小貼士：開關電源中功率MOSFET管損壞模式及分析

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，系統地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管的失效發生在開通的過程中或發生在關斷的過程中，從而為設計工程師提供一些依據，找到系統設計中的問題，提高電子系統的可靠性。

目前，功率MOSFET管廣泛地應用于開關電源系統及其他功率電子電路中。實際應用中，特別是在一些極端的邊界條件下，如系統的輸出短路及過載測試、輸入過電壓測試以及動態的老化測試中，功率MOSFET管有時候會發生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET管送到半導體原廠做失效分析后，分析報告的結論通常是過電性應力EOS，卻無法判斷是什么原因導致MOSFET的損壞。

1 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40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封裝。通過開關來控制，將60 V的電壓直接加到AON6240的D極和S極，熔絲用來保護測試系統，功率MOSFET損壞后，將電源斷開。測試樣品數量為5片。

過電流測試的電路圖如圖1(b)所示，選用40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封裝。首先合上開關A，用20 V的電源給大電容充電，電容C的容值為15 mF，然后斷開開關A，合上開關B，將電容C的電壓加到功率MOSFET管的D極和S極，使用信號發生器產生一個電壓幅值為4 V、持續時間為1 s的單脈沖，加到功率MOSFET管的G極。測試樣品數量為5片。

2 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管去除外面的塑料外殼，露出硅片正面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，過電壓的失效形態是在硅片中間的某一個位置產生一個擊穿小孔洞，通常稱為熱點，其產生的原因就是因為過壓而產生雪崩擊穿，在過壓時，通常導致功率MOSFET管內部的寄生三極管導通[1]。由于三極管具有負溫度系數特性，當局部流過三極管的電流越大時，溫度越高。而溫度越高，流過此局部區域的電流就越大，從而導致功率MOSFET管內部形成局部的熱點而損壞。硅片中間區域是散熱條件最差的位置，也是最容易產生熱點的地方，可以看到，圖中擊穿小孔洞(即熱點)正好都位于硅片的中間區域。從圖2(b)可以看到，在過流損壞的條件下，所有的損壞位置都發生在S極，而且比較靠近G極。這是因為電容放電形成大的電流流過功率MOSFET管，所有的電流匯集于S極，此時溫度最高，最容易產生損壞。

功率MOSFET管內部由許多單元并聯形成，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極越近的區域，VGS的電壓越高，流過該區域的單元電流越大，在瞬態開通過程承擔的電流就越大。因此，離G極近的S極區域溫度更高，更容易因過流產生損壞。

3 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，更多的損壞發生在過流后，由于系統的過流保護電路工作，關斷功率MOSFET，而在關斷的過程中常發生過壓(即雪崩)。圖2(c)即為功率MOSFET管先發生過流，然后進入雪崩發生過壓的損壞形態。與過流損壞形式類似，過壓多發生在靠近S極的地方。但是也存在因為過壓產生的擊穿洞坑遠離S極的情況。這是因為在關斷的過程，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 線性區大電流失效損壞

在電池充放電保護電路板上，一旦負載發生短線或過流電，保護電路將關斷功率MOSFET管，以免電池產生過放電。與短路或過流保護快速關斷方式不同，功率MOSFET管是以非常慢的速度關斷，如圖4所示。功率MOSFET管的G極通過一個1 MΩ的電阻，緩慢關斷。從VGS波形上看到，米勒平臺的時間高達5 ms。米勒平臺期間，功率MOSFET管工作在放大狀態，即線性區。

功率MOSFET管開始工作的電流為10 A，使用器件為AO4488，失效的形態如圖4(c)所示。當功率MOSFET管工作在線性區時，它是負溫度系數[2]，局部單元區域發生過流時，同樣會產生局部熱點。溫度越高，電流越大，致使溫度進一步增加，導致過熱損壞。可以看出，其損壞的熱點的面積較大，這是因為該區域經過了一定時間的熱量的積累。另外，破位的位置離G極較遠。損壞同樣發生于關斷過程，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管內部，局部性能弱的單元，其封裝形