显影时，显影药水不易排泄出去，油性物质易附着在线路边缘，导致显影不净。图电蚀刻之后就出现了缩腰。

3、解决方法：

显影时行板方向与密集排线线路走向平行，密集排线多的一面朝下放板。

二、layout时1A电流要多宽的走线

前两天画了一个功率板子，但是由于走线的线径太细，因此在上电的一瞬间一根电线被立即烧断。为了解决这个问题，我们最后只能通过外部飞线的方式来替换烧断的电线。

以前公司使用的PCB板通常都是6层、8层和10层，组件排列而且紧密，空间非常紧张。因此为了能够布下较粗的线，我们通常通过不断地压缩空间来布线。但是，有时候空间实在不够，在布局的限制下，我们只能根据需要适当减小走线的宽度，来满足布完线。

根据以往经验，我们得出在一般情况下1安培的电流基本需要使用1毫米宽的导线就可以满足。那么，根据这个经验我们是否可以推断出，10安培的电流它就需要使用10毫米宽的导线来满足呢？

在PCB板空间充足的情况下，确实可以按照这个比例来设计导线宽度。然而，在多层PCB中，当空间有限时，10毫米的导线宽度可能无法实现。这是因为多层PCB的内部走线空间通常非常有限，而导线宽度会增加占用面积，可能导致无法容纳较粗的导线。

因此，在大电流情况下，需要综合考虑电流负载、导线截面积、散热需求和空间限制等多个因素来选择合适的导线宽度。这需要具备一定的电子和电气知识以及实践经验才能做出最佳的设计决策

 基础知识 

基础知识，PCB电路板的铜箔厚度它是以盎司（OZ）为单位来进行测量的。1OZ厚的铜箔它指的是每平方英尺（FT2）的面积上均匀地铺设重量为1盎司的铜箔，这个铜箔厚度是35微米（um）或者0.035毫米（mm）。

通常，PCB电路板的铜箔厚度有三个规格选择，分别是0.5盎司、1盎司和2盎司。这些规格的铜箔主要是应用在消费类产品和通讯类的电子产品中。3OZ的铜箔就非常的少见，主要是用于需要承受非常大的电流、非常高的高压的电源产品中。

因此常用的多层PCB电路板中，它的表层铜箔的厚度基本都是1盎司，而内层铜箔的厚度通常为0.5盎司。具体的细节情况我们可以去向PCB制作厂家详细咨询

 PCB走线宽度计算 

PCB板的电流承载能力主要有三个方面原因，分别是走线宽度、线厚（铜箔的厚度）以及温升高度。线宽越大，电流的承载能力就越强。

PCB制作的标准IPC-2221规定了一种计算线宽的方式，即通过将一些参数代入公式进行计算，得出所需线宽。

在IPC-2221标准里面，PCB线宽的计算公式中的参数包括：以下几个

第一点I是走线允许通过的最大的电流，它的单位为安培（A）。

第二点0.024和0.048是修正系数，通常是用K表示。对于内层走线，K=0.024；对于表层走线，K=0.048。

第三点dT是最大温升数据，单位是摄氏度（℃）。常见的最大温升数值有10还有20。

第四点A是PCB走线的截面积，等于铜的厚度乘以线宽的值，它的单位为平方密耳（mil^2）。

通过将这些参数带入，我们可以计算出对应的电流所需的走线宽度。但是计算过程非常的复杂，所以我们推荐使用网上的计算工具去计算或执行IPC-2221标准规范的软件算法去计算。

 设计助手计算 

我们在网上找到几个不同的工具去计算走线的宽度，最后发现它们得出的结果基本是一样的，其中的两个工具计算出的结果是完全相同的。

给定的条件下（载流为10A，最大温升为10℃，环境温度为25℃，铜厚为1盎司，走线长度为10mm），通过这三个工具计算来得出的内层PCB走线的宽度约为18.71mm，表层PCB走线的宽度约为7.19mm。我们自己最后也使用IPC-2221的公式进行计算了一次，得出结果与工具得出的结果是一致的。

