開關電源中功率MOSFET損壞模式及分析

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開關電源中功率MOSFET損壞模式及分析

結合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下損壞的模式，并說明了產生這樣的損壞形態的原因，也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中，發生失效形態的差別，從而為失效是在關斷還是在開通過程中發生損壞提供了判斷依據。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。

同時，也分析了功率MOSFET管在動態老化測試中慢速開通及在電池保護電路應用中慢速關斷時，較長時間工作在線性區時，損壞的形態。后，結合實際的應用，論述了功率MOSFET通常會產生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。

目前，功率MOSFET管廣泛地應用于開關電源系統及其它的一些功率電子電路中，然而，在實際的應用中，通常，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有時候會發生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結論通常是過電性應力EOS，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，系統的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管的失效是發生在開通的過程中，還是發生在關斷的過程中，從而為設計工程師提供一些依據，來找到系統設計的一些問題，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40V的功率MOSFET：AON6240，DFN5*6的封裝。其中，所加的電源為60V，使用開關來控制，將60V的電壓直接加到AON6240的D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：5片。
過電流測試的電路圖如圖2(b)所示，選用40V的功率MOSFET：AON6240，DFN5*6的封裝。首先合上開關A，用20V的電源給大電容充電，電容C的容值：15mF，然后斷開開關A，合上開關B，將電容C的電壓加到功率MOSFET的D和S極，使用信號發生器產生一個電壓幅值為4V、持續時間為1秒的單脈沖，加到功率MOSFET的G極。測試樣品數量：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去除外面的塑料外殼，對露出的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內部寄生三極管的導通，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內部形成局部的熱點而損壞。
硅片中間區域是散熱條件差的位置，也是容易產生熱點的地方，可以看到，上圖中，擊穿小孔洞即熱點，正好都位于硅片的中間區域。
在過流損壞的條件下，圖2(b )的可以看到：所有的損壞位置都是發生的S極，而且比較靠近G極，因為電容的能量放電形成大電流，全部流過功率MOSFET，所有的電流全部要匯集中S極，這樣，S極附近產生電流集中，因此溫度高，也容易產生損壞。
注意到，在功率MOSFET內部，是由許多單元并聯形成的，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極近地區域，VGS的電壓越高，因此區域的單元流過電流越大，因此在瞬態開通過程承擔更大的電流，這樣，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，更多的損壞是發生過流后，由于系統的過流保護電路工作，將功率MOSFET關斷，這樣，在關斷的過程中，發生過壓即雪崩。從圖4可以看到功率MOSFET先過流，然后進入雪崩發生過壓的損壞形態。
可以看到，和上面過流損壞形式類似，它們也發生在靠近S極的地方，同時，也有因為過壓產生的擊穿的洞坑，而損壞的位置遠離S極，和上面的分析類似，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，通常，負載發生短線或過流電，保護電路將關斷功率MOSFET，以免電池產生過放電。但是，和通常短路或過流保護快速關斷方式不同，功率MOSFET以非常慢的速度關斷，如下圖5所示，功率MOSFET的G極通過一個1M的電阻，緩慢關斷。從VGS波形上看到，米勒平臺的時間高達5ms。米勒平臺期間，功率MOSFET工作在放大狀態，即線性區。
功率MOSFET工作開始工作的電流為10A，使用器件為AO4488，失效的形態如圖5(c)所示。當功率MOSFET工作在線性區時，它是負溫度系數，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，導致溫度更一步增加，然后過熱損壞。可以看出，其損壞的熱點的面積較大，是因為此區域過一定時間的熱量的積累。另外，破位的位置離G極較遠，損壞同樣發生的關斷的過程，破位的位置在中間區域，同樣，也是散熱條件差的區域.
另外，在功率MOSFET內部，局部性能弱的單元，封裝的形式和工藝，都會對破位的位置產生影響
另外，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，這樣，在起動的過程中，功率MOSFET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的時候，功率MOSFET不斷的進入線性區工作，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5V的驅動電壓，做開關機的重復測試，電流ID=3，工作頻率8Hz重復450次后，器件損壞，波形和失效圖片如圖6(b)和(c)所示。可以看到，器件形成局部熱點，而且離G極比較近，因此，器件是在開通過程中，由于長時間工作線性區產生的損壞。
圖6(a)是器件 AOT5N50在一個實際應用中，在動態老化測試過程生產失效的圖片，而且測試實際的電路，起動過程中，MOSFET實際驅動電壓5V，MOSFET工作在線性區，失效形態和圖6(b)相同。

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| 發布時間：2017.06.06 來源：開關電源廠家

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