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嘉峪檢測網 2025-04-18 09:11
一、主要失效原因分類
MOSFET 失效可分為外部應力損傷、電路設計缺陷、制造工藝缺陷三大類，具體表現如下：
1. 外部應力損傷
（1）靜電放電（ESD）擊穿
成因：MOSFET 柵源極（G-S）間電容極小（幾 pF）、輸入阻抗極高（10?Ω+），少量靜電電荷（如人體、環境摩擦產生）通過公式 \(U = Q/C\)
可生成數百伏高壓，直接擊穿 G-S 絕緣層。
典型場景：未接地的操作環境、化纖衣物摩擦、干燥環境下的器件搬運。
我們都知道雖然管子有抗靜電的保護措施，但仍需小心對待，在存儲和運輸中最好用金屬容器或者導電材料包裝，不要放在易產生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。組裝、調試時，工具、儀表、工作臺等均應良好接地。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，使用的設備必須良好接地。
（2）過流、過壓、過溫
成因：
過流：輸入端保護二極管電流容限僅約 1mA，瞬態電流超過 10mA（如浪涌、負載突變）時，二極管過熱燒毀，失去保護作用。
過壓：柵極電壓超過額定值（如驅動電路故障），導致氧化層擊穿；漏源極（D-S）間電壓超過耐壓值（VDS），引發雪崩擊穿。
有的廠家將他稱之為 “Area of Safe Operation (ASO)”
安全工作區：SOA(Safe operating area)是由一系列(電壓，電流)坐標點形成的一個二維區域，開關器件正常工作時的電壓和電流都不會超過該區域。簡單地講，只要器件工作在SOA區域內就是安全的，超過這個區域就存在危險。
SOA（Safe operating area）是指安全工作區，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的二維坐標圖，開關器件正常工作時的電壓和電流都不應該超過該限定范圍。
SOA區域分為以下5個區域。
A線 是由導通電阻RDS（on）max[ID=VDS/RDS（on）]限制的區域。該區域一般與ASO區域分開討論。
因為在固定的VGS電壓和環境條件下，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（穩態直流）、ID（pulse）（脈沖）max限制的區域。即：Ids能夠承載最大電流限制的線。
需要注意的是IDM是脈沖工作狀態的最大電流IDC，通常最大漏極脈沖電流IDM為連續漏極電流ID的3到4倍，因此脈沖電流要遠高于連續的直流電流。
C線 是受通道損耗（Channel dissipation或者Channel loss，ID流經DS這是主要功率產生的功耗）限制的區域，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 對數曲線中，這會產生 -1 的斜率。負號是因為流過 MOSFET 的電流隨著漏源電壓的增加而減少。
這種現象主要是由于 MOSFET 的負系數特性在結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，受耐壓VDSsmax限制的區域。
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結反偏發生雪崩擊穿，為保障器件安全，在關斷過程及其穩態下必須承受的漏極和源極間最高電壓應低于漏源擊穿電壓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，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域類型相同，該區域在連續運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。這是因為，當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，但在這個小電流區域，輸出傳輸特性（Vgs Id特性）是負溫度特性。當該區域變為大電流區域，需要改變正溫度特性時，該現象消失。溫度特性從負變為正的電流值不同于產品對產品，以及幾安培或更小的產品，這種現象不太可能發生，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datasheet中標注的是2、1、3、5、4
由于功率MOS FET通常用于開關應用，在正常操作中，它們通常用于有限區域（2）。電路設計中需要注意的一點是控制系統順序。
圖1.12顯示了當系統的源電源被切斷時，電子設備的電源電壓和門驅動電壓序列的示例。
如圖中的實線所示，如果直到電源電壓VDD關閉的下降時間長于柵極驅動電壓VGS的下降時間，則VGS在圖中的周期t1處于欠驅動狀態，并進入ASO限制區域（4）或（5），因此有必要確認其是否處于安全操作區域。
