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开关电源中功率MOSFET管损坏模式及分析
目前，功率广泛地应用于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，功率有时候会发生失效损坏。工程师将损坏的功率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。 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。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MOSFET管由于驱动电压不足，容易进入线性区工作。在进行动态老化测试时，功率MOSFET管不断地进入线性区，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5 V的驱动电压，做开关机的重复测试，电流ID=3 A，工作频率为8 Hz。重复450次后，器件损坏，波形和失效图片如图4(b)和图4(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，由于长时间工作于线性区而发生损坏。 图4(e)是器件 AOT5N50在一个实际应用中，在动态老化测试过程发生失效的图片。起动过程中，MOSFET实际驱动电压为5 V，MOSFET工作在线性区，失效形态与图4(c)相同。 功率MOSFET单一的过电压损坏形态通常是在中间散热较差的区域产生一个局部的热点，而单一的过电流的损坏位置通常是在电流集中的靠近S极的区域。实际应用中，通常先发生过流，短路保护MOSFET关断后，又经历雪崩过压的复合损坏形态。如果损坏位置距离G极近，则开通过程中损坏的几率更大；如果损坏位置距离G极远，则关断开通过程中损坏几率更大。功率MOSFET管在线性区工作时，产生的失效形态也是局部的热点，热量的累积影响损坏热点洞坑的大小。散热条件是决定失效损坏发生位置的重要因素，芯片的封装类型及封装工艺影响芯片的散热条件。另外，芯片生产工艺产生单元性能不一致而形成性能较差的单元，也会影响到损坏的位置。参考文献[1] 刘松.基于漏极导通区特性理解MOSFET开关过程[J]. 今日电子，2008(11)：74-75.[2] 刘松.理解功率MOSFET的开关损耗[J].今日电子，2009(10)：52-55.[3] 刘松，葛小荣.理解功率MOSFET的电流[J].今日电子，2011(11)：35-37.[4] 刘松.理解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性[J].今日电子，2009(11)：25-26.[5] 刘松，葛小荣.应用于线性调节器的中压功率功率MOSFET的选择[J].今日电子，2012(2)：36-38.[6] 刘松，陈均，林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响[J].电子技术应用，)：72-74.分享到：
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我来说两句……
微信公众账号一般地说，MOS管导通电阻小，可以降低导通时的功耗。
但无论什么元件器件，追求某项指标必会影响其它指标。以MOS管来说，高耐压与低电阻是矛盾的，不可兼得。
所以不能说导通电阻越小越好，因为这是牺牲其它性能获得的。
一般mos管额定电流越大,额定导通电阻也就越小
所以你想选一个mΩ级导通电阻的管子,往往只有几十A的大功率管才具备这个条件.
MOS管工作原理
双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）。另一种晶体管，叫做场效应管（FET），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。分别为电流控制器件和电压控制器件。FET的增益等于它的跨导(trans
conductance)gm， 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。
场效应管的名字也来源于它的输入端栅（称为gate），通过投影一个电场在一个绝缘层（氧化物SIO2)上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体（只是一个电容的作用），所以FET管的GATE电流非常小（电容的电流损耗）。最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）（metal
oxide semicondutor field effect
transistor）。因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。
首先考察一个更简单的器件－MOS电容－能更好的理解MOS管。这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是extrinsic
silicon(衬底），他们之间由一薄层二氧化硅分隔开（图1.22A）。金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body
or bulk or background。他们之间的绝缘氧化层称为gate
dielectric。图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。这个MOS
电容的电特性能通过把backgate接地，gate接不同的电压来说明。图1.22A中的MOS电容的GATE电位是0V。金属GATE和半导体BACKGATE在WORK
FUNCTION（也可以说是物质组成上）上的差异在电介质（氧化层的上下）上产生了一个小电场。图示的器件中，这个电场使金属极带轻微的正电位（是因为下面衬底是P型的空穴多，电子少，故需要从别处"抢来"电子，所以氧化物处电子少了，故GATE极带正电），P型硅负电位（相对电子多了）。这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。
图1.22B中是当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置（PN结）时发生的情况。穿过GATE
DIELECTRIC的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着GATE电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子，硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为"反型"(inversion)，反转的硅层叫做channel(N
Pmos的命名就是根据这里来的)。随着GATE电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累，channel变成了强反转。Channel形成时的电压被称为阈值电压Vt。当GATE和BACKGATE之间的电压差小于阈值电压时，不会形成channel。当电压差超过阈值电压时，channel就出现了。（其实还有个亚阈值状态Vgs&Vthrod,此时也有载流子，也有电子通道，不过很小一般忽略，此时耗尽层的负电荷占据主要，以映像栅上的电压)。
图1.22 MOS电容：（A）未偏置（VBG＝0V），（B）反转（VBG＝3V），（C）积累（VBG＝-3V）。
图1.22C中是当MOS电容的GATE相对于backgate是负电压时的情况（就好像给二极管的PN结加上正电压）。电场反转，往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了，这个器件被认为是处于accumulation（电荷积累）状态了。
MOS电容的特性能被用来形成MOS管。图1.23A是最终器件的截面图。Gate，电介质和backgate保持原样。在GATE的两边是两个额外的选择性掺杂的区域。其中一个称为source，另一个称为drain。假设source
和backgate都接地，drain接正电压。只要GATE对BACKGATE的电压仍旧小于阈值电压，就不会形成channel。Drain和backgate之间的PN结反向偏置，所以只有很小的电流从drain流向backgate。如果GATE电压超过了阈值电压，在GATE电介质下就出现了channel。这个channel就像一薄层短接drain和source的N型硅。由电子组成的电流从source通过channel流到drain。总的来说，只有在gate
对source电压V 超过阈值电压Vt时，才会有drain电流。
图1.23 MOSFET晶体管的截面图：NMOS（A）和PMOS（B）。在图中，S＝Source，G=Gate
,D=Drain。虽然backgate图上也有，但没有说明。
MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。在对称的MOS管中，对soure和drain的标注有一点任意性。定义上，载流子流出source，流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是不定的，两个引线端就会互相对换角色。这种情况下，电路设计师必须指定一个是drain另一个则是source。
Source和drain不同掺杂不同几何形状的就是非对称MOS管。制造非对称晶体管有很多理由，但所有的最终结果都是一样的。一个引线端被优化作为drain，另一个被优化作为source。如果drain和source对调，这个器件就不能正常工作了。
图1.23A中的晶体管有N型channel所有它称为N-channel MOS管，或NMOS。P-channel
MOS（PMOS）管也存在。图1.23B中就是一个由轻掺杂的N型BACKGATE和P型source和drain组成的PMOS管。如果这个晶体管的GATE相对于BACKGATE正向偏置，电子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有channel形成。如果GATE相对于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的阈值电压是负值。由于NMOS管的阈值电压是正的，PMOS的阈值电压是负的，所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说，“PMOS
Vt从0.6V上升到0.7V”， 实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V。
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