这里我们需要注意的是，即使这些工具的计算结果非常相近，但是在实际应用中我们还需要考虑到其他很多因素的影响，比如PCB板子材质、绝缘层的厚度、PCB走线间距等一些因素。所以，在实际制作中我们需要综合考虑这些因素的影响，并且咨询专业的PCB生产厂家来确保最后制作出的PCB板符合我们的需求。

分析先到这里，得出的基本结论就是1A电流需要1mm的线宽来满足。

三、功率MOSFET基本结构：超结结构

1、超结结构

高压功率MOSFET管早期主要为平面型结构，采用厚低掺杂的N-外延层epi，保证器件具有足够击穿电压，低掺杂N-外延层epi尺寸越厚，耐压额定值越大，但是，导通电阻随电压以2.4-2.6次方增长，导通电阻急剧增大，电流额定值降低。为了获得低导通电阻值，就必须增大硅片面积，需要更大晶片面积降低导通电阻，一些大电流应用需要更大封装尺寸，成本随之增加，Crss电容增加导致开关损耗增加，系统功率密度很难提高，应用受到很大限制。

高压功率MOSFET外延层对导通电阻起主导作用，要保证高压功率MOSFET管具有足够击穿电压，同时，降低导通电阻，最直观方法就是：

（1）在器件导通时，形成一个较高掺杂N区，作为功率MOSFET管导通的电流通路；

（2）在器件关断时，去除较高掺杂N区的载流子，方法就是使用PN进行耗尽，保证要求耐压等级。

按照上面原理，将平面结构的P-体区结构一直向下，直到几乎贯穿整个外延层，就可以实现上述要求。超结结构Super Junction高压功率MOSFET管就是基本这种设计思路，这种结构主要特点是几乎贯穿整个芯片厚度P柱和内建横向电场，这种结构在学术上称为超结结构。

(a)平面结构P区下移   (b)超结结构

1  内建横向电场超结结构

超结结构中，垂直导电N区夹在两边P柱中间，水平方向，N区和P柱二侧都形成PN结；垂直方向，P柱底部和下面外延epi层N形成PN结，栅极下面P区形成反型层产生导电沟道。功率MOSFET管关断时，P柱和垂直导电N形成PN结反向偏置，PN结二侧都会形成耗尽层，建立水平横向电场，这个电场为矩形电场。耗尽层增大，横向水平电场也增大。

随着外加反向偏置电压增大，垂直导电N区和P柱内耗尽层宽度不断增加，直到垂直导电N区和P柱整个区域基本上全部耗尽，几乎全部变成耗尽层，耗尽层横向矩形电场达到非常高幅值，具有非常高的纵向阻断电压。和平面结构对比，横向电场将外延层N-三角形电场变成梯形或矩形电场，提高器件耐压。因此，同样耐压可以减薄器件外延层N-厚度，降低导通电阻。此外，P柱底部与和它相接触外延层N-也形成PN结，反向偏置形时，产生耗尽层，形成垂直电场，进一步提高器件耐压。

图2  超结结构内部电场

MOSFET导通时，栅极和源极电场导致栅极氧化层下部P区反型，形成N型导电沟道；源极区电子通过导电沟道进入垂直N区，中和N区正电荷空穴，垂直N区耗尽层宽度不断降低，直到垂直N区恢复到初始状态。初始状态垂直N区掺杂浓度高，电阻率低，因此导电电流通路导通电阻低。

比较平面结构和沟槽结构功率MOSFET管，超结结构实际综合了平面型和沟槽型结构两者特点，在平面型结构中开出一个低阻抗电流通路沟槽，因此具有平面型结构高耐压和沟槽型结构低电阻特性。内建横向电场高压超结结构，克服了平面高压功率MOSFET管缺点，其工作频率高，导通损耗小，同样面积芯片，可以设计更低导通电阻，因此具有更大额定电流值。

