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一、主要失效原因分類

MOSFET 失效可分為外部應(yīng)力損傷、電路設(shè)計缺陷、制造工藝缺陷三大類，具體表現(xiàn)如下：

 

1. 外部應(yīng)力損傷

（1）靜電放電（ESD）擊穿

成因：MOSFET 柵源極（G-S）間電容極?。◣?pF）、輸入阻抗極高（10?Ω+），少量靜電電荷（如人體、環(huán)境摩擦產(chǎn)生）通過公式 \(U = Q/C\)

 可生成數(shù)百伏高壓，直接擊穿 G-S 絕緣層。

典型場景：未接地的操作環(huán)境、化纖衣物摩擦、干燥環(huán)境下的器件搬運(yùn)。

我們都知道雖然管子有抗靜電的保護(hù)措施，但仍需小心對待，在存儲和運(yùn)輸中最好用金屬容器或者導(dǎo)電材料包裝，不要放在易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。組裝、調(diào)試時，工具、儀表、工作臺等均應(yīng)良好接地。要防止操作人員的靜電干擾造成的損壞，如不宜穿尼龍、化纖衣服，手或工具在接觸集成塊前最好先接一下地。對器件引線矯直彎曲或人工焊接時，使用的設(shè)備必須良好接地。

（2）過流、過壓、過溫

成因：

過流：輸入端保護(hù)二極管電流容限僅約 1mA，瞬態(tài)電流超過 10mA（如浪涌、負(fù)載突變）時，二極管過熱燒毀，失去保護(hù)作用。

過壓：柵極電壓超過額定值（如驅(qū)動電路故障），導(dǎo)致氧化層擊穿；漏源極（D-S）間電壓超過耐壓值（VDS），引發(fā)雪崩擊穿。

 

有的廠家將他稱之為 “Area of Safe Operation (ASO)”

 

安全工作區(qū)：SOA(Safe operating area)是由一系列(電壓，電流)坐標(biāo)點形成的一個二維區(qū)域，開關(guān)器件正常工作時的電壓和電流都不會超過該區(qū)域。簡單地講，只要器件工作在SOA區(qū)域內(nèi)就是安全的，超過這個區(qū)域就存在危險。

 

SOA（Safe operating area）是指安全工作區(qū)，由一系列限制條件組成的一個漏源極電壓VDS和漏極電流ID的二維坐標(biāo)圖，開關(guān)器件正常工作時的電壓和電流都不應(yīng)該超過該限定范圍。

 

SOA區(qū)域分為以下5個區(qū)域。

A線  是由導(dǎo)通電阻RDS（on）max[ID=VDS/RDS（on）]限制的區(qū)域。該區(qū)域一般與ASO區(qū)域分開討論。

 

因為在固定的VGS電壓和環(huán)境條件下，功率MOSFET的RDS(ON)是固定的，因此這條斜線的斜率為1/R(DS(ON))。

 

B線 是受最大額定電流IDC（穩(wěn)態(tài)直流）、ID（pulse）（脈沖）max限制的區(qū)域。即：Ids能夠承載最大電流限制的線。

 

需要注意的是IDM是脈沖工作狀態(tài)的最大電流IDC，通常最大漏極脈沖電流IDM為連續(xù)漏極電流ID的3到4倍，因此脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。

 

C線 是受通道損耗（Channel dissipation或者Channel loss，ID流經(jīng)DS這是主要功率產(chǎn)生的功耗）限制的區(qū)域，電流和電壓的乘積的最大值，即額定功耗限制的線路。

 

正如我們注意到的那樣，這條線帶有一個恒定的斜率，但卻是一個負(fù)斜率。它是恒定的，因為這條 SOA 功率限制線上的每個點都承載相同的恒定功率，由公式 P = IV 表示。

 

因此，在這個 SOA 對數(shù)曲線中，這會產(chǎn)生 -1 的斜率。負(fù)號是因為流過 MOSFET 的電流隨著漏源電壓的增加而減少。

 

這種現(xiàn)象主要是由于 MOSFET 的負(fù)系數(shù)特性在結(jié)溫升高時會限制通過器件的電流。

 

D線 是Vds的額定電壓相關(guān)，受耐壓VDSsmax限制的區(qū)域。

 

漏源擊穿電壓BVDSS限制了器件工作的最大電壓范圍，在功率MOSFET正常工作中，若漏極和源極之間的電壓過度增高，PN結(jié)反偏發(fā)生雪崩擊穿，為保障器件安全，在關(guān)斷過程及其穩(wěn)態(tài)下必須承受的漏極和源極間最高電壓應(yīng)低于漏源擊穿電壓BVDSS。

 

V(BR)DSS：漏-源擊穿電壓(破壞電壓)

 

