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开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析
原创:开关电源中功率MOSFET损坏模式及分析
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@adlsong
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。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。
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@adlsong
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，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。
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@adlsong
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。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。
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