MOSFET の故障解析: 理解、予防、および解決策

概要:MOSFET は、さまざまな電気的、熱的、機械的ストレスによって故障する可能性があります。これらの故障モードを理解することは、信頼性の高いパワーエレクトロニクスシステムを設計するために重要です。この包括的なガイドでは、一般的な障害メカニズムと予防戦略について説明します。

一般的な MOSFET の故障モードとその根本原因

1. 電圧関連の故障

ゲート酸化膜破壊
雪崩破壊
パンチスルー
静電気によるダメージ

2. 熱関連の故障

二次故障
熱暴走
パッケージの層間剥離
ボンドワイヤのリフトオフ

故障モード	主な原因	警告標識	予防方法
ゲート酸化物の分解	過度の VGS、ESD イベント	ゲートリークの増加	ゲート電圧保護、ESD対策
熱暴走	過剰な電力損失	温度上昇、スイッチング速度の低下	適切な熱設計、ディレーティング
雪崩の内訳	電圧スパイク、非クランプ誘導スイッチング	ドレイン・ソース間短絡	スナバ回路、電圧クランプ

Winsok の堅牢な MOSFET ソリューション

当社の最新世代の MOSFET は、高度な保護メカニズムを備えています。

強化された SOA (安全な動作領域)
熱性能の向上
内蔵ESD保護
アバランチ対応設計

保護された MOSFET シリーズを調べる

故障メカニズムの詳細な分析

ゲート酸化物の分解

重要なパラメータ:

最大ゲート・ソース間電圧: ±20V (代表値)
ゲート酸化膜厚: 50-100nm
破壊電界強度: ~10 MV/cm

予防策:

ゲート電圧クランプを実装する
直列ゲート抵抗を使用する
TVSダイオードを取り付ける
適切な PCB レイアウトの実践

熱管理と障害防止

パッケージの種類	最大ジャンクション温度	推奨ディレーティング	冷却ソリューション
TO-220	175℃	25%	ヒートシンク+ファン
D2PAK	175℃	30%	広い銅線エリア + オプションのヒートシンク
SOT-23	150℃	40%	PCB銅注入

MOSFETの信頼性を高めるための重要な設計のヒント

PCB レイアウト

ゲートループ領域を最小限に抑える
電源グランドと信号グランドを分離する
ケルビンソース接続を使用する
サーマルビアの配置を最適化する

回路保護

ソフトスタート回路の実装
適切なスナバーを使用する
逆電圧保護を追加する
デバイスの温度を監視する

診断とテストの手順

基本的な MOSFET テストプロトコル

静的パラメータのテスト
- ゲートしきい値電圧 (VGS(th))
- ドレイン・ソース間オン抵抗 (RDS(on))
- ゲートリーク電流(IGSS)
動的テスト
- スイッチング時間 (ton、toff)
- ゲートチャージ特性
- 出力容量

Winsok の信頼性向上サービス

包括的なアプリケーションのレビュー
熱解析と最適化
信頼性のテストと検証
故障解析ラボのサポート

リクエスト失敗分析
テクニカルサポート

信頼性統計と寿命分析

主要な信頼性指標

FIT 率 (時間内の故障)

10 億デバイス時間あたりの障害数

0.1 – 10 フィット

公称条件下での Winsok の最新 MOSFET シリーズに基づく

MTTF (平均故障時間)

指定された条件下での期待寿命

>10^6 時間

TJ = 125°C、公称電圧の場合

生存率

保証期間を過ぎても存続するデバイスの割合

99.9%

5年連続稼働時

寿命軽減係数

動作状態	ディレーティング係数	生涯への影響
温度（25℃以上10℃ごと）	0.5倍	50%削減
電圧ストレス (最大定格の 95%)	0.7倍	30%削減
スイッチング周波数 (公称 2 倍)	0.8倍	20%削減
湿度 (85% RH)	0.9倍	10%削減

生涯確率分布

初期故障、ランダム故障、摩耗期間を示す MOSFET 寿命のワイブル分布

環境ストレス要因

温度サイクル

85%

寿命短縮への影響

電源の入れ直し

70%

寿命短縮への影響

機械的応力

45%

寿命短縮への影響

加速寿命試験結果

テストの種類	条件	間隔	故障率
HTOL (高温動作寿命)	150°C、最大 VDS	1000時間	< 0.1%
THB (温度湿度バイアス)	85℃/85％相対湿度	1000時間	< 0.2%
TC (温度サイクル)	-55℃～+150℃	1000サイクル	< 0.3%