一、導(dǎo)語
作為電子設(shè)備的“能量開關(guān)”，MOSFET（金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的可靠性直接決定了產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行。從消費(fèi)電子到新能源汽車，從工業(yè)控制到航空航天，MOSFET 無處不在 —2024 年全球市場規(guī)模已達(dá) 150.5 億美元，中國市場占比超 40%，高壓 MOSFET 更是以 30% 以上的年增速成為新能源領(lǐng)域的核心器件。然而，過壓、過流、高溫、輻射等因素都可能導(dǎo)致其失效。本文將從基本特性出發(fā)，拆解 MOSFET 的失效密碼，結(jié)合真實(shí)案例給出防范方案，為工程師和電子愛好者提供專業(yè)參考。
二、MOSFET 的基本特性
MOSFET是通過柵極電場控制漏極電流的半導(dǎo)體器件，核心結(jié)構(gòu)由源極（S）、漏極（D）、柵極（G）和襯底組成，柵極與溝道之間通過極薄的氧化層（通常僅幾納米）實(shí)現(xiàn)電隔離，這也是其最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)特征。
其核心特性可概括為三點(diǎn)：
1. 控制特性：柵極輸入阻抗極高，僅需微弱電場即可控制大電流，開關(guān)速度快，適合高頻應(yīng)用場景；
2. 功率特性：采用條形平面等優(yōu)化設(shè)計(jì)的功率MOSFET，單位硅面積導(dǎo)通電阻極低，且能在 175℃的高溫結(jié)溫范圍內(nèi)穩(wěn)定工作；
3. 耐受特性：部分型號具備重復(fù)雪崩擊穿能力，可在特定過載條件下臨時(shí)承受能量沖擊，但超出極限會(huì)導(dǎo)致永久性損壞。
關(guān)鍵參數(shù)包括擊穿電壓（BVds）、導(dǎo)通電阻（Rds (on)）、最大漏極電流（Id）和結(jié)溫（Tjmax），這些參數(shù)的設(shè)計(jì)裕量直接影響器件的抗失效能力。
三、MOSFET 的主要失效模式和機(jī)理
MOSFET的失效本質(zhì)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)或電學(xué)特性被破壞，常見失效模式及機(jī)理如下：
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失效模式
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核心機(jī)理
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典型誘因
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柵極氧化層擊穿
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氧化層電場強(qiáng)度超過耐受極限，導(dǎo)致絕緣性能永久喪失
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靜電放電（ESD）、柵源過壓、浪涌沖擊
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熱失效
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結(jié)溫持續(xù)超過額定值，引發(fā)金屬化層熔斷或半導(dǎo)體材料劣化
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過流、散熱不良、高頻開關(guān)損耗過大
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雪崩擊穿失效
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漏源電壓超過BVds，導(dǎo)致雪崩電流過大，能量累積超過器件承受極限
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電感負(fù)載關(guān)斷、電源浪涌、短路故障
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熱循環(huán)疲勞