超结结构高压功率MOSFET管需要制作贯穿整个芯片厚度P柱，生产工艺比较复杂，单元一致性较差，雪崩能量不容易控制；超结结构必须严格控制P柱区与外延层N区浓度和宽度，否则二侧不对称耗尽导致中间电荷不平衡，影响超结结构耐压。外延层N掺杂浓度越高，影响越大。

降低漂移区厚度，提高漂移区掺杂浓度，以及降低单元Pitch尺寸，可以进一步降低导通电阻。但是，降低单元Pitch尺寸，必须增加N漂移区掺杂浓度，就必须对N漂移区和P柱区进行精确补偿，必须非常严格控制它们掺杂浓度和宽度。耗尽电荷平衡偏差越大，电压阻断能力损失就越严重，器件雪崩能力和单元一致性越差，对生产工艺和技术要求就更加苛刻。

有些中压功率MOSFET管也采用超结技术，降低导通电阻，同时使用较大Pitch尺寸，减少单元相互之间加热效应和电流集中影响，不容易形成局部热点Hot Spot，提高线性区性能。中压功率MOSFET管超结技术，除了采用前面P柱超结结构，还可以使用深沟槽工艺的场板结构。深沟槽场板尺寸，贯穿芯片厚度大部分尺寸，并不完全贯穿芯片整个厚度，在沟槽表面制作氧化层，里面填充多晶硅，多晶硅连接到源极，氧化层隔离多晶硅和N-漂移层。

这种结构相当于在N-漂移层内设计一个隔离场板，隔离场板可以提供移动电荷，器件漏极和源极加上电压阻断时，补偿横向的N-漂移层电子。隔离场板沟槽底部氧化层，承受器件全部漏极和源极阻断电压，其电场强度非常高，因此，沟槽底部氧化层工艺要精确控制，避免沟槽底部局部区域氧化层变薄和防止应力造成局部缺陷产生。

(a) 两侧场板   (b)中间场板

图3  超结场板结构

超结结构纵向电场几乎是均匀分布，隔离场板结构纵向电场分布有2个峰值，1个电场峰值在P体区和N-漂移区PN结；另1个电场峰值在在场板沟槽底部。200V以下中压功率MOSFET管可以采用这种场板超结技术。

新一代超结工艺进一步减小器件晶胞尺寸，沟道和晶胞宽度进一步缩小，两个P柱之间距离非常小，难以形成满足要求的沟道区，因此，采用沟道与P柱相垂直的结构，从而减少沟道区工艺加工难度。

图4  沟道与P柱垂直结构

2、超级结构生产工艺

超结P柱结构和场板结构，生产加工工艺主要有2种方式：

（1）通过一层一层多次外延生长，得到P柱结构或场板结构。

在衬底上外延一定浓度N层，在P柱区域开窗口注入形成P层，然后重复这些工艺，反复多次外延和注入，最后形成超结结构。也可以先在衬底上外延浓度较低N-层，分别在N区和P柱区域采用注入形成N层和P层，然后重复这些工艺，反复多次外延和注入，最后形成超结结构，这种方法均匀性控制更好，增加一次光刻与注入的工艺，成本增加。

图5  多层外延工艺

多层外延工艺每次外延层厚度非常薄，外延形成厚度相对固定，超结结构的尺寸偏差小，外延层质量容易控制，缺陷与界面态少。随着器件耐压增大，外延次数和层数增加，而且外延时间长，效率低，导致成本增加。

（2)、直接开沟槽填充，即深沟槽技术Deep Trench，得到P柱结构或场板结构。

衬底和外延加工好后，在外延层刻蚀出深沟槽，沟槽的深宽比具有一定限制，然后在沟槽内部填充掺杂。可以在沟槽内外延填充P型材料，然后平坦化抛光，形成P住结构；也可以在沟槽侧壁形成薄氧化层结构，再填充多晶硅形成场板结构。另外，使用更宽的沟槽，采用外延或倾斜注入方式，在沟槽内部依附沟槽侧壁，依次形成P和N型区交错结构。

