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。

    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。
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?？梢钥闯觯鋼p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，其封裝形式和工藝都會對破位的位置產生影響。
    不僅如此，一些電子系統在起動的過程中，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控制芯片供電，在起動的過程中，功率MOSFET管由于驅動電壓不足，容易進入線性區工作。在進行動態老化測試時，功率MOSFET管不斷地進入線性區，工作一段時間后，就會形成局部熱點而損壞。
    使用AOT5N50作測試，G極加5 V的驅動電壓，做開關機的重復測試，電流ID=3 A，工作頻率為8 Hz。重復450次后，器件損壞，波形和失效圖片如圖4(b)和圖4(c)所示?？梢钥吹剑骷纬删植繜狳c，而且離G極比較近。因此，器件是在開通過程中，由于長時間工作于線性區而發生損壞。
    圖4(e)是器件 AOT5N50在一個實際應用中，在動態老化測試過程發生失效的圖片。起動過程中，MOSFET實際驅動電壓為5 V，MOSFET工作在線性區，失效形態與圖4(c)相同。
    功率MOSFET單一的過電壓損壞形態通常是在中間散熱較差的區域產生一個局部的熱點，而單一的過電流的損壞位置通常是在電流集中的靠近S極的區域。實際應用中，通常先發生過流，短路保護MOSFET關斷后，又經歷雪崩過壓的復合損壞形態。如果損壞位置距離G極近，則開通過程中損壞的幾率更大；如果損壞位置距離G極遠，則關斷開通過程中損壞幾率更大。功率MOSFET管在線性區工作時，產生的失效形態也是局部的熱點，熱量的累積影響損壞熱點洞坑的大小。散熱條件是決定失效損壞發生位置的重要因素，芯片的封裝類型及封裝工藝影響芯片的散熱條件。另外，芯片生產工藝產生單元性能不一致而形成性能較差的單元，也會影響到損壞的位置。
參考文獻
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