目前，功率 MOSFET 管廣泛地應(yīng)用于開關(guān)電源系統(tǒng)及其它的一些功率電子電路中，然而，在實(shí)際的應(yīng)用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統(tǒng)的輸出短路及過載測(cè)試，輸入過電壓測(cè)試以及動(dòng)態(tài)的老化測(cè)試中，功率 MOSFET 有時(shí)候會(huì)發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率 MOSFET 送到半導(dǎo)體原廠做失效分析后，得到的失效分析報(bào)告的結(jié)論通常是過電性應(yīng)力 EOS，無法判斷是什么原因?qū)е?MOSFET 的損壞。
本文將通過功率 MOSFET 管的工作特性，結(jié)合失效分析圖片中不同的損壞形態(tài)，系統(tǒng)的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時(shí)，根據(jù)損壞位置不同，分析功率 MOSFET 管的失效是發(fā)生在開通的過程中，還是發(fā)生在關(guān)斷的過程中，從而為設(shè)計(jì)工程師提供一些依據(jù)，來找到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些問題，提高電子系統(tǒng)的可靠性。
1、過電壓和過電流測(cè)試電路
過電壓測(cè)試的電路圖如圖 1(a)所示，選用 40V 的功率 MOSFET：AON6240，DFN5*6 的封裝。其中，所加的電源為 60V，使用開關(guān)來控制，將 60V 的電壓直接加到 AON6240 的 D 和 S 極，熔絲用來保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)，功率 MOSFET 損壞后，將電源斷開。測(cè)試樣品數(shù)量：5 片。
過電流測(cè)試的電路圖如圖 2(b)所示，選用 40V 的功率 MOSFET：AON6240，DFN5*6 的封裝。首先合上開關(guān) A，用 20V 的電源給大電容充電，電容 C 的容值：15mF，然后斷開開關(guān) A，合上開關(guān) B，將電容 C 的電壓加到功率 MOSFET 的 D 和 S 極，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)電壓幅值為 4V、持續(xù)時(shí)間為 1 秒的單脈沖，加到功率 MOSFET 的 G 極。測(cè)試樣品數(shù)量：5 片。
2、過電壓和過電流失效損壞
將過電壓和過電流測(cè)試損壞的功率 MOSFET 去除外面的塑料外殼，對(duì)露出的硅片正面失效損壞的形態(tài)的圖片，分別如圖 2(a)和圖 2(b)所示。
從圖 2(a)可以看到：過電壓的失效形態(tài)是在硅片中間的某一個(gè)位置產(chǎn)生一個(gè)擊穿小孔洞，通常稱為熱點(diǎn)，其產(chǎn)生的原因就是因?yàn)檫^壓而產(chǎn)生雪崩擊穿，在過壓時(shí)，通常導(dǎo)致功率 MOSFET 內(nèi)部寄生三極管的導(dǎo)通[1]，由于三極管具有負(fù)溫度系數(shù)特性，當(dāng)局部流過三極管的電流越大時(shí)，溫度越高，而溫度越高，流過此局部區(qū)域的電流就越大，從而導(dǎo)致功率 MOSFET 內(nèi)部形成局部的熱點(diǎn)而損壞。
硅片中間區(qū)域是散熱條件最差的位置，也是最容易產(chǎn)生熱點(diǎn)的地方，可以看到，上圖中，擊穿小孔洞即熱點(diǎn)，正好都位于硅片的中間區(qū)域。
在過流損壞的條件下，圖 2(b )的可以看到：所有的損壞位置都是發(fā)生的 S 極，而且比較靠近 G 極，因?yàn)殡娙莸哪芰糠烹娦纬纱箅娏?，全部流過功率 MOSFET，所有的電流全部要匯集中 S 極，這樣，S 極附近產(chǎn)生電流 集中，因此溫度最高，也最容易產(chǎn)生損壞。
注意到，在功率 MOSFET 內(nèi)部，是由許多單元并聯(lián)形成的，如圖 3(a)所示，其等效的電路圖如圖 3(b )所示，在開通過程中，離 G 極近地區(qū)域，VGS 的電壓越高，因此區(qū)域的單元流過電流越大，因此在瞬態(tài)開通過程承擔(dān)更大的電流，這樣，離 G 極近的 S 極區(qū)域，溫度更高，更容易因過流產(chǎn)生損壞。
3、過電壓和過電流混合失效損壞
在實(shí)際應(yīng)用中，單一的過電流和過電流的損壞通常很少發(fā)生，更多的損壞是發(fā)生過流后，由于系統(tǒng)的過流保護(hù)電路工作，將功率 MOSFET 關(guān)斷，這樣，在關(guān)斷的過程中，發(fā)生過壓即雪崩。從圖 4 可以看到功率 MOSFET 先過流，然后進(jìn)入雪崩發(fā)生過壓的損壞形態(tài)。
圖 4：過流后再過壓損壞形態(tài)
