用結點(diǎn)溫度評估器件可靠性的案例分析

　　工程師在設計一款產(chǎn)品時(shí)用了一顆9A的MOS管，量產(chǎn)后發(fā)現壞品率偏高，經(jīng)重新計算分析后，換成了一顆5A的MOS管，問(wèn)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(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計，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表示芯片的結點(diǎn)溫度，目前大多數芯片的結點(diǎn)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(jìn)行計算即可。

　　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表示結點(diǎn)到空氣的熱阻)。假設芯片殼溫(Tc)為55℃，熱耗散功率有0.5W時(shí)，此刻芯片結點(diǎn)溫度為：Tj=Tc+PD*Rjc代入得到155℃，已經(jīng)超過(guò)了最高結溫150℃了。故需要降額使用，然而降額曲線(xiàn)在數據手冊中并未標注，所以小編只能自行計算。

　　在25℃(Tc)時(shí)有公式：

　　恒成立。

　　把線(xiàn)性降額因子設為F，則在任意溫度時(shí)有：

　　代入已知參數得到F>5mW/℃，一般為了滿(mǎn)足裕量要求，降額因子往往取得更大才能滿(mǎn)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(shí)就要考慮殼體到空氣之間的熱阻。一般數據手冊會(huì )給出Rja(結到環(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(mǎn)足結點(diǎn)不超過(guò)150℃，唯一的辦法就是讓其得到足夠好的散熱。

　　好了，我們把問(wèn)題轉回到最初的場(chǎng)效應管為什么需要從9A變成5A性能更可靠的問(wèn)題上來(lái)，場(chǎng)效應管的損耗通常來(lái)自導通損耗與開(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)效應管在工藝上決定了其柵極電容較大，需要較強的驅動(dòng)能力，在驅動(dòng)能力不足的情況下導致其開(kāi)關(guān)損耗急劇上升，特別在高溫情況下由于熱耗散不足，導致結點(diǎn)溫度超標引發(fā)失效。如果在滿(mǎn)足設計裕量的條件下?lián)Q成額定電流稍小的場(chǎng)管以后，由于兩種場(chǎng)管在導通內阻上并不會(huì )差距太大，且導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，這樣一來(lái)5A的場(chǎng)管驅動(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)境下結點(diǎn)溫度降低在可控范圍，自然就不會(huì )再出現熱耗散引起的失效了，當然遇到這種情況增強驅動(dòng)能力也是一個(gè)很好的辦法。

　　圖2開(kāi)關(guān)器件損耗分析示意圖

　　通常大多數芯片的結點(diǎn)溫度是150℃，只要把結點(diǎn)溫度控制在這個(gè)范圍內并保持一定裕量，從熱耗散的設計角度來(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均發(fā)現有一定裕量卻無(wú)法找到失效原因時(shí)，不妨從熱耗散的角度來(lái)發(fā)現問(wèn)題，興許能幫上大忙。