图6  沟槽填充工艺

衬底和外延加工好后，在外延层（耐压层）中刻蚀出具有一定深宽比的沟槽，然后在沟槽内部填充掺杂。通常，有4种填充掺杂方式：一是在沟槽内外延填充P型材料，然后采用化学机械抛光平坦化。另外，可以在沟槽中直接通过P型杂质扩散形成P住；同时，还可以在沟槽内的侧壁上形成薄氧化层结构，再填充多晶硅形成场板结构。二是使用非常宽的沟槽，采用倾斜注入方式，同时控制N和P型杂质的注入剂量，分别在沟槽的侧壁上形成N区和P区，依次制作出P和N型区交错结构。三是通过在沟槽侧壁通过气相掺杂形成P型区。四是在沟槽侧壁选择性外延薄层N与P型，形成超结结构。

多次外延工艺相对容易控制，工艺步骤多，成本高；深沟槽工艺成本低，生产效率高，更容易实现较小的深宽比，形成的超结N区与P区掺杂分布均匀，导通电阻和寄生电容更低；但是，深沟槽工艺不容易保证沟槽内性能一致性，特别是深沟槽填充时，要保证沟槽侧面（侧壁）N和P区交界面没有空隙和孔洞，工艺要求特别高。侧壁出现空隙和孔洞，对性能影响在生产线最后检测中无法通过静态参数测量进行删选。

技术平台不一样，工艺不一样，超结结构Pitch尺寸和芯片厚度也不相同。

(a) 多层外延Multiple EPI

(b) 深沟槽直接填充Deep Trench Filling 

图7  超结结构的截面图

3、超级结构开关工作过程

超结型结构工作原理及开关工作过程如下。

（1）关断状态

垂直导电N区夹在两边P区中间，MOSFET关断时，栅极电压为0，栅极下面的P区不能形成反型层，没有导电沟道。P柱区和垂直导电N区二侧横向形成反向偏置PN结，左边P柱区和中间垂直导电N区形成PN结反向偏置，右边P柱区和中间垂直导电N区形成PN结反向偏置，PN结耗尽层增大，并建立横向水平电场。反向电压足够高时，P柱区底部和外延层N区也会形成PN结反向偏置，有利于产生更宽耗尽层，增加垂直电场。

中间垂直导电N区渗杂浓度和宽度控制得合适，就可以将其完全耗尽，这样中间垂直导电N区就没有自由电荷，内部形成横向矩形电场，且电场幅值非常高，只有外部电压大于内部横向电场，才能将其击穿，所以，这个区域耐压非常高。

(a) 开始建立耗尽层  (b) 完全耗尽

图8  横向电场及耗尽层建立

（2）开通状态

栅极加上驱动电压时，栅极表面将积累正电荷，同时，吸引栅极氧化层下面P区内部电子到P区上表面，将P区上表面空穴中和，形成耗尽层。随着栅极电压提高，栅极表面正电荷增强，进一步吸引P区内部更多电子到P区上表面，这样，在P区上表面薄层，积累负电荷（电子）形成N型反型层，构成电流通道，即沟道。由于更多负电荷在P区上表面积累，一些负电荷将扩散进入原来完全耗尽垂直导电N区，横向耗尽层宽度越来越减小，横向电场也越来越小。栅极电压进一步提高，栅极氧化层下面P区更宽范围形成N型反型层沟道，电子不断流入垂直导电N区，垂直导电N区回到初始渗杂状态，形成低导通电阻的电流路径。