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反復(fù)冷熱交替導(dǎo)致封裝應(yīng)力累積，引發(fā)鍵合線脫落或焊點(diǎn)開裂
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環(huán)境溫度劇烈變化、功率循環(huán)沖擊
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輻射損傷
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高能粒子轟擊導(dǎo)致氧化層產(chǎn)生陷阱電荷，或晶格結(jié)構(gòu)破壞
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太空輻射、核輻射環(huán)境
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注：柵極氧化層擊穿和熱失效占所有 MOSFET失效案例的70% 以上，且多與電路設(shè)計(jì)裕量不足、生產(chǎn)過程中 ESD 管控不良、或應(yīng)用環(huán)境超出規(guī)格有關(guān)。
四、MOSFET 失效根因分析案例
1、失效現(xiàn)象
單板在調(diào)測時(shí)，工作人員在插拔單板時(shí)發(fā)現(xiàn)有打火現(xiàn)象，懷疑緩啟動(dòng)電路有問題。于是測試緩啟動(dòng)電路的相關(guān)器件，發(fā)現(xiàn)緩啟動(dòng)開關(guān)MOS管IRF540（Q1）已經(jīng)失效，表現(xiàn)為G-D-S全部互相短路。然后測試其他單板，發(fā)現(xiàn)有十幾塊單板也有同樣的問題。
2、分析過程
2.1外觀檢查
MOS管外觀正常（TO-220封裝），未發(fā)現(xiàn)燒毀痕跡。
圖 5 MOS管在板情況
2.2 電氣檢查
進(jìn)行I-V曲線測試，發(fā)現(xiàn)G-D-S三個(gè)極之間均為短路。
2.3 解剖檢查
用化學(xué)方法解剖2顆失效品，在顯微鏡下觀察芯片表面，發(fā)現(xiàn)芯片表面嚴(yán)重?zé)龤А?/span>
圖 6 2pcs 失效品的解剖照片
2.4 應(yīng)用分析
有多個(gè)DC/DC二次電源模塊，所有電源模塊（不會(huì)同時(shí)使用）共用一路緩啟動(dòng)電路。使用這個(gè) MOSFET 的緩啟動(dòng)電路是按照分離器件的緩啟動(dòng)電路規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。如下圖 7。
圖 7 緩啟動(dòng)電路及 MOSFET 位置（黃圈）
該電源模塊額定輸出為48V/20A，一般為單板提供－53V或－57V輸入。
緩啟動(dòng)電路中的開關(guān)MOS管失效，可能和下面幾種有關(guān)：
1）是否為從屬失效？
對單板上緩啟動(dòng)電路相關(guān)的器件及負(fù)載進(jìn)行測試，未發(fā)現(xiàn)有其它器件失效，也未發(fā)現(xiàn)有負(fù)載短路現(xiàn)象。將失效的MOS管取下，換上新的MOS管后，單板工作正常。這些說明單板上只有MOS管失效，不是由于其他器件的失效導(dǎo)致MOS管從屬失效。
2）是否瞬態(tài)功率過大，導(dǎo)致MOS管結(jié)溫超過最大值燒毀？
首先，調(diào)查發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：
單板有的用－53V供電，有的用－57V供電，－57V供電的單板更容易引起MOS管失效。單板用-57V供電，上電瞬間MOS管即燒毀。
2.5 復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)
從上面可以看出，加高一點(diǎn)電壓或增大負(fù)載電容都能加劇MOS管的失效。且MOS管的燒毀是瞬間的。
按照上面2）的方法，復(fù)現(xiàn)了失效現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)在緩啟動(dòng)未完成時(shí)，MOS管即燒毀短路，且換用同其他廠家的IRF540進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣會(huì)發(fā)生此問題。示波器測試的緩啟動(dòng)波形如下：