V(BR)DSS（有時候叫做BVDSS）是指在特定的溫度和柵源短接情況下，流過漏極電流達(dá)到一個特定值時的漏源電壓。這種情況下的漏源電壓為雪崩擊穿電壓。V(BR)DSS是正溫度系數(shù)，溫度低時V(BR)DSS小于25℃時的漏源電壓的最大額定值。在-50℃, V(BR)DSS大約是25℃時最大漏源額定電壓的90%。

 

E線 是二次擊穿限制， 與雙極晶體管中的二次擊穿區(qū)域類型相同，該區(qū)域在連續(xù)運(yùn)行或以相對較長的脈沖寬度（幾毫秒或更長）打開的條件下出現(xiàn)。這是因為，當(dāng)工作電壓在相同的外加電源線上升高時，工作電流自然降低，但在這個小電流區(qū)域，輸出傳輸特性（Vgs Id特性）是負(fù)溫度特性。當(dāng)該區(qū)域變?yōu)榇箅娏鲄^(qū)域，需要改變正溫度特性時，該現(xiàn)象消失。溫度特性從負(fù)變?yōu)檎碾娏髦挡煌诋a(chǎn)品對產(chǎn)品，以及幾安培或更小的產(chǎn)品，這種現(xiàn)象不太可能發(fā)生，這可以通過所謂的無二次擊穿的恒定電源線來保證。

 

ABCDE線對應(yīng)datasheet中標(biāo)注的是2、1、3、5、4

 

由于功率MOS FET通常用于開關(guān)應(yīng)用，在正常操作中，它們通常用于有限區(qū)域（2）。電路設(shè)計中需要注意的一點是控制系統(tǒng)順序。

 

圖1.12顯示了當(dāng)系統(tǒng)的源電源被切斷時，電子設(shè)備的電源電壓和門驅(qū)動電壓序列的示例。

 

如圖中的實線所示，如果直到電源電壓VDD關(guān)閉的下降時間長于柵極驅(qū)動電壓VGS的下降時間，則VGS在圖中的周期t1處于欠驅(qū)動狀態(tài)，并進(jìn)入ASO限制區(qū)域（4）或（5），因此有必要確認(rèn)其是否處于安全操作區(qū)域。

 

避免此類操作區(qū)域的有效方法是執(zhí)行順序控制，以便柵極驅(qū)動電壓VG的下降時間延遲到電源電壓VDD完成下降之后，如Vgs那個圖的虛線所示。

 

（3）柵極懸空與干擾

成因

柵極未接偏置或信號源時（懸空），易受外部電磁干擾，積累電荷導(dǎo)致誤導(dǎo)通或 G-S 電壓異常升高，最終擊穿。

（4）操作不當(dāng)（焊接、存儲等）

成因

電烙鐵未接地或漏電，焊接時瞬間高壓擊穿柵極；

存儲運(yùn)輸中使用非導(dǎo)電包裝（如塑料、化纖），積累靜電；

引腳頻繁彎曲導(dǎo)致內(nèi)部引線斷裂或封裝開裂。

2. 電路設(shè)計缺陷

（1）保護(hù)措施缺失

未在柵極串聯(lián)保護(hù)電阻（限制瞬態(tài)電流）或并聯(lián)下拉電阻（泄放靜電電荷）；

驅(qū)動感性負(fù)載時未加續(xù)流二極管，導(dǎo)致 D-S 間反電動勢過壓。

（2）偏置與驅(qū)動不當(dāng)

柵極驅(qū)動電壓不足（低于開啟電壓 VGS (th)）或過高（超過最大額定值）；

高速開關(guān)場景中未優(yōu)化驅(qū)動電阻，導(dǎo)致柵極振蕩或電壓過沖。

（3）散熱與布局問題

大功率場景下散熱設(shè)計不足，器件長期工作在高溫區(qū)（超過結(jié)溫 Tjmax），導(dǎo)致性能退化或熱失控；

電路布局不合理，柵極走線過長易受干擾，或漏極大電流路徑產(chǎn)生電磁耦合。

3. 制造工藝缺陷（批次性失效）

（1）封裝與內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題

固晶層（芯片與基板連接層）分層、厚度不均或固化不良（如案例中現(xiàn)象），導(dǎo)致散熱失效或機(jī)械應(yīng)力集中，引發(fā)接觸不良或熱敏感失效；

鍵合引線焊接不牢、氧化或斷裂，造成引腳開路；

柵極氧化層厚度不均或存在缺陷，降低 ESD 耐壓能力。

（2）材料與設(shè)計缺陷

保護(hù)二極管參數(shù)不匹配（如電流容限不足）；

芯片摻雜工藝異常，導(dǎo)致溝道導(dǎo)通特性漂移。

 

