MOS管体二极管击穿原因
创始人
2026-01-22 14:40:06
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MOS 管的体二极管(Body Diode)被击穿,很少是“反向电压超了”这么简单,而是“反向恢复电流 + 电压 + 温度”三路夹击,把原本该当‘整流配角’的 PN 结变成了‘能量爆点’。下面把现场最常见的 6 种失效机理拆开讲,并给出每种失效在芯片上留下的“脚印”,方便工程师一眼锁真凶。

  1. 反向恢复电荷 Qrr 过大 → 电流密度烧穿机理:二极管关断瞬间,储存电荷 Qrr 被外部电路“硬抽”走,形成 IRM(反向恢复峰值电流)。电流密度 > 3×10⁵ A/cm² 时,局部硅温 > 600 °C,熔成球。脚印:失效点总在 P-body / N-epi 拐角,SEM 可见“硅熔球+铝层吹孔”,周围无雪崩痕迹。诱因:
    • H 桥/LLC 死区设得太小,换流 di/dt > 500 A/µs;
    • 并联管电流不均,单管 Qrr 翻倍;
    • 高温下 Qrr 本身比 25 °C 数据大 1.5~2 倍,仍按室温裕量设计。
  2. 反向恢复 dv/dt 过高 → 局部雪崩二次击穿机理:IRM 突然切断,寄生电感产生 –L·di/dt 尖峰,使体二极管瞬间雪崩;能量 ½·L·IRM² 全部砸在微米级结区,重复几次就击穿。脚印:芯片表面出现“彗星尾”状熔沟,从二极管区指向漏极,雪崩照片可见亮点沿沟道呈线状。现场数值:IRM > 0.8×IDM、dv/dt > 50 V/ns 时极易发生。
  3. 雪崩能量重复累积 → BV 退化型击穿机理:每次雪崩注入少量载流子,界面陷阱电荷↑,体二极管实际 BV 每 1 000 次下降 2~3 V,最终在额定电压下就击穿;外表却“无熔洞”,属软失效。脚印:击穿电压比规格书低 10~30 V,IV 曲线呈现软拐点;X 射线无金属球。典型场景:PFC 升压二极管每周期都进雪崩,LED 反激 DCM 运行,电机驱动续流二极管无吸收。
  4. 寄生双极晶体管导通 → 二次击穿机理:体二极管=PNP 的发射结,当 IRM 过大、基区电阻压降 > 0.7 V,寄生 PNP 被触发,电流集中到局部微区,瞬间 10× 功率密度,硅铝共熔。脚印:失效点集中在 P-body 中心,栅极氧化层仍完好,EMMI 热点呈“点状”而非沟道线状。触发条件:IRM > 50 % ID、Tj > 125 °C、基区电阻 Rb 因版图不对称增大。
  5. 高温漏电流 “爬升” → 热失控击穿机理:Tj > 150 °C 时,二极管漏电流 IR 指数级上升→自加热→Tj 再升,形成正反馈;最终漏电流 > 1 A 时,焊线熔断,看似“击穿”,实为热跑掉。脚印:塑封壳鼓包,焊线球化,但硅片无雪崩熔洞;红外热像仪可复现 160 °C 以上热点。诱因:散热片没贴平、导热硅脂干裂、并联不均流导致单管过热。
  6. 正向浪涌过载 → 电迁移打断机理:体二极管短时正向浪涌 > IFSM(单脉冲最大浪涌电流),铝金属化层电迁移,形成空洞→局部电阻↑→热集中→反向时再叠加雪崩,两次打击击穿。脚印:铝条中断,SEM 可见“空洞+裂纹”,失效区在二极管阳极金属条,而非结区。典型场景:输出短路测试、大电解电容初始充电、逆变器启动浪涌。

现场 5 分钟诊断表① 有熔洞?→ 查 IRM、dv/dt、雪崩能量;② 无熔洞但 BV 降低?→ 重复雪崩疲劳;③ 栅极完好、漏源短路?→ 寄生 PNP 触发;④ 塑封鼓包、焊线球化?→ 热失控;⑤ 铝条断、硅片无熔?→ 正向 IFSM 过载。

设计防击穿“四件套”

  1. 死区≥1.2×Trr(max@125°C),别拿 25 °C 数据算;
  2. 并联必须 Kelvin 源极+独立栅极电阻,确保电流误差 < 5 %;
  3. 在二极管两端加 10 nF~100 nF 陶瓷+5 Ω 小电阻,吸收 IRM 尖峰;
  4. 选 Trr < 100 ns、Qrr < 50 nC 的“Fast Recovery MOSFET”,或干脆外并 SiC 二极管,让体二极管只当“备用”。

记住:体二极管不是“赠送的整流器”,而是“寄生的炸弹”。只有把 Qrr、IRM、dv/dt、Tj 四条线同时守死,才能让它一辈子只当“续流配角”,绝不抢戏爆炸。

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