功率MOSFET損壞的案例
干貨 | 常見功率MOSFET損壞模式及分析
本文結合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下損壞的模式，并說明了產生這樣的損壞形態的原因，也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中，發生失效形態的差別，從而為失效是在關斷還是在開通過程中發生損壞提供了判斷依據。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。同時，也分析了功率MOSFET管在動態老化測試中慢速開通及在電池保護電路應用中慢速關斷時，較長時間工作在線性區時，損壞的形態。最后，結合實際的應用，論述了功率MOSFET通常會產生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。
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。
展開 保護IGBT和MOSFET免受ESD損壞
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ESD對功率MOSFET的危害
故障模式
功率MOSFET最大的運行優勢之一是：當達到ESD超高輸入電阻時（典型值> 4 x 109 ohms)，它會關閉。功率MOSFET的柵極可以視為一個低電壓（HEXFET器件電壓為+ 20V）低泄露的電容。如圖1所示，電容器極板主要由硅柵極和源極金屬化形成。電容器介質是氧化硅柵極絕緣。
圖 1. HEXFET 基本結構
當柵源電壓高到跨過柵介質時，MOSFET發生ESD損壞。此時柵氧化層上的微孔被燒壞，器件永久性損壞。如同任何電容，必須給功率MOSFET的柵極充電以便達到特定的電壓。更大的器件有更大的電容，電壓每上升一伏也需要更多的電荷，因此比較小的MOSFET更不容易遭受ESD損壞。同樣，靜電放電一般不會產生突發性失效，除非柵源電壓超出額定最大值的2到3倍。
圖2a是典型的ESD損傷場景。這個場景是將人體模型（HBM)充電到700V，然后再放電到器件的柵極所產生的損傷。在將裸片表層從多晶硅剝離后，用掃描電子顯微鏡放大5000倍拍攝了該照片。圖2b顯示在剝離之前，裸片表面無任何可視性損傷。圖2a的實際損傷直徑僅為8微米。ESD損傷表現出的電氣癥狀是柵極和源極之間的低電阻或齊納效應，施加的電壓小于±20伏。
造成ESD損傷所需的電壓至少為1000 V（具體大小取決于芯片尺寸）。這是由于承載電荷的體二極管的電容大大低于MOSFET的Ciss，因此當電荷轉移時，所產生的電壓就會遠低于原始電壓。
靜電場也會損壞功率MOSFET。雖然故障模式是ESD，但MOSFET的損壞是因為將FET的未保護柵極放置在電暈放電路徑中引起的。
展開 碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
減小開關損耗的方法，一是優化應用電路進一步提高開關速度，二是采用軟開關，兩者都是提高了設計難度，同時也增加了電路的復雜度
總結上面的SiC MOSFETＴ高性能帶來的問題，答案可能會集中在緊湊的布局設計和良好的導熱設計上，而這兩點在SiC MOSFET分立器件中都無法很好的解決，只有模塊應用才能得到比較好的綜合性能。
此外，目前關于SiC MOSFET的一個熱門應用研究是基于電動汽車電機驅動的應用，電機驅動的輸出功率較大，即使小型電動汽車也有幾十千瓦的功率等，所以單個SiC MOSFET是無法達到這樣的功率容量要求的，只有多芯片并聯的方式才能夠滿足功率需求。
SiC MOSFET目前依然價格偏高，盡管在大功率應用中可以通過冷卻系統的成本降低來減少系統總成本，但在中低功率系統中很難從其他方面（比如散熱系統簡化、無源器件減小、運行損耗降低等等）來平衡SiC MOSFET芯片的成本增加，因此從降低系統成本角度出發，對于特定功率容量的模塊，芯片數量的優化是一個需要考慮的方面。
功率模塊是SiC MOSFET的最重要封裝形式，不僅可以較容易實現功率擴容，還便于開關過程中高頻回路的優化設計，同時便于提高整機的功率密度，更好的發揮出SiC MOSFET的性能優勢。除此之外，功率模塊的散熱能力相對于分立器件要高很多，因此非常有利于在電動汽車中電機驅動方面的應用。
電動汽車的電機驅動的電路結構一般有兩種。
展開 功率MOSFET教程
眾所周知，由于采用了絕緣柵，功率MOSFET器件只需很小的驅動功率，且開關速度優異。可以說具有“理想開關”的特性。其主要缺點是開態電阻(RDS(on))和正溫度系數較高。本教程闡述了高壓N型溝道功率MOSFET的特性，并為器件選擇提供指導。最后，解釋了Microsemi公司Advanced Power Technology (ATP) MOSFET的數據表。
功率MOSFET結構
圖1為APT N型溝道功率MOSFET剖面圖(本文只討論N型溝道MOSFET)。在柵極和源極間加正壓，將從襯底抽取電子到柵極。如果柵源電壓等于或者高于閾值電壓，柵極下溝道區域將積累足夠多的電子從而產生N型反型層；在襯底形成導電溝道(MOSFET被增強)。電子在溝道內沿任意方向流動。電子從源極流向漏極時，產生正向漏極電流。溝道關斷時，正向漏極電流被阻斷，襯底與漏極之間的反偏PN結維持漏源之間的電勢差。對于N型MOSFET，正向導通時，只有電子流，沒有少子。開關速度僅受限于MOSFET內寄生電容的充電和放電速率。因此，開關速率可以很快，開關損耗很低。開關頻率很高時，這讓功率MOSFET具有很高的效率。
圖1：N型溝道MOSFET剖面圖。
開態電阻
開態電阻RDS(on)主要受溝道、JFET(積累層)、漂移區和寄生效應(多層金屬，鍵和線和封裝)等因素的影響電壓超過150V時，RDS(on)主要取決于漂移區電阻。
圖2：RDS(on)與電流的關系。
高壓MOSFET中RDS(on) 與電流的相關較弱。
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智芯文庫 | 大功率SiC MOSFET逆變器驅動技術
| 來源：電力電子技術與新能源
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