二、針對性對策與預(yù)防措施

1. 外部應(yīng)力防護(hù)（操作與環(huán)境控制）

（1）靜電防護(hù)全流程管控

存儲運(yùn)輸：使用金屬屏蔽袋、導(dǎo)電泡沫或防靜電包裝，避免與化纖、塑料接觸；

操作環(huán)境：工作臺、工具（電烙鐵、鑷子）可靠接地，操作人員佩戴防靜電手環(huán) / 手套，穿棉質(zhì)衣物；

電路設(shè)計：柵極并聯(lián) 10-20kΩ 下拉電阻（泄放感應(yīng)電荷），高頻場景加 RC 濾波（如 100Ω 電阻 + 10nF 電容）抑制振蕩。

（2）過流 / 過壓保護(hù)設(shè)計

輸入保護(hù)：可能出現(xiàn)大瞬態(tài)電流的回路中串接保護(hù)電阻（阻值 \(R = V_{surge}/I_{limit}\)，如限制電流 1mA 時，R≥1kΩ@1V 浪涌）；

耐壓設(shè)計：選擇 D-S 耐壓值（VDS）高于電路最大工作電壓 1.5 倍以上的器件，感性負(fù)載并聯(lián)續(xù)流二極管（如肖特基二極管）；

驅(qū)動電路：使用專用 MOSFET 驅(qū)動芯片，確保柵極電壓穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)（如 N-MOS 選 10-15V 驅(qū)動）。

（3）規(guī)范操作與焊接工藝

焊接時電烙鐵斷電后利用余熱操作，或使用恒溫接地焊臺（接地電阻＜1Ω），先焊接地引腳；

引腳整形時使用防靜電鑷子，避免過度彎曲（距封裝 1mm 以上操作）。

 

2. 電路設(shè)計優(yōu)化

（1）柵極驅(qū)動與偏置設(shè)計

避免柵極懸空，未使用的柵極必須接下拉電阻（10-20kΩ）或信號地；

高速開關(guān)場景中，柵極串聯(lián)阻尼電阻（10-100Ω）抑制振鈴，并聯(lián) TVS 二極管（耐壓值≤柵極額定電壓）吸收瞬態(tài)過壓。

（2）散熱與布局策略

大功率 MOSFET 配置足夠面積的散熱片或 PCB 銅箔，確保結(jié)溫 滿足降額要求。

柵極走線盡量短且遠(yuǎn)離大電流路徑，采用屏蔽線或覆地處理；

輸入輸出端并聯(lián)去耦電容（如 100nF），抑制電源紋波干擾。

 

（3）器件選型原則

優(yōu)先選擇內(nèi)置保護(hù)電阻、ESD 防護(hù)結(jié)構(gòu)（如 VMOS）或集成驅(qū)動電路的器件；

大功率場景選柵極電容較大的型號（降低感應(yīng)電壓），小信號場景選高輸入阻抗型號。

滿足電壓額定值及降額

電壓額定值

漏源電壓（VDS）

需大于電路中可能出現(xiàn)的最大工作電壓（包括瞬態(tài)尖峰電壓），一般預(yù)留 20%~30% 安全裕量。

例：若電路中 VDS 實際峰值為 100V，建議選擇 VDS≥130V 的器件。

柵源電壓（VGS）

超過額定 VGS（通常 ±20V 以內(nèi)）會導(dǎo)致柵極氧化層擊穿，需確保驅(qū)動電壓在安全范圍內(nèi)，避免靜電或干擾引入異常電壓。

滿足電流額定值及降額

連續(xù)漏極電流（ID）

需大于實際工作電流，同時考慮溫升影響（環(huán)境溫度升高時，ID 降額使用）。

計算公式：

脈沖漏極電流（IDM）

滿足短時峰值電流需求（如開關(guān)瞬態(tài)、啟動沖擊電流），確保不超過器件脈沖額定值。

導(dǎo)通電阻（RDS (on)）

熱性能

 

3. 制造與質(zhì)量管控

（1）來料檢測與工藝追溯

新批次器件抽檢 ESD 耐壓（如 ±2kV 接觸放電）、固晶層結(jié)合力（拉力測試）；

保留首件樣品，失效時對比分析（如 C-SAM 掃描、SEM 成像檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。

（2）生產(chǎn)流程優(yōu)化

固晶、鍵合工序嚴(yán)格控制參數(shù)（如膠水厚度、焊接溫度），定期校準(zhǔn)設(shè)備；

批量生產(chǎn)前進(jìn)行 DFMEA 分析，識別潛在失效模式（如熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力集中點）。

 

三、總結(jié)

MOSFET 失效多源于靜電、過流等外部應(yīng)力與設(shè)計、工藝缺陷的疊加作用。通過全流程靜電防護(hù)（接地、下拉電阻、防靜電操作）、電路保護(hù)設(shè)計（限流電阻、續(xù)流二極管）、器件選型優(yōu)化（內(nèi)置保護(hù)、合適耐壓 / 電流規(guī)格）及制造質(zhì)量管控（來料檢測、工藝追溯），可顯著降低失效風(fēng)險。尤其注意：柵極絕不懸空、焊接必須接地、驅(qū)動電壓合規(guī)，是避免人為失效的 “黃金三原則”。