用結(jié)點(diǎn)溫度評(píng)估器件可靠性的案例分析

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)算后，換成5A的MOS管，問(wèn)題就解決。為什么用電流裕量更小了，卻能提高可靠性呢?本文將從器件的結(jié)溫角度跟你說(shuō)說(shuō)產(chǎn)品的可靠性。

工程師在設(shè)計(jì)的過(guò)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(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)150℃，唯一的辦法就是讓其得到足夠好的散熱，如下所示。

圖2 場(chǎng)效應(yīng)管散熱片

好了，我們把問(wèn)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(wèn)題上來(lái)，場(chǎng)效應(yīng)管的損耗通常來(lái)自導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗兩種，但在高頻小電流條件下以開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗來(lái)說(shuō)幾乎可以忽略不計(jì)，這樣一來(lái)5A的場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)起來(lái)就會(huì)變得容易很多，開(kāi)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3開(kāi)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(lái)說(shuō)都是沒(méi)有問(wèn)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(wú)法找到失效原因時(shí)，不妨從熱耗散的角度來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，興許能幫上大忙。

電源模塊在實(shí)際應(yīng)用中，通常面臨著高溫環(huán)境，因此在在設(shè)計(jì)電源時(shí)，本文只通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)溫來(lái)開(kāi)題，真正的電源產(chǎn)品可靠性需要考慮所有器件的結(jié)溫與可靠性，如果選用成品電源，不管是模塊電源、普通開(kāi)關(guān)電源、電源適配器等，這部分的工作一般都由電源設(shè)計(jì)廠家完成。

致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊已有近20年的行業(yè)積累，目前產(chǎn)品具有寬輸入電壓范圍，隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個(gè)系列，封裝形式多樣，兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的SIP、DIP等封裝。同時(shí)致遠(yuǎn)電子為保證電源產(chǎn)品性能建設(shè)了行業(yè)內(nèi)一流的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，配備最先進(jìn)、齊全的測(cè)試設(shè)備，全系列隔離DC-DC電源通過(guò)完整的EMC測(cè)試，靜電抗擾度高達(dá)4KV、浪涌抗擾度高達(dá)2KV，可應(yīng)用于絕大部分復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。