Integrated health condition monitoring for power MOSFETs

Power semiconductors have a crucial role in conversion and distribution of electric energy. Power MOSFETs, especially, can be found in a large variety of applications, like consumer electronics, automotive or grid applications. Such an ubiquitous technology is indeed subject to unceasing cost-optimization efforts. Minimization of materials usage is the most straightforward way to cost optimization, and it comes together with a decrease in the footprint size of devices. This comes at cost of an increase in power densities, and therfore an increase in heat dissipation per unit area. As a result, during operation, power MOSFETs need to withstand intense thermo-mechanical stress, which is the main reliability concern on many application fields. This thesis is focused on a vertical DMOS technology, for which power metallization degradation is the main stress-related failure cause. A possible way to improve reliability of power MOSFETs is to implement in-situ prognostic health management capabilities: in this thesis, two implementation methods are experimentally investigated. The first method consists of building a non-vital structure that shares the same degradation driving force as power metallization, although the degradation process is different. Thermo-mechanical stress results in the formation of short circuits into the non-vital structure, which are electrically detectable. The second method here proposed relies on local temperature measurements in different spots of the DMOS during power transients. Power metallization degradation leads to failure precisely because it modifies the thermal behavior of the device, therefore, temperature measurements may allow to directly observe the outcome of degradation. Experiments partially validate the investigated health monitoring principles, but the implementation tested so far are not reliable enough for industrial application. For both experiments, time limitations and the need for different actions in very diverse fields (circuit design, technology development, test engineering, materials science) posed a remarkable challenge. As a result, the experience acquired in the development of the two techniques shaped a concept for a third solution, that is only conceptually described in the last part of this thesis. As a conclusion, this thesis demonstrates that innovative solutions to the problem can be developed through an effort on different fields of expertise, and the achieved preliminary results pose a promising outlook for further investigations, which may successfully develop robust and reliable implementations.

I semiconduttori di potenza hanno un ruolo cruciale nella conversione e distribuzione dell'energia elettrica. I MOSFET di potenza, in particolare, possono essere trovati in una grande varietà di applicazioni, quali elettronica di consumo, settore automotive o nella rete elettrica. Una tecnologia così obiquitaria è naturalmente soggetta a incesstanti sforzi di ottimizzazione dei costi di produzione. La minimizzazione dell'impiego di materiali è il modo più diretto per ottimizzare i costi, ed implica una riduzione dell'area di silicio utilizzata per ogni dispositivo. Questo a sua volta porta ad un aumento delle densità di potenza termica dissipata. Di conseguenza, i MOSFET di potenza devono poter operare sopportando intensi stress termomeccanici, che costituiscono un importante rischio di affidabilità in molti campi di applicazione. Questa tesi incentrata su una tecnologia DMOS verticale, per la quale per la quale la degradazione della metallitazione di potenza è la principale causa di rottura tra quelle legate a stress termomeccanico. Un metodo percorribile per il miglioramento dell'affidabilità dei dispositivi presi in considerazione è l'implementazione di capacità di prognosi delle condizioni di integrità del dispositivo. In questa tesi è proposta un'indagine sperimentale di due metodi di implementazione. Il primo metodo consiste nella realizzazione di una struttura non vitale per il funzionamento del dispositivo di potenza. Tale struttura, come la metallizazione di potenza, si degrada a causa dello stress termomeccanico, che provoca cortocircuiti nella struttura stessa. Il secondo metodo proposto si affida alla misura della temperatura del dispositivo in diversi punti durante un transiente di potenza. La degradazione della metallizazione di potenza porta alla rottura del dispositivo proprio perché induce dei cambiamenti nelle proprietà termiche dello stesso, pertanto, delle misure termiche possono consentire di monitorare i risultati del processo di degradazione. Gli esperimenti hanno parzialmente confermato la validità dei metodi presi in considerazione, ma le forme di implementazione testate non sono applicabili in un contesto industriale. Per entrambi gli esperimenti condotti, sia i limiti di tempo che la necessità di affrontare campi molto diversi tra loro (circuit design, technology development, test engineering, scienze dei materiali) hanno costituito una sfida significativa. L'esperienza acquisita nello sviluppo delle due tecniche ha portato, come risultato, alla definizione di un concept per una terza tecnica, descritta nell'ultimo capitolo della tesi. Concludendo, questa tesi dimostra la possibilità di sviluppare tecniche innovative per la soluzione del problema posto, e i risultati ottenuti pongono le basi per eventuali future indagini, che potrebbero avere maggiore successo nella realizzazione di implementazioni efficaci.