圖2-5 緩啟期間MOS管燒毀（CH1－Vds，CH2－Vgs，CH4－電源輸出電流）
將燒毀芯片解剖，發(fā)現(xiàn)燒毀的形貌一致，均屬于過功率燒毀的形貌，如下圖 8。
圖8 模擬失效品（2pcs) 解剖照片,可見和圖 6 一致
可以得出結(jié)論，MOS管是在緩啟動(dòng)過程中，由于瞬態(tài)功率過大，超過了MOS管的SOA曲線，導(dǎo)致芯片結(jié)溫超過175℃，瞬間使芯片燒毀。
2.6 仿真分析
進(jìn)一步通過對MOS管進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真來驗(yàn)證此問題（此部分非必須）。
環(huán)境溫度取30℃。對于MOS管來講，175℃以內(nèi)是安全工作溫度，高于175℃時(shí)MOS管即存在燒毀的可能，但并不一定會(huì)燒毀，低于175℃時(shí)，MOS管不應(yīng)該燒毀。
首先，對上述模型進(jìn)行簡單驗(yàn)證。在上述電路參數(shù)下用ST的MOS管、－57V供電，上電瞬間就可以把MOS管燒毀。因此芯片的實(shí)際結(jié)溫應(yīng)該超過175℃。仿真結(jié)果如下圖 9。緩啟時(shí)間大約8ms，緩啟電流7.12A，峰值功率300W。最高結(jié)溫為199.9℃，可以把MOS管瞬間燒毀。
對于緩啟動(dòng)這個(gè)瞬態(tài)來說，-72V是對MOS管沖擊的最壞情況。下面驗(yàn)證在電壓最壞達(dá)到－72V時(shí)，MOS管的結(jié)溫狀態(tài)。仿真結(jié)果如下圖。
圖10 電源-72V的仿真結(jié)果
可見，－72V輸入時(shí)，最大電流9.1A，峰值功率為508W，結(jié)溫最大值達(dá)到305.5℃以上，可以瞬間把MOS管燒毀，這個(gè)結(jié)果和實(shí)際測試的現(xiàn)象相對應(yīng)。因此，本單板的-48V緩啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重問題。在緩啟動(dòng)期間，緩啟平臺(tái)時(shí)間主要由R66、C430控制，在緩啟動(dòng)期間內(nèi)MOS管由關(guān)斷到開啟，電容會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)將電壓充滿至電源電壓，根據(jù) I＝Cload×du/dt 可知：在緩啟時(shí)間不變的情況下，后端負(fù)載電容越大、電源電壓越高，則沖擊電流越大、沖擊功率越高、結(jié)溫也越高。本單板由于緩啟動(dòng)后端負(fù)載電容過多（約777UF），導(dǎo)致緩啟期間沖擊電流過大，瞬態(tài)功率過大，MOS管結(jié)溫超過最大值而燒毀。
2.7 分析結(jié)論
單板緩啟動(dòng)期間通過MOS管的沖擊電流過大，MOS管瞬態(tài)功率過大，MOS管結(jié)溫超過最大值而燒毀。臨時(shí)措施是增加緩啟動(dòng)時(shí)間,降低瞬態(tài)功率和瞬態(tài)電流，減小瞬態(tài)結(jié)溫（將R66改為330K,，C431改為10uF，C430改為100nF）。
3. 預(yù)防措施
電路設(shè)計(jì)時(shí)，要防止MOS管的沖擊電流過大，使MOS管瞬態(tài)功率過大，結(jié)溫超過最大值而燒毀。
五、防范MOSFET 失效
針對不同失效機(jī)理，需從設(shè)計(jì)、選型、工藝三方面構(gòu)建全方位防護(hù)體系：
1） 電氣防護(hù)：規(guī)避過壓過流風(fēng)險(xiǎn)
• 柵極回路串聯(lián)限流電阻（通常10-100Ω），并聯(lián) TVS 器件和去耦電容，將柵源電壓鉗位在額定范圍內(nèi)，防范 ESD 和浪涌沖擊；
• 漏源極側(cè)增設(shè)吸收電路（RC 緩沖器或 TVS 管），抑制開關(guān)過程中的電壓尖峰，預(yù)留 1.2-1.5 倍的擊穿電壓裕量；
• 配置過流保護(hù)電路，采用電流采樣電阻或霍爾傳感器監(jiān)測漏極電流，短路時(shí)在器件耐受時(shí)間內(nèi)（通常< 100 微秒）關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號。
2）熱設(shè)計(jì)：控制結(jié)溫在安全范圍
• 依據(jù)功率損耗計(jì)算散熱需求，選用合適的散熱片和導(dǎo)熱膏，確保結(jié)溫不超過175℃的額定值，長期工作建議預(yù)留 20% 以上溫度裕量；