(a) VGS加正电压  (b)  VGS增加形成反型层  

(c) VGS增加沟道建立  (d)  沟道加宽完全导通

图9  超结结构导通过程

4、高压浮岛结构

另外还有一种介于平面和超结结构中间类型，这种结构内部P区被N-外延层包围，称为P型浮岛结构，电流密度低于超结型，高于普通平面工艺，抗雪崩能力强于超结结构。

图10  浮岛结构

这种结构工作原理是在内部浮岛P区和N-外延层交接处形成耗尽层，将N-外延层三角形电场在中间位置提升，从而提高耐压，这样可以适当减薄N-外延层厚度，降低导通电阻。

P型浮岛需要在N-外延层内部开出较深沟槽，形成P型浮岛结构，然后，沟槽里面填充多晶硅，连接到源极，沟槽深度并没有贯穿整个芯片厚度。沟槽深度越深，P型浮岛结构数量越多，耐压越高，但成本增加。

制作过程使用多次外延或深沟槽工艺，多次外延层数远少于超结结构，浮岛结构P型掺杂浓度控制没有超结严格，只要保证在反向偏压下不完全耗尽就可以，工艺成本低于超结结构；另外，正向导通时，P型浮岛浮空，不会向N-外延层注入非平衡少子，二极管特性好于超结结构。

四、电流检测电路

电流检测的应用

    电路检测电路常用于：高压短路保护、电机控制、DC/DC换流器、系统功耗管理、二次电池的电流管理、蓄电池管理等电流检测等场景。

   对于大部分应用，都是通过感测电阻两端的压降测量电流。

  一般使用电流通过时的压降为数十mV～数百mV的电阻值，电流检测用低电阻器使用数Ω以下的较小电阻值；检测数十A的大电流时需要数mΩ的极小电阻值，因此，以小电阻值见长的金属板型和金属箔型低电阻器比较常用，而小电流是通过数百mΩ～数Ω的较大电阻值进行检测。

    测量电流时， 通常会将电阻放在电路中的两个位置。第一个位置是放在电源与负载之间。这种测量方法称为高侧感测。通常放置感测电阻的第二个位置是放在负载和接地端之间。这种电流感测方法称为低侧电流感测。

两种测量方法各有利弊，低边电阻在接地通路中增加了不希望的额外阻抗；采用高侧电阻的电路必须承受相对较大的共模信号。低侧电流测量的优点之一是共模电压，即测量输入端的平均电压接近于零。这样更便于设计应用电路，也便于选择适合这种测量的器件。低侧电流感测电路测得的电压接近于地， 在处理非常高的电压时、或者在电源电压可能易于出现尖峰或浪涌的应用中，优先选择这种方法测量电流。由于低侧电流感测能够抗高压尖峰干扰， 并能监测高压系统中的电流。

电流检测电路

低侧检测

 低侧电流感测的主要缺点是采用电源接地端和负载、系统接地端时，感测电阻两端的压降会有所不同。如果其他电路以电源接地端为基准，可能会出现问题。为最大限度地避免此问题，存在交互的所有电路均应以同一接地端为基准， 降低电流感测电阻值有助于尽量减小接地漂。

    如上图，如果图中运放的 GND 引脚以 RSENSE 的正端为基准，那么其共模输入范围必须覆盖至零以下，也就是GND - (RSENSE × ILOAD)。Rsensor将地（GND）隔开了。

高侧检测

    随着大量包含高精度放大器和精密匹配电阻的IC的推出，在高侧电流测量中使用差分放大器变得非常方便，高侧检测带动了电流检测IC 的发展，降低了由分立器件带来的参数变化、器件数目太多等问题，集成电路方便了我们使用。下图为一种高侧检测的 IC 方案：

检测电路连出方式

    对电流通过电阻器时的压降进行检测，需要从电阻器的两端引出用于检测电压的图案。电压检测连接如下图(2)所示，建议从电阻器电极焊盘的内侧中心引出。这是因为电路基板的铜箔图案也具备微小的电阻值，需要避免铜箔图案的电阻值所造成的压降的影响。如果按照下图(1)所示，从电极焊盘的侧面引出电压检测图案，检测对象将是低电阻器电阻值加上铜箔图案电阻值的压降，无法正确地检测电流。

   PCB Layout参考：