避免此類操作區域的有效方法是執行順序控制，以便柵極驅動電壓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，積累電荷導致誤導通或 G-S 電壓異常升高，最終擊穿。
（4）操作不當（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；
存儲運輸中使用非導電包裝（如塑料、化纖），積累靜電；
引腳頻繁彎曲導致內部引線斷裂或封裝開裂。
2. 電路設計缺陷
（1）保護措施缺失
未在柵極串聯保護電阻（限制瞬態電流）或并聯下拉電阻（泄放靜電電荷）；
驅動感性負載時未加續流二極管，導致 D-S 間反電動勢過壓。
（2）偏置與驅動不當
柵極驅動電壓不足（低于開啟電壓 VGS (th)）或過高（超過最大額定值）；
高速開關場景中未優化驅動電阻，導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計不足，器件長期工作在高溫區（超過結溫 Tjmax），導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生電磁耦合。
3. 制造工藝缺陷（批次性失效）
（1）封裝與內部結構問題
固晶層（芯片與基板連接層）分層、厚度不均或固化不良（如案例中現象），導致散熱失效或機械應力集中，引發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）材料與設計缺陷
保護二極管參數不匹配（如電流容限不足）；
芯片摻雜工藝異常，導致溝道導通特性漂移。
二、針對性對策與預防措施
1. 外部應力防護（操作與環境控制）
（1）靜電防護全流程管控
存儲運輸：使用金屬屏蔽袋、導電泡沫或防靜電包裝，避免與化纖、塑料接觸；
操作環境：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 / 手套，穿棉質衣物；
電路設計：柵極并聯 10-20kΩ 下拉電阻（泄放感應電荷），高頻場景加 RC 濾波（如 100Ω 電阻 + 10nF 電容）抑制振蕩。
（2）過流 / 過壓保護設計
輸入保護：可能出現大瞬態電流的回路中串接保護電阻（阻值 \(R = V_{surge}/I_{limit}\)，如限制電流 1mA 時，R≥1kΩ@1V 浪涌）；
耐壓設計：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，感性負載并聯續流二極管（如肖特基二極管）；
驅動電路：使用專用 MOSFET 驅動芯片，確保柵極電壓穩定在額定范圍內（如 N-MOS 選 10-15V 驅動）。
（3）規范操作與焊接工藝
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. 電路設計優化
（1）柵極驅動與偏置設計
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；
高速開關場景中，柵極串聯阻尼電阻（10-100Ω）抑制振鈴，并聯 TVS 二極管（耐壓值≤柵極額定電壓）吸收瞬態過壓。
（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，確保結溫 滿足降額要求。
柵極走線盡量短且遠離大電流路徑，采用屏蔽線或覆地處理；
輸入輸出端并聯去耦電容（如 100nF），抑制電源紋波干擾。
（3）器件選型原則
優先選擇內置保護電阻、ESD 防護結構（如 VMOS）或集成驅動電路的器件；
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的最大工作電壓（包括瞬態尖峰電壓），一般預留 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）會導致柵極氧化層擊穿，需確保驅動電壓在安全范圍內，避免靜電或干擾引入異常電壓。
滿足電流額定值及降額
連續漏極電流（ID）
需大于實際工作電流，同時考慮溫升影響（環境溫度升高時，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（如開關瞬態、啟動沖擊電流），確保不超過器件脈沖額定值。
導通電阻（RDS (on)）
熱性能
3. 制造與質量管控
（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 成像檢查內部結構）。
（2）生產流程優化
固晶、鍵合工序嚴格控制參數（如膠水厚度、焊接溫度），定期校準設備；
批量生產前進行 DFMEA 分析，識別潛在失效模式（如熱應力、機械應力集中點）。
三、總結
MOSFET 失效多源于靜電、過流等外部應力與設計、工藝缺陷的疊加作用。通過全流程靜電防護（接地、下拉電阻、防靜電操作）、電路保護設計（限流電阻、續流二極管）、器件選型優化（內置保護、合適耐壓 / 電流規格）及制造質量管控（來料檢測、工藝追溯），可顯著降低失效風險。尤其注意：柵極絕不懸空、焊接必須接地、驅動電壓合規，是避免人為失效的 “黃金三原則”。
來源：硬十
