用結點溫度評估器件可靠性的案例分析

　　摘要：工程師在設計一款產品時用了一顆9A的MOS管，量產后發現壞品率偏高，經重新計算分析后，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?

　　工程師在設計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計，案例分析我們放到最后說，為了幫助理解，我們先引入一個概念：

　　其中Tc為芯片的外殼溫度，PD為芯片在該環境中的耗散功率，Tj表示芯片的結點溫度，目前大多數芯片的結點溫度為150℃，Rjc表示芯片內部至外殼的熱阻，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進行計算即可。

　　圖1功率器件熱阻分布示意圖

　　舉個例子來說，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，最高結點溫度為150℃,此代入公式有：

　　從上面公式可以推算出Rja為200℃/W(Rja表示結點到空氣的熱阻)。假設芯片殼溫(Tc)為55℃，熱耗散功率有0.5W時，此刻芯片結點溫度為：Tj=Tc+PD*Rjc代入得到155℃，已經超過了最高結溫150℃了。故需要降額使用，然而降額曲線在數據手冊中并未標注，所以小編只能自行計算。

　　在25℃(Tc)時有公式：

　　恒成立。

　　把線性降額因子設為F，則在任意溫度時有：

　　代入已知參數得到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計要求。

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

　　好了，我們把問題轉回到最初的場效應管為什么需要從9A變成5A性能更可靠的問題上來，場效應管的損耗通常來自導通損耗與開關損耗兩種，但在高頻小電流條件下以開關損耗為主，由于9A的場效應管在工藝上決定了其柵極電容較大，需要較強的驅動能力，在驅動能力不足的情況下導致其開關損耗急劇上升，特別在高溫情況下由于熱耗散不足，導致結點溫度超標引發失效。如果在滿足設計裕量的條件下換成額定電流稍小的場管以后，由于兩種場管在導通內阻上并不會差距太大，且導通損耗在高頻條件下相比開關損耗來說幾乎可以忽略不計，這樣一來5A的場管驅動起來就會變得容易很多，開關損耗降下去了，使用5A場管在同樣的溫度環境下結點溫度降低在可控范圍，自然就不會再出現熱耗散引起的失效了，當然遇到這種情況增強驅動能力也是一個很好的辦法。

　　圖2開關器件損耗分析示意圖

　　通常大多數芯片的結點溫度是150℃，只要把結點溫度控制在這個范圍內并保持一定裕量，從熱耗散的設計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均發現有一定裕量卻無法找到失效原因時，不妨從熱耗散的角度來發現問題，興許能幫上大忙。