热点分析图_通过分析功率MOSFET管的工作特性，判断其损坏原因

0 前言

目前，功率 MOSFET管广泛地应用于开关电源系统及其它的一些功率电子电路中，然而，在实际的应用中，通常，在一些极端的边界条件下，如系统的输出短路及过载测试，输入过电压测试以及动态的老化测试中，功率 MOSFET 有时候会发生失效损坏。工程师将损坏的功率 MOSFET 送到半导体原厂做失效分析后，得到的失效分析报告的结论通常是过电性应力 EOS，无法判断是什么原因导致 MOSFET 的损坏。

本文将通过功率 MOSFET 管的工作特性，结合失效分析图片中不同的损坏形态，系统的分析过电流损坏和过电压损坏，同时，根据损坏位置不同，分析功率 MOSFET 管的失效是发生在开通的过程中，还是发生在关断的过程中，从而为设计工程师提供一些依据，来找到系统设计的一些问题，提高电子系统的可靠性。

1、过电压和过电流测试电路

过电压测试的电路图如图 1(a)所示，选用 40V 的功率 MOSFET：AON6240，DFN5*6 的封装。其中，所加的电源为 60V，使用开关来控制，将 60V 的电压直接加到 AON6240 的 D 和 S 极，熔丝用来保护测试系统，功率 MOSFET 损坏后，将电源断开。测试样品数量：5 片。

过电流测试的电路图如图 2(b)所示，选用 40V 的功率 MOSFET：AON6240，DFN5*6 的封装。首先合上开关 A，用 20V 的电源给大电容充电，电容 C 的容值：15mF，然后断开开关 A，合上开关 B，将电容 C 的电压加到功率 MOSFET 的 D 和 S 极，使用信号发生器产生一个电压幅值为 4V、持续时间为 1 秒的单脉冲，加到功率 MOSFET 的 G 极。测试样品数量：5 片。

(a)：过电压测试

(b)：过电流测试图 1：:测试电路图

2、过电压和过电流失效损坏

将过电压和过电流测试损坏的功率 MOSFET 去除外面的塑料外壳，对露出的硅片正面失效损坏的形态的图片，分别如图 2(a)和图 2(b)所示。

(a)：过电压损坏

(b)：过电流损坏

图 2：失效图片

从图 2(a)可以看到：过电压的失效形态是在硅片中间的某一个位置产生一个击穿小孔洞，通常称为热点，其产生的原因就是因为过压而产生雪崩击穿，在过压时，通常导致功率 MOSFET 内部寄生三极管的导通[1]，由于三极管具有负温度系数特性，当局部流过三极管的电流越大时，温度越高，而温度越高，流过此局部区域的电流就越大，从而导致功率 MOSFET 内部形成局部的热点而损坏。

硅片中间区域是散热条件最差的位置，也是最容易产生热点的地方，可以看到，上图中，击穿小孔洞即热点，正好都位于硅片的中间区域。

在过流损坏的条件下，图 2(b )的可以看到：所有的损坏位置都是发生的 S 极，而且比较靠近 G 极，因为电容的能量放电形成大电流，全部流过功率 MOSFET，所有的电流全部要汇集中 S 极，这样，S 极附近产生电流集中，因此温度最高，也最容易产生损坏。

注意到，在功率 MOSFET 内部，是由许多单元并联形成的，如图 3(a)所示，其等效的电路图如图 3(b )所示，在开通过程中，离 G 极近地区域，VGS的电压越高，因此区域的单元流过电流越大，因此在瞬态开通过程承担更大的电流，这样，离 G 极近的 S 极区域，温度更高，更容易因过流产生损坏。

(a) ：内部结构 (b)：等效电路图 3：功率 MOSFET 内部结构及等效电路

3、过电压和过电流混合失效损坏

在实际应用中，单一的过电流和过电流的损坏通常很少发生，更多的损坏是发生过流后，由于系统的过流保护电路工作，将功率 MOSFET 关断，这样，在关断的过程中，发生过压即雪崩。从图 4 可以看到功率 MOSFET 先过流，然后进入雪崩发生过压的损坏形态。

图 4：过流后再过压损坏形态

可以看到，和上面过流损坏形式类似，它们也发生在靠近 S 极的地方，同时，也有因为过压产生的击穿的洞坑，而损坏的位置远离 S 极，和上面的分析类似，在关断的过程，距离 G 极越远的位置，在瞬态关断过程中，VGS 的电压越高，承担电流也越大，因此更容易发生损坏。

4、线性区大电流失效损坏

在电池充放电保护电路板上，通常，负载发生短线或过流电，保护电路将关断功率 MOSFET，以免电池产生过放电。但是，和通常短路或过流保护快速关断方式不同，功率 MOSFET 以非常慢的速度关断，如下图 5 所示，功率 MOSFET 的 G 极通过一个 1M 的电阻，缓慢关断。从 VGS 波形上看到，米勒平台的时间高达 5ms。米勒平台期间，功率 MOSFET 工作在放大状态，即线性区。

功率 MOSFET 工作开始工作的电流为 10A，使用器件为 AO4488，失效的形态如图 5(c)所示。当功率 MOSFET 工作在线性区时，它是负温度系数[2]，局部单元区域发生过流时，同样会产生局部热点，温度越高，电流越大，导致温度更一步增加，然后过热损坏。可以看出，其损坏的热点的面积较大，是因为此区域过一定时间的热量的积累。

另外，破位的位置离 G 极较远，损坏同样发生的关断的过程，破位的位置在中间区域，同样，也是散热条件最差的区域。

在功率 MOSFET 内部，局部性能弱的单元，封装的形式和工艺，都会对破位的位置产生影响。

(a) ：电池保护板电路 (b)：工作波形

(c)：失效图片图 5：电池保护电路板工作波形及 MOSFET 失效形态

一些电子系统在起动的过程中，芯片的 VCC 电源，也是功率 MOSFET 管的驱动电源建立比较慢，如在照明中，使用 PFC 的电感绕组给 PWM 控制芯片供电，这样，在起动的过程中，功率 MOSFET 由于驱动电压不足，容易进入线性区工作。在进行动态老化测试的时候，功率 MOSFET 不断的进入线性区工作，工作一段时间后，就会形成局部热点而损坏。

使用 AOT5N50 作测试，G 极加 5V 的驱动电压，做开关机的重复测试，电流 ID=3，工作频率 8Hz 重复 450 次后，器件损坏，波形和失效图片如图 6(b)和(c)所示。可以看到，器件形成局部热点，而且离 G 极比较近，因此，器件是在开通过程中，由于长时间工作线性区产生的损坏。

图 6(a)是器件 AOT5N50 应用于日光灯电子镇流器的 PFC 电路，系统在动态老化测试过程生产失效的图片，而且测试实际的电路，在起动过程中，MOSFET 实际驱动电压只有 5V 左右，MOSFET 相当于有很长的一段时间工作在线性区，失效形态和图 6(b)相同。