MOS管失效機理與防護設計：從案例分析到工程實踐

2025-11-18 來源：作者：廣東合科泰實業(yè)有限公司

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工程師在設計電源轉(zhuǎn)換、電機驅(qū)動或負載開關(guān)電路時，最常遇到的突發(fā)故障可能是MOS管的突然失效。沒有明顯的前期征兆，卻讓整個電路停擺，甚至影響產(chǎn)品批量良率。近期，我們的FAE團隊協(xié)助客戶解決了一起SOT-23封裝的AO3400型號MOS管擊穿失效的案例，過程中梳理出MOS管最常見的失效原因，以及如何從原理層面規(guī)避這些問題。

一、典型案例：AO3400為何會燒？

客戶將AO3400用于便攜式電源的開關(guān)電路，使用后發(fā)現(xiàn)電性不良異常。樣品寄回后，F(xiàn)AE綜合分析，確認提供的樣品為使用后拆品，檢查外觀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯異常，電性測試使用后擊穿失效，開蓋腐球分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)部芯片有燒傷異常，造成 MOS 管產(chǎn)品失效，應是客戶端在使用測試中過流異常超出元件承受范圍，導致 MOS 管內(nèi)部芯片燒傷損壞，使 MOS 管性能失效,最終FAE建議客戶檢査應用中是否有過流或者漏電異常。

通過失效分析還原了失效過程,失效器件的漏源極電壓超過了它能承受的雪崩擊穿閾值，導致內(nèi)部載流子瞬間激增，漏極電流暴增至額定值的10倍以上；芯片結(jié)溫在幾微秒內(nèi)升至硅材料的臨界溫度200℃，最終因熱失控燒毀。

二、MOS管失效的四類底層原因

MOS管的失效從來不是隨機事件，而是其工作狀態(tài)超出了自身的特性邊界。結(jié)合案例與過往經(jīng)驗，總結(jié)出四類最常見的失效原因，每一類都與MOS管的電氣原理直接相關(guān)。

雪崩失效：電壓超過承受極限的連鎖反應

當漏源極電壓超過這層PN結(jié)的雪崩擊穿閾值時，PN結(jié)會被沖開。此時，大量載流子會瞬間產(chǎn)生，漏極電流急劇增加；如果缺乏過流保護，功率損耗會在極短時間內(nèi)飆升，最終因熱失控燒毀。這種失效的核心是電壓超過了MOS管的耐壓極限，常見于電機啟動、電源開關(guān)等有瞬時過壓的場景。

SOA失效：電壓加電流超出安全邊界

MOS管的安全工作區(qū)SOA是由電壓、電流和功率共同界定的。比如如果電機啟動時同時出現(xiàn)高電壓和大電流，就會讓它的功耗超過散熱能力。溫度持續(xù)上升，當結(jié)溫超過150℃時，就會出現(xiàn)熱擊穿。這種失效的本質(zhì)是功耗超過了MOS管的散熱極限，常見于高功率電機驅(qū)動、大功率負載開關(guān)等場景。

柵極電壓失效：柵氧化層的雙重風險

MOS管的柵極是一層極薄的氧化層。電壓太高會擊穿，電壓太低又無法讓MOS管正常導通。這種失效的關(guān)鍵是柵極電壓偏離了安全范圍，常見于驅(qū)動電路設計不當、有電壓波動的場景。

靜電失效：潛在風險的批量破壞

MOS管極高的柵極輸入阻抗讓它對靜電異常敏感，人體的靜電或設備的靜電放電，會像閃電一樣瞬間擊穿柵氧化層。這種失效沒有明顯的外觀痕跡，卻會讓MOS管批量失效，常見于生產(chǎn)、運輸或安裝過程中靜電防護不到位的場景。

三、如何從原理層面規(guī)避失效？

MOS管的可靠性，本質(zhì)是讓它工作在特性邊界內(nèi)。工程師可以通過以下思路提升可靠性：

避免過壓：通過仿真軟件模擬電路中的VDS波形，確保不超過BVDSS；在電路中增加TVS管、RC吸收網(wǎng)絡等過壓保護。
控制功耗：確保MOS管的工作點在安全工作區(qū)內(nèi)，避免電壓和電流同時達到高峰；通過增加散熱片、降低PWM占空比等方式提升散熱能力。
穩(wěn)定柵壓：在驅(qū)動電路中增加鉗位二極管，抑制尖峰電壓；確保柵極電壓在閾值電壓與最大額定電壓之間。
靜電防護：生產(chǎn)和安裝時戴防靜電手環(huán)、使用導電包裝；避免用手直接接觸MOS管引腳。

作為MOS管的設計者，我們會在器件層面優(yōu)化這些風險。比如通過摻雜工藝提升BVDSS，用厚柵氧化層增強抗靜電能力，在數(shù)據(jù)手冊中明確標注雪崩能量和安全工作區(qū)等參數(shù)，幫助工程師更準確地評估場景。但更核心的是，工程師需要理解MOS管的特性，從設計源頭規(guī)避失效。

MOS管的失效從來不是不可控的，它是原理的必然結(jié)果。通過理解這些底層邏輯，工程師可以把MOS管從易失效的器件變成穩(wěn)定的電路核心。我們分享這些經(jīng)驗，也是希望能和工程師一起，用知識讓電路設計更可靠。

公司介紹

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合科泰在始終以“客戶至上、創(chuàng)新驅(qū)動”為核心，為企業(yè)提供穩(wěn)定可靠的元件。

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