小貼士：開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET管損壞模式及分析

本文將通過(guò)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(tài)，系統地分析過(guò)電流損壞和過(guò)電壓損壞。同時(shí)根據損壞位置不同，分析功率MOSFET管的失效發(fā)生在開(kāi)通的過(guò)程中或發(fā)生在關(guān)斷的過(guò)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(wèn)題，提高電子系統的可靠性。

目前，功率MOSFET管廣泛地應用于開(kāi)關(guān)電源系統及其他功率電子電路中。實(shí)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(guò)載測試、輸入過(guò)電壓測試以及動(dòng)態(tài)的老化測試中，功率MOSFET管有時(shí)候會(huì )發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET管送到半導體原廠(chǎng)做失效分析后，分析報告的結論通常是過(guò)電性應力EOS，卻無(wú)法判斷是什么原因導致MOSFET的損壞。

1 過(guò)電壓和過(guò)電流測試電路

過(guò)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(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)控制，將60 V的電壓直接加到AON6240的D極和S極，熔絲用來(lái)保護測試系統，功率MOSFET損壞后，將電源斷開(kāi)。測試樣品數量為5片。

過(guò)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(kāi)關(guān)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(kāi)開(kāi)關(guān)A，合上開(kāi)關(guān)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(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)電壓幅值為4 V、持續時(shí)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(guò)電壓和過(guò)電流失效損壞

將過(guò)電壓和過(guò)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(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(guò)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(chēng)為熱點(diǎn)，其產(chǎn)生的原因就是因為過(guò)壓而產(chǎn)生雪崩擊穿，在過(guò)壓時(shí)，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(guò)三極管的電流越大時(shí)，溫度越高。而溫度越高，流過(guò)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(diǎn)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(chǎn)生熱點(diǎn)的地方，可以看到，圖中擊穿小孔洞(即熱點(diǎn))正好都位于硅片的中間區域。從圖2(b)可以看到，在過(guò)流損壞的條件下，所有的損壞位置都發(fā)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(guò)功率MOSFET管，所有的電流匯集于S極，此時(shí)溫度最高，最容易產(chǎn)生損壞。

功率MOSFET管內部由許多單元并聯(lián)形成，如圖3(a)所示。其等效的電路圖如圖3(b)所示。在開(kāi)通過(guò)程中，離G極越近的區域，VGS的電壓越高，流過(guò)該區域的單元電流越大，在瞬態(tài)開(kāi)通過(guò)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(guò)流產(chǎn)生損壞。

3 過(guò)電壓和過(guò)電流混合失效損壞

在實(shí)際應用中，單一的過(guò)電流和過(guò)電流的損壞通常很少發(fā)生，更多的損壞發(fā)生在過(guò)流后，由于系統的過(guò)流保護電路工作，關(guān)斷功率MOSFET，而在關(guān)斷的過(guò)程中常發(fā)生過(guò)壓(即雪崩)。圖2(c)即為功率MOSFET管先發(fā)生過(guò)流，然后進(jìn)入雪崩發(fā)生過(guò)壓的損壞形態(tài)。與過(guò)流損壞形式類(lèi)似，過(guò)壓多發(fā)生在靠近S極的地方。但是也存在因為過(guò)壓產(chǎn)生的擊穿洞坑遠離S極的情況。這是因為在關(guān)斷的過(guò)程，距離G極越遠的位置，在瞬態(tài)關(guān)斷過(guò)程中，VGS的電壓越高，承擔電流也越大，因此更容易發(fā)生損壞。

4 線(xiàn)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(fā)生短線(xiàn)或過(guò)流電，保護電路將關(guān)斷功率MOSFET管，以免電池產(chǎn)生過(guò)放電。與短路或過(guò)流保護快速關(guān)斷方式不同，功率MOSFET管是以非常慢的速度關(guān)斷，如圖4所示。功率MOSFET管的G極通過(guò)一個(gè)1 MΩ的電阻，緩慢關(guān)斷。從VGS波形上看到，米勒平臺的時(shí)間高達5 ms。米勒平臺期間，功率MOSFET管工作在放大狀態(tài)，即線(xiàn)性區。

功率MOSFET管開(kāi)始工作的電流為10 A，使用器件為AO4488，失效的形態(tài)如圖4(c)所示。當功率MOSFET管工作在線(xiàn)性區時(shí)，它是負溫度系數[2]，局部單元區域發(fā)生過(guò)流時(shí)，同樣會(huì )產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。溫度越高，電流越大，致使溫度進(jìn)一步增加，導致過(guò)熱損壞?？梢钥闯?，其損壞的熱點(diǎn)的面積較大，這是因為該區域經(jīng)過(guò)了一定時(shí)間的熱量的積累。另外，破位的位置離G極較遠。損壞同樣發(fā)生于關(guān)斷過(guò)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