節(jié)能燈功率管的失效機理分析

節(jié)能燈作為一種環(huán)保型的電源，在全世界得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)節(jié)能燈的生產(chǎn)更是一枝獨秀。作為節(jié)能燈（包括電子鎮(zhèn)流器）的重要部件，大功率開關(guān)三極管的質(zhì)量對節(jié)能燈的質(zhì)量和壽命起著關(guān)鍵的作用。目前市場上除了仙童、ST等幾個進口品牌外，國內(nèi)的節(jié)能燈功率管質(zhì)量都不夠穩(wěn)定。本文就大功率開關(guān)三極管在節(jié)能燈應(yīng)用中的失效機理作出分析，并對影響失效的因素進行探討。

2失效模式

節(jié)能燈損壞、壽命短的主要原因是大功率開關(guān)三極管的失效。通過對失效功率管的解剖分析，絕大多數(shù)失效管屬發(fā)射結(jié)燒毀短路。用顯微鏡觀察解剖的失效管子時，可以見到在發(fā)射區(qū)焊位附近有明顯的燒毀發(fā)黑斑點（參見圖1）。這是典型的燒毀現(xiàn)象。

三極管工作時，由于電流熱效應(yīng)，會消耗一定的功率，這就是耗散功率。耗散功率主要由集電極耗散功率組成：

PT≈VceIc即PT≈PCM

我們知道，三極管的工作電流受溫度的影響很大。PN結(jié)的正向電流與溫度的關(guān)系為：

I∝e－(Eg－qV)/kT

當三極管工作時，耗散功率轉(zhuǎn)化為熱，使集電結(jié)結(jié)溫升高，集電結(jié)結(jié)電流進一步加大，會造成惡性循環(huán)使管子燒毀。這種情況叫熱擊穿。使管子不發(fā)生熱擊穿的最高工作溫度定義為最高結(jié)溫。硅材料PN結(jié)的最高結(jié)溫是：

Tjm=6400/(10.45＋lnρ)

另一種情況，當管子未達到最高結(jié)溫時，或者未超過最大耗散功率時，由于材料的缺陷和工藝的不均勻性，以及結(jié)構(gòu)原因造成的發