可以看到，和上面過流損壞形式類似，它們也發(fā)生在靠近 S 極的地方，同時(shí)，也有因?yàn)檫^壓產(chǎn)生的擊穿的洞坑，而損壞的位置遠(yuǎn)離 S 極，和上面的分析類似，在關(guān)斷的過程，距離 G 極越遠(yuǎn)的位置，在瞬態(tài)關(guān)斷過程中，VGS 的電壓越高，承擔(dān)電流也越大，因此更容易發(fā)生損壞。
4、線性區(qū)大電流失效損壞
在電池充放電保護(hù)電路板上，通常，負(fù)載發(fā)生短線或過流電，保護(hù)電路將關(guān)斷功率 MOSFET，以免電池產(chǎn)生過放電。但是，和通常短路或過流保護(hù)快速關(guān)斷方式不同，功率 MOSFET 以非常慢的速度關(guān)斷，如下圖 5 所示，功率 MOSFET 的 G 極通過一個(gè) 1M 的電阻，緩慢關(guān)斷。從 VGS 波形上看到，米勒平臺(tái)的時(shí)間高達(dá) 5ms。米勒平臺(tái)期間，功率 MOSFET 工作在放大狀態(tài)，即線性區(qū)。
功率 MOSFET 工作開始工作的電流為 10A，使用器件為 AO4488，失效的形態(tài)如圖 5(c)所示。當(dāng)功率 MOSFET 工作在線性區(qū)時(shí)，它是負(fù)溫度系數(shù)[2]，局部單元區(qū)域發(fā)生過流時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，溫度越高，電流越大，導(dǎo)致溫度更一步增加，然后過熱損壞。可以看出，其損壞的熱點(diǎn)的面積較大，是因?yàn)榇藚^(qū)域過一定時(shí)間的熱量的積累。
另外，破位的位置離 G 極較遠(yuǎn)，損壞同樣發(fā)生的關(guān)斷的過程，破位的位置在中間區(qū)域，同樣，也是散熱條件最差的區(qū)域。
在功率 MOSFET 內(nèi)部，局部性能弱的單元，封裝的形式和工藝，都會(huì)對(duì)破位的位置產(chǎn)生影響。
一些電子系統(tǒng)在起動(dòng)的過程中，芯片的 VCC 電源，也是功率 MOSFET 管的驅(qū)動(dòng)電源建立比較慢，如在照明中，使用 PFC 的電感繞組給 PWM 控制芯片供電，這樣，在起動(dòng)的過程中，功率 MOSFET 由于驅(qū)動(dòng)電壓不足，容易進(jìn)入線性區(qū)工作。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化測(cè)試的時(shí)候，功率 MOSFET 不斷的進(jìn)入線性區(qū)工作，工作一段時(shí)間后，就會(huì)形成局部熱點(diǎn)而損壞。
使用 AOT5N50 作測(cè)試，G 極加 5V 的驅(qū)動(dòng)電壓，做開關(guān)機(jī)的重復(fù)測(cè)試，電流 ID=3，工作頻率 8Hz 重復(fù) 450 次后，器件損壞，波形和失效圖片如圖 6(b)和(c)所示。可以看到，器件形成局部熱點(diǎn)，而且離 G 極比較近，因此，器件是在開通過程中，由于長(zhǎng)時(shí)間工作線性區(qū)產(chǎn)生的損壞。
圖 6(a)是器件 AOT5N50 應(yīng)用于日光燈電子鎮(zhèn)流器的 PFC 電路，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)老化測(cè)試過程生產(chǎn)失效的圖片，而且測(cè)試實(shí)際的電路，在起動(dòng)過程中，MOSFET 實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓只有 5V 左右，MOSFET 相當(dāng)于有很長(zhǎng)的一段時(shí)間工作在線性區(qū)，失效形態(tài)和圖 6(b)相同。
5、結(jié)論
?。?）功率 MOSFET 單一的過電壓損壞形態(tài)通常是在中間散熱較差的區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)局部的熱點(diǎn)，而單一的過電流的損壞位置通常是在電流集中的靠近 S 極的區(qū)域。實(shí)際應(yīng)用中，通常先發(fā)生過流，短路保護(hù) MOSFET 關(guān)斷后，又經(jīng)歷雪崩過壓的復(fù)合損壞形態(tài)。
（2）損壞位置距離 G 極近，開通過程中損壞的幾率更大；損壞位置距離 G 極遠(yuǎn)，關(guān)斷開通過程中損壞幾率更大。
?。?）功率 MOSFET 在線性區(qū)工作時(shí)，產(chǎn)生的失效形態(tài)也是局部的熱點(diǎn)，熱量的累積影響損壞熱點(diǎn)洞坑的大小。
（4）散熱條件是決定失效損壞發(fā)生位置的重要因素，芯片的封裝類型及封裝工藝影響芯片的散熱條件。另外，芯片生產(chǎn)工藝產(chǎn)生單元性能不一致而形成性能較差的單元，也會(huì)影響到損壞的位置。