目前，功率 MOSFET 管廣泛地應用于開關電源系統及其它的一些功率電子電路中，然而，在實際的應用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態的老化測試中，功率 MOSFET 有時候會發生失效損壞。工程師將損壞的功率 MOSFET 送到半導體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結論通常是過電性應力 EOS，無法判斷是什么原因導致 MOSFET 的損壞。
本文將通過功率 MOSFET 管的工作特性，結合失效分析圖片中不同的損壞形態，系統的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時，根據損壞位置不同，分析功率 MOSFET 管的失效是發生在開通的過程中，還是發生在關斷的過程中，從而為設計工程師提供一些依據，來找到系統設計的一些問題，提高電子系統的可靠性。
1、過電壓和過電流測試電路
過電壓測試的電路圖如圖 1(a)所示，選用 40V 的功率 MOSFET：AON6240，DFN5*6 的封裝。其中，所加的電源為 60V，使用開關來控制，將 60V 的電壓直接加到 AON6240 的 D 和 S 極，熔絲用來保護測試系統，功率 MOSFET 損壞后，將電源斷開。測試樣品數量：5 片。
過電流測試的電路圖如圖 2(b)所示，選用 40V 的功率 MOSFET：AON6240，DFN5*6 的封裝。首先合上開關 A，用 20V 的電源給大電容充電，電容 C 的容值：15mF，然后斷開開關 A，合上開關 B，將電容 C 的電壓加到功率 MOSFET 的 D 和 S 極，使用信號發生器產生一個電壓幅值為 4V、持續時間為 1 秒的單脈沖，加到功率 MOSFET 的 G 極。測試樣品數量：5 片。
2、過電壓和過電流失效損壞
將過電壓和過電流測試損壞的功率 MOSFET 去除外面的塑料外殼，對露出的硅片正面失效損壞的形態的圖片，分別如圖 2(a)和圖 2(b)所示。
從圖 2(a)可以看到：過電壓的失效形態是在硅片中間的某一個位置產生一個擊穿小孔洞，通常稱為熱點，其產生的原因就是因為過壓而產生雪崩擊穿，在過壓時，通常導致功率 MOSFET 內部寄生三極管的導通[1]，由于三極管具有負溫度系數特性，當局部流過三極管的電流越大時，溫度越高，而溫度越高，流過此局部區域的電流就越大，從而導致功率 MOSFET 內部形成局部的熱點而損壞。
硅片中間區域是散熱條件最差的位置，也是最容易產生熱點的地方，可以看到，上圖中，擊穿小孔洞即熱點，正好都位于硅片的中間區域。
在過流損壞的條件下，圖 2(b )的可以看到：所有的損壞位置都是發生的 S 極，而且比較靠近 G 極，因為電容的能量放電形成大電流，全部流過功率 MOSFET，所有的電流全部要匯集中 S 極，這樣，S 極附近產生電流 集中，因此溫度最高，也最容易產生損壞。
注意到，在功率 MOSFET 內部，是由許多單元并聯形成的，如圖 3(a)所示，其等效的電路圖如圖 3(b )所示，在開通過程中，離 G 極近地區域，VGS 的電壓越高，因此區域的單元流過電流越大，因此在瞬態開通過程承擔更大的電流，這樣，離 G 極近的 S 極區域，溫度更高，更容易因過流產生損壞。
3、過電壓和過電流混合失效損壞
在實際應用中，單一的過電流和過電流的損壞通常很少發生，更多的損壞是發生過流后，由于系統的過流保護電路工作，將功率 MOSFET 關斷，這樣，在關斷的過程中，發生過壓即雪崩。從圖 4 可以看到功率 MOSFET 先過流，然后進入雪崩發生過壓的損壞形態。
圖 4：過流后再過壓損壞形態
可以看到，和上面過流損壞形式類似，它們也發生在靠近 S 極的地方，同時，也有因為過壓產生的擊穿的洞坑，而損壞的位置遠離 S 極，和上面的分析類似，在關斷的過程，距離 G 極越遠的位置，在瞬態關斷過程中，VGS 的電壓越高，承擔電流也越大，因此更容易發生損壞。
4、線性區大電流失效損壞
在電池充放電保護電路板上，通常，負載發生短線或過流電，保護電路將關斷功率 MOSFET，以免電池產生過放電。但是，和通常短路或過流保護快速關斷方式不同，功率 MOSFET 以非常慢的速度關斷，如下圖 5 所示，功率 MOSFET 的 G 極通過一個 1M 的電阻，緩慢關斷。從 VGS 波形上看到，米勒平臺的時間高達 5ms。米勒平臺期間，功率 MOSFET 工作在放大狀態，即線性區。
功率 MOSFET 工作開始工作的電流為 10A，使用器件為 AO4488，失效的形態如圖 5(c)所示。當功率 MOSFET 工作在線性區時，它是負溫度系數[2]，局部單元區域發生過流時，同樣會產生局部熱點，溫度越高，電流越大，導致溫度更一步增加，然后過熱損壞。可以看出，其損壞的熱點的面積較大，是因為此區域過一定時間的熱量的積累。
另外，破位的位置離 G 極較遠，損壞同樣發生的關斷的過程，破位的位置在中間區域，同樣，也是散熱條件最差的區域。
在功率 MOSFET 內部，局部性能弱的單元，封裝的形式和工藝，都會對破位的位置產生影響。
一些電子系統在起動的過程中，芯片的 VCC 電源，也是功率 MOSFET 管的驅動電源建立比較慢，如在照明中，使用 PFC 的電感繞組給 PWM 控制芯片供電，這樣，在起動的過程中，功率 MOSFET 由于驅動電壓不足，容易進入線性區工作。在進行動態老化測試的時候，功率 MOSFET 不斷的進入線性區工作，工作一段時間后，就會形成局部熱點而損壞。
使用 AOT5N50 作測試，G 極加 5V 的驅動電壓，做開關機的重復測試，電流 ID=3，工作頻率 8Hz 重復 450 次后，器件損壞，波形和失效圖片如圖 6(b)和(c)所示。可以看到，器件形成局部熱點，而且離 G 極比較近，因此，器件是在開通過程中，由于長時間工作線性區產生的損壞。
圖 6(a)是器件 AOT5N50 應用于日光燈電子鎮流器的 PFC 電路，系統在動態老化測試過程生產失效的圖片，而且測試實際的電路，在起動過程中，MOSFET 實際驅動電壓只有 5V 左右，MOSFET 相當于有很長的一段時間工作在線性區，失效形態和圖 6(b)相同。
5、結論
（1）功率 MOSFET 單一的過電壓損壞形態通常是在中間散熱較差的區域產生一個局部的熱點，而單一的過電流的損壞位置通常是在電流集中的靠近 S 極的區域。實際應用中，通常先發生過流，短路保護 MOSFET 關斷后，又經歷雪崩過壓的復合損壞形態。
（2）損壞位置距離 G 極近，開通過程中損壞的幾率更大；損壞位置距離 G 極遠，關斷開通過程中損壞幾率更大。
（3）功率 MOSFET 在線性區工作時，產生的失效形態也是局部的熱點，熱量的累積影響損壞熱點洞坑的大小。
（4）散熱條件是決定失效損壞發生位置的重要因素，芯片的封裝類型及封裝工藝影響芯片的散熱條件。另外，芯片生產工藝產生單元性能不一致而形成性能較差的單元，也會影響到損壞的位置。