結合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下損壞的模式
，並說明了產生這樣的損壞形態的原因，也分析了功率MOSFET管(guan)在(zai)關(guan)斷(duan)及(ji)開(kai)通(tong)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，發(fa)生(sheng)失(shi)效(xiao)形(xing)態(tai)的(de)差(cha)別(bie)
，從(cong)而(er)為(wei)失(shi)效(xiao)是(shi)在(zai)關(guan)斷(duan)還(hai)是(shi)在(zai)開(kai)通(tong)過(guo)程(cheng)中(zhong)發(fa)生(sheng)損(sun)壞(huai)提(ti)供(gong)了(le)判(pan)斷(duan)依(yi)據(ju)。給(gei)出(chu)了(le)測(ce)試(shi)過(guo)電(dian)流(liu)和(he)過(guo)電(dian)壓(ya)的(de)電(dian)路(lu)圖(tu)。

同時
，也分析了功率MOSFET管(guan)在(zai)動(dong)態(tai)老(lao)化(hua)測(ce)試(shi)中(zhong)慢(man)速(su)開(kai)通(tong)及(ji)在(zai)電(dian)池(chi)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)應(ying)用(yong)中(zhong)慢(man)速(su)關(guan)斷(duan)時(shi)，較(jiao)長(chang)時(shi)間(jian)工(gong)作(zuo)在(zai)線(xian)性(xing)區(qu)時(shi)


，損(sun)壞(huai)的(de)形(xing)態(tai)。最(zui)後(hou)，結(jie)合(he)實(shi)際(ji)的(de)應(ying)用(yong)，論(lun)述(shu)了(le)功(gong)率(lv)MOSFET通常會產生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。
目前，功率MOSFET管(guan)廣(guang)泛(fan)地(di)應(ying)用(yong)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)及(ji)其(qi)它(ta)的(de)一(yi)些(xie)功(gong)率(lv)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)中(zhong)，然(ran)而(er)，在(zai)實(shi)際(ji)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)
，通(tong)常(chang)，在(zai)一(yi)些(xie)極(ji)端(duan)的(de)邊(bian)界(jie)條(tiao)件(jian)下(xia)，如(ru)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)出(chu)短(duan)路(lu)及(ji)過(guo)載(zai)測(ce)試(shi)，輸(shu)入(ru)過(guo)電(dian)壓(ya)測(ce)試(shi)以(yi)及(ji)動(dong)態(tai)的(de)老(lao)化(hua)測(ce)試(shi)中(zhong)，功(gong)率(lv)MOSFET有時候會發生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析後，得到的失效分析報告的結論通常是過電性應力EOS，無法判斷是什麼原因導致MOSFET的損壞。

本文將通過功率MOSFET管的工作特性
，結合失效分析圖片中不同的損壞形態


，係統的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時，根據損壞位置不同，分析功率MOSFET管guan的de失shi效xiao是shi發fa生sheng在zai開kai通tong的de過guo程cheng中zhong
，還hai是shi發fa生sheng在zai關guan斷duan的de過guo程cheng中zhong
，從cong而er為wei設she計ji工gong程cheng師shi提ti供gong一yi些xie依yi據ju，來lai找zhao到dao係xi統tong設she計ji的de一yi些xie問wen題ti

，提ti高gao電dian子zi係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

1 功率MOSFET過電壓和過電流測試電路

過電壓測試的電路圖如圖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
，使用開關來控製，將60V的電壓直接加到AON6240的D和S極，熔絲用來保護測試係統，功率MOSFET損壞後，將電源斷開。測試樣品數量：5片。

過電流測試的電路圖如圖2(b)所示，選用40V的功率MOSFET：AON6240
，DFN5*6的封裝。首先合上開關A，用20V的電源給大電容充電

，電容C的容值：15mF
，然後斷開開關A
，合上開關B，將電容C的電壓加到功率MOSFET的D和S極
，使用信號發生器產生一個電壓幅值為4V
、持續時間為1秒的單脈衝，加到功率MOSFET的G極。測試樣品數量：5片。

下頁內容：過電壓和過電流失效損壞
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2   功率MOSFET過電壓和過電流失效損壞

將過電壓和過電流測試損壞的功率MOSFET去除外麵的塑料外殼，對露出的矽片正麵失效損壞的形態的圖片


，分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

從圖2(a)可以看到：過guo電dian壓ya的de失shi效xiao形xing態tai是shi在zai矽gui片pian中zhong間jian的de某mou一yi個ge位wei置zhi產chan生sheng一yi個ge擊ji穿chuan小xiao孔kong洞dong，通tong常chang稱cheng為wei熱re點dian，其qi產chan生sheng的de原yuan因yin就jiu是shi因yin為wei過guo壓ya而er產chan生sheng雪xue崩beng擊ji穿chuan，在zai過guo壓ya時shi，通tong常chang導dao致zhi功gong率lvMOSFET內nei部bu寄ji生sheng三san極ji管guan的de導dao通tong，由you於yu三san極ji管guan具ju有you負fu溫wen度du係xi數shu特te性xing，當dang局ju部bu流liu過guo三san極ji管guan的de電dian流liu越yue大da時shi，溫wen度du越yue高gao，而er溫wen度du越yue高gao，流liu過guo此ci局ju部bu區qu域yu的de電dian流liu就jiu越yue大da
，從cong而er導dao致zhi功gong率lvMOSFET內部形成局部的熱點而損壞。

