功率MOSFET应用指南-11-EOS的失效特征-电源网

当面对客户返回的失效产品时，往往被要求给出失效的根本原因，是否产品存在潜在的设计或质量问题等，这就要求我们要针对于失效产品进行细节缜密的分析。我一直认为一个好的售后产品分析工程师都可以成为一位接触的侦探。他的任务就是根据产品中失效的现象（案发现场）来找出产生失效的根本原因（真凶），他们没有可以在眼前回放当时失效场景的超能力，只有通过产品的一些蛛丝马迹来破案。

天下没有不留破绽的罪犯，那么Mosfet的失效也有一些规律可循。本文将更具供应商提供的数据来分享Mosfet元件EOS（Electrical Over Stress）的失效特征。

EOS主要是由于元件承载了过大的电流或电压，超过了Mosfet的能力导致了至少两个或者三个管脚短路在一起。另外从 MOSFET 的封装烧毁的痕迹，晶圆的裂痕是可以判断出引起是失效的故障事件的类型，通常由下面的四种情况：

ESD（机械模式和人体模式）
UIS 工作 - 通常叫做雪崩或者耐久性
线性工作模式
过电流

1. ESD

1.1 机械模式

失效条件：

机械模式的 ESD 是模拟一个超过了栅极源极或栅极漏极之间的氧化物所能承受的最大值的电压脉冲施加到 Mosfet上。在电压源和 Mosfet之间会有一个最小的串联电阻，这就会导致 Mosfet的栅极电压迅速上升，最终导致Mosfet失效。

失效特征：

Mosfet结构中边缘的单元是靠近栅极的，也是一个容易失效的地方。外边缘的单元和栅极附近的单元是最先承受到来的电压脉冲的。结果也就会是第一个超过栅极氧化物能力的位置。

1.2 人体模式

失效条件：

人体模式的 ESD 模拟了一个已经超过了栅极源极或栅极漏极之间的氧化物所能承受的最大电压的尖峰电压施加到 Mosfet上。在电压源和 Mosfet之间有一个1500 Ω的串联电阻，它可以限制 Mosfet栅极电压的上升速率。无论是人体接触，电气测试设备或是多功能的电路都能很容易地提供这样的电压脉冲。

失效特征：

失效通常发生在 Mosfet结构的边缘位置的单元中。外侧边缘的单元和靠近栅极

的单元是最先受到电压脉冲的冲击的，这里也是电压超过栅极氧化物能力的第一个

地方。由于栅极电压缓慢地上升，失效位置并不会表现出非常明显的有靠近栅极的

趋势，在这一点上人体模式和机械模式是不同的。

2. UIS 工作 - 通常叫做雪崩或者耐久性

失效条件：

UIS 模拟的是当电路中存在一个电感，并当 Mosfet关闭时的情况。电感量可以是任意的线圈或是寄生的。因为电感中的电流并不能瞬间衰减到0，Mosfet的漏极源极电压上升，器件就会进入雪崩击穿，之前存储在电感中的能量就会通过 Mosfet 释放。这就有可能导致Mosfet的失效。

失效特征：

失效点可以在一个 Mosfet基础单元中找到。烧毁的痕迹在外形上通常是圆的，这表示一个失效点中心位置以及随后发生了热损坏。如果雪崩事件的持续时间为ms级别的，就会在流过最大电流的晶圆中间的位置呈现出烧过的痕迹。因为连接引线和晶圆结合的位置的电流密度较高，所以失效的位置经常出现在这里。但是因为有散热片的存在，所以往往并不会在连接引线的结点的正下方出现失效，而是发生在晶圆最热的地方。对于 µs 级的短暂的雪崩事件，烧毁的痕迹可能发生在整个晶圆的任意地方。这种情况下不太可能电流汇集在一起或者在这个事件段内器件给自己加热，所以器件内部的温升是比较均匀的。即使对于更短的雪崩事件，由于边缘地方的单元是不连续的，烧毁可能会发生在晶圆的转角处。

3. 线性工作模式

失效条件：

线性工作模式通常发生在器件开关或是钳位的感性负载应用中。除非超出了SOA安全工作区域，这本身并不是一个错误的工作状态。线性模式EOS模拟的是当一个Mosfet工作在线性模式很长时间的情况。这种情况也有可能发生在当试图导通Mosfet，而栅极的驱动电压又过低的时候。还有可能出现在施加较高的漏极电压，并试图维持住Mosfet 关闭的时候。如果栅极的连接断了，栅极电压的容性会上升，也有可能出现线性模式的失效。

失效特征：

晶圆的最热点就会是失效的位置，通常会出现在晶圆中间的部位。晶圆的中间位置往

往是流过最大电流，且散热能力下降的地方。失效的位置也会出现在连接线和晶圆结

合的位置，因为这里的电流密度最高，但由于有散热片的原因，失效往往不会出现在

结点的正下方。

4. 过电流

失效条件：

如果在电路中没有能够限制电流的器件，当Mosfet导通时就会出现过电流的情况，导致供电电压完全加在了Mosfet的漏极源极端子上。一般会发生在负载短路时。也有可能发生在半桥的配置中，如果上下Mosfet同时开通后，随后就会发生过电流。

失效特征：

失效位置起初发生在承载电流的引线或夹片与晶圆连接的地方。通常来说这种损坏是很多的，但是当过电流时，会看到金属和焊接点溶化后的痕迹散布在整个晶圆的表面。对于打隐线的封装，经常会出现引线融化。对于 clip-bonded 的封装，通常会观察到晶圆出现裂痕。

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