用結(jié)點(diǎn)溫度評(píng)估器件可靠性的案例分析

 摘要：工程師在設(shè)計(jì)一款產(chǎn)品時(shí)用了一顆9A的MOS管，量產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)壞品率偏高，經(jīng)重新計(jì)算分析后，換成了一顆5A的MOS管，問題解決。為什么用電流裕量更小的器件，卻能提高可靠性呢?

工程師在設(shè)計(jì)的過程中非常注意元器件性能上的裕量，卻很容易忽視熱耗散設(shè)計(jì)，案例分析我們放到最后說，為了幫助理解，我們先引入一個(gè)概念：

其中Tc為芯片的外殼溫度，P­D為芯片在該環(huán)境中的耗散功率，Tj表示芯片的結(jié)點(diǎn)溫度，目前大多數(shù)芯片的結(jié)點(diǎn)溫度為150℃，Rjc表示芯片內(nèi)部至外殼的熱阻，Rcs表示外殼至散熱片的熱阻，Rsa表示散熱片到空氣的熱阻，一般功率器件用Rjc進(jìn)行計(jì)算即可。

圖1功率器件熱阻分布示意圖

舉個(gè)例子來說，大家常用的S8050在25℃(Tc)的最大耗散功率是0.625W，額定電流為0.5A，最高結(jié)點(diǎn)溫度為150℃,此代入公式有：

從上面公式可以推算出Rja為200℃/W(Rja表示結(jié)點(diǎn)到空氣的熱阻)。假設(shè)芯片殼溫(Tc)為55℃，熱耗散功率有0.5W時(shí)，此刻芯片結(jié)點(diǎn)溫度為：Tj=Tc+PD*Rjc代入得到155℃，已經(jīng)超過了最高結(jié)溫150℃了。故需要降額使用，然而降額曲線在數(shù)據(jù)手冊(cè)中并未標(biāo)注，所以小編只能自行計(jì)算。

在25℃(Tc)時(shí)有公式： 恒成立。

把線性降額因子設(shè)為F，則在任意溫度時(shí)有：

代入已知參數(shù)得到F>5mW/℃，一般為了滿足裕量要求，降額因子往往取得更大才能滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。

由于小晶體管和芯片是不帶散熱器的，這時(shí)就要考慮殼體到空氣之間的熱阻。一般數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)給出Rja(結(jié)到環(huán)境之間的熱阻)。那么三極管S8050，其最大功率0.625W是在其殼溫25℃時(shí)取得的。倘若環(huán)境溫度剛好為25℃，芯片自身又要消耗0.625W的功率，那么為了滿足結(jié)點(diǎn)不超過150℃，唯一的辦法就是讓其得到足夠好的散熱。

好了，我們把問題轉(zhuǎn)回到最初的場(chǎng)效應(yīng)管為什么需要從9A變成5A性能更可靠的問題上來，場(chǎng)效應(yīng)管的損耗通常來自導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗兩種，但在高頻小電流條件下以開關(guān)損耗為主，由于9A的場(chǎng)效應(yīng)管在工藝上決定了其柵極電容較大，需要較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，在驅(qū)動(dòng)能力不足的情況下導(dǎo)致其開關(guān)損耗急劇上升，特別在高溫情況下由于熱耗散不足，導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)溫度超標(biāo)引發(fā)失效。如果在滿足設(shè)計(jì)裕量的條件下?lián)Q成額定電流稍小的場(chǎng)管以后，由于兩種場(chǎng)管在導(dǎo)通內(nèi)阻上并不會(huì)差距太大，且導(dǎo)通損耗在高頻條件下相比開關(guān)損耗來說幾乎可以忽略不計(jì)，這樣一來5A的場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)起來就會(huì)變得容易很多，開關(guān)損耗降下去了，使用5A場(chǎng)管在同樣的溫度環(huán)境下結(jié)點(diǎn)溫度降低在可控范圍，自然就不會(huì)再出現(xiàn)熱耗散引起的失效了，當(dāng)然遇到這種情況增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力也是一個(gè)很好的辦法。

圖2開關(guān)器件損耗分析示意圖

通常大多數(shù)芯片的結(jié)點(diǎn)溫度是150℃，只要把結(jié)點(diǎn)溫度控制在這個(gè)范圍內(nèi)并保持一定裕量，從熱耗散的設(shè)計(jì)角度來說都是沒有問題的，如果下次你找遍了芯片的器件性能指標(biāo)均發(fā)現(xiàn)有一定裕量卻無法找到失效原因時(shí)，不妨從熱耗散的角度來發(fā)現(xiàn)問題，興許能幫上大忙。