开关电源中MOSFET损坏模式及分析

只看该作者 · 2013-10-26 23:35

结合功率MOSFET管失效分析图片不同的形态，论述了功率MOSFET管分别在过电流和过电压条件下损坏的模式，并说明了产生这样的损坏形态的原因，也分析了功率MOSFET管在关断及开通过程中，发生失效形态的差别，从而为失效是在关断还是在开通过程中发生损坏提供了判断依据。给出了测试过电流和过电压的电路图。同时，也分析了功率MOSFET管在动态老化测试中慢速开通及在电池保护电路应用中慢速关断时，较长时间工作在线性区时，损坏的形态。最后，结合实际的应用，论述了功率MOSFET通常会产生过电流和过电压二种混合损坏方式损坏机理和过程。

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。

只看该作者 · 2013-10-26 23:36

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。

只看该作者 · 2013-10-26 23:36

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。

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，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。

只看该作者 · 2013-10-26 23:36

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。

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。

只看该作者 · 2013-10-26 23:37

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，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。

另外，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。
另外，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在一个实际应用中，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，起动过程中，MOSFET实际驱动电压5V，MOSFET工作在线性区，失效形态和图6(b)相同。