矽(gui)片(pian)中(zhong)間(jian)區(qu)域(yu)是(shi)散(san)熱(re)條(tiao)件(jian)最(zui)差(cha)的(de)位(wei)置(zhi)，也(ye)是(shi)最(zui)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)熱(re)點(dian)的(de)地(di)方(fang)，可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)，上(shang)圖(tu)中(zhong)，擊(ji)穿(chuan)小(xiao)孔(kong)洞(dong)即(ji)熱(re)點(dian)，正(zheng)好(hao)都(dou)位(wei)於(yu)矽(gui)片(pian)的(de)中(zhong)間(jian)區(qu)域(yu)。

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生的S極，而且比較靠近G極，因為電容的能量放電形成大電流，全部流過功率MOSFET，所有的電流全部要彙集中S極，這樣，S極附近產生電流 集中，因此溫度最高，也最容易產生損壞。

注意到
，在功率MOSFET內部，是由許多單元並聯形成的

，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極近地區域，VGS的電壓越高，因此區域的單元流過電流越大，因此在瞬態開通過程承擔更大的電流
，這樣
，離G極近的S極區域，溫度更高，更容易因過流產生損壞。



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3 功率MOSFET過電壓和過電流混合失效損壞

在實際應用中，單一的過電流和過電流的損壞通常很少發生，更多的損壞是發生過流後
，由於係統的過流保護電路工作，將功率MOSFET關斷
，這樣
，在關斷的過程中，發生過壓即雪崩。從圖4可以看到功率MOSFET先過流
，然後進入雪崩發生過壓的損壞形態。

可以看到，和上麵過流損壞形式類似，它們也發生在靠近S極的地方，同時，也有因為過壓產生的擊穿的洞坑，而損壞的位置遠離S極
，和上麵的分析類似
，在關斷的過程
，距離G極越遠的位置，在瞬態關斷過程中，VGS的電壓越高，承擔電流也越大
，因此更容易發生損壞。


4 功率MOSFET線性區大電流失效損壞

在電池充放電保護電路板上，通常，負載發生短線或過流電，保護電路將關斷功率MOSFET
，以免電池產生過放電。但是
，和通常短路或過流保護快速關斷方式不同，功率MOSFET以非常慢的速度關斷，如下圖5所示
，功率MOSFET的G極通過一個1M的電阻，緩慢關斷。從VGS波形上看到，米勒平台的時間高達5ms。米勒平台期間

，功率MOSFET工作在放大狀態
，即線性區。

功率MOSFET工作開始工作的電流為10A，使用器件為AO4488，失效的形態如圖5(c)所示。當功率MOSFET工(gong)作(zuo)在(zai)線(xian)性(xing)區(qu)時(shi)
，它(ta)是(shi)負(fu)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)
，局(ju)部(bu)單(dan)元(yuan)區(qu)域(yu)發(fa)生(sheng)過(guo)流(liu)時(shi)，同(tong)樣(yang)會(hui)產(chan)生(sheng)局(ju)部(bu)熱(re)點(dian)
，溫(wen)度(du)越(yue)高(gao)，電(dian)流(liu)越(yue)大(da)，導(dao)致(zhi)溫(wen)度(du)更(geng)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)，然(ran)後(hou)過(guo)熱(re)損(sun)壞(huai)。可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，其(qi)損(sun)壞(huai)的(de)熱(re)點(dian)的(de)麵(mian)積(ji)較(jiao)大(da)，是(shi)因(yin)為(wei)此(ci)區(qu)域(yu)過(guo)一(yi)定(ding)時(shi)間(jian)的(de)熱(re)量(liang)的(de)積(ji)累(lei)。另(ling)外(wai)
，破(po)位(wei)的(de)位(wei)置(zhi)離(li)G極較遠
，損壞同樣發生的關斷的過程，破位的位置在中間區域
，同樣，也是散熱條件最差的區域.

另外，在功率MOSFET內部，局部性能弱的單元，封裝的形式和工藝，都會對破位的位置產生影響

另外，一些電子係統在起動的過程中，芯片的VCC電源，也是功率MOSFET管的驅動電源建立比較慢，如在照明中
，使用PFC的電感繞組給PWM控製芯片供電，這樣，在起動的過程中

，功率MOSFET由於驅動電壓不足，容易進入線性區工作。在進行動態老化測試的時候，功率MOSFET不斷的進入線性區工作，工作一段時間後，就會形成局部熱點而損壞。

下頁內容：線性區大電流失效損壞
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使用AOT5N50作測試，G極加5V的驅動電壓，做開關機的重複測試，電流ID=3，工作頻率8Hz重複450次後，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，而且離G極比較近，因此，器件是在開通過程中，由於長時間工作線性區產生的損壞。

圖6(a)是器件 AOT5N50在一個實際應用中
，在動態老化測試過程生產失效的圖片，而且測試實際的電路，起動過程中，MOSFET實際驅動電壓5V，MOSFET工作在線性區
，失效形態和圖6(b)相同。