• 優(yōu)化PCB 布局，增大功率回路銅箔面積，減少寄生電感，降低開關(guān)損耗和溫升；
• 避免器件在極限電流下長時(shí)間工作，通過PWM 占空比限制平均功耗。
3）環(huán)境適配：針對性強(qiáng)化防護(hù)
• 航天、核工業(yè)等輻射環(huán)境，選用抗輻射等級（總劑量≥100krad）的專用 MOSFET，或采用退火工藝提升器件穩(wěn)定性；
• 戶外或溫度劇烈變化的場景，選用寬溫度范圍（-55℃~175℃）器件，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)減少熱循環(huán)應(yīng)力；
• 潮濕環(huán)境需做好PCB 防潮處理，避免氧化層因濕度升高導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆怠?/span>
4）工藝管控：減少制造和裝配損傷
• 生產(chǎn)過程中采取靜電防護(hù)措施（接地、防靜電手環(huán)、離子風(fēng)扇），避免ESD 損傷柵極氧化層；
• 焊接時(shí)控制溫度和時(shí)間，避免高溫導(dǎo)致鍵合線脫落或封裝開裂；
• 批量應(yīng)用前進(jìn)行可靠性測試（溫度循環(huán)、濕熱老化、短路測試），篩選潛在不良器件。
六、MOSFET 新技術(shù)和展望
隨著應(yīng)用場景對可靠性和效率要求的提升，MOSFET技術(shù)正朝著材料革新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和智能化方向發(fā)展：
1） 寬禁帶材料替代：氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）MOSFET 憑借更高的擊穿電壓、更低的導(dǎo)通電阻和更好的熱穩(wěn)定性，在短路耐受能力上遠(yuǎn)超硅基器件 ——GaN 器件的短路耐受時(shí)間可達(dá)硅基的 3-6 倍，且具備自限流特性。2024 年寬禁帶 MOSFET 市場增速超 40%，成為新能源汽車和光伏逆變器的優(yōu)選器件。
2） 結(jié)構(gòu)與封裝升級：采用新型柵極結(jié)構(gòu)（如屏蔽柵、超級結(jié)）降低氧化層電場強(qiáng)度，提升抗過壓能力；封裝方面，RQFN、SuperSO8 等緊湊封裝減少寄生參數(shù)，Clip Bonding 技術(shù)增強(qiáng)散熱性能，降低熱失效風(fēng)險(xiǎn)。
3） 智能化與集成化：部分高端MOSFET 集成溫度、電流傳感器，實(shí)時(shí)反饋工作狀態(tài)，配合 MCU 實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)保護(hù)；功率模塊將 MOSFET 與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集成一體，減少外部電路引發(fā)的失效點(diǎn)。
4） 抗惡劣環(huán)境技術(shù)：針對太空、核輻射等極端場景，研發(fā)新型抗輻射MOSFET，通過工藝優(yōu)化減少高能粒子對氧化層的損傷，目前耐輻射總劑量已突破 500krad。
七、結(jié)論
MOSFET的失效多源于 “超出規(guī)格的應(yīng)力沖擊”，無論是電氣應(yīng)力（過壓、過流）、熱應(yīng)力（高溫、熱循環(huán)）還是環(huán)境應(yīng)力（輻射、濕度），本質(zhì)都是器件工作條件突破了設(shè)計(jì)極限。通過科學(xué)選型預(yù)留充足裕量、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)構(gòu)建防護(hù)體系、強(qiáng)化散熱控制結(jié)溫、適配環(huán)境特性等措施，可將 MOSFET 失效率降低 80% 以上。
隨著寬禁帶材料、智能化集成等新技術(shù)的發(fā)展，MOSFET的抗失效能力將持續(xù)提升，但失效分析和防護(hù)設(shè)計(jì)仍是電子工程領(lǐng)域的核心課題。只有深入理解失效機(jī)理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景制定針對性方案，才能充分發(fā)揮 MOSFET 的性能優(yōu)勢，保障電子設(shè)備的可靠運(yùn)行。
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