小贴士：开关电源中功率MOSFET管损坏模式及分析

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，系统地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管的失效发生在开通的过程中或发生在关断的过程中，从而为设计工程师提供一些依据，找到系统设计中的问题，提高电子系统的可靠性。

目前，功率MOSFET管广泛地应用于开关电源系统及其他功率电子电路中。实际应用中，特别是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管有时候会发生失效损坏。工程师将损坏的功率MOSFET管送到半导体原厂做失效分析后，分析报告的结论通常是过电性应力EOS，却无法判断是什么原因导致MOSFET的损坏。

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40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封装。通过开关来控制，将60 V的电压直接加到AON6240的D极和S极，熔丝用来保护测试系统，功率MOSFET损坏后，将电源断开。测试样品数量为5片。

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

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管去除外面的塑料外壳，露出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管内部的寄生三极管导通[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管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，图中击穿小孔洞(即热点)正好都位于硅片的中间区域。从图2(b)可以看到，在过流损坏的条件下，所有的损坏位置都发生在S极，而且比较靠近G极。这是因为电容放电形成大的电流流过功率MOSFET管，所有的电流汇集于S极，此时温度最高，最容易产生损坏。

功率MOSFET管内部由许多单元并联形成，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极越近的区域，VGS的电压越高，流过该区域的单元电流越大，在瞬态开通过程承担的电流就越大。因此，离G极近的S极区域温度更高，更容易因过流产生损坏。

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，更多的损坏发生在过流后，由于系统的过流保护电路工作，关断功率MOSFET，而在关断的过程中常发生过压(即雪崩)。图2(c)即为功率MOSFET管先发生过流，然后进入雪崩发生过压的损坏形态。与过流损坏形式类似，过压多发生在靠近S极的地方。但是也存在因为过压产生的击穿洞坑远离S极的情况。这是因为在关断的过程，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，一旦负载发生短线或过流电，保护电路将关断功率MOSFET管，以免电池产生过放电。与短路或过流保护快速关断方式不同，功率MOSFET管是以非常慢的速度关断，如图4所示。功率MOSFET管的G极通过一个1 MΩ的电阻，缓慢关断。从VGS波形上看到，米勒平台的时间高达5 ms。米勒平台期间，功率MOSFET管工作在放大状态，即线性区。

功率MOSFET管开始工作的电流为10 A，使用器件为AO4488，失效的形态如图4(c)所示。当功率MOSFET管工作在线性区时，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，致使温度进一步增加，导致过热损坏。可以看出，其损坏的热点的面积较大，这是因为该区域经过了一定时间的热量的积累。另外，破位的位置离G极较远。损坏同样发生于关断过程，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管内部，局部性能弱的单元，其封装形 式和工艺都会对破位的位置产生影响。

不仅如此，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，在起动的过程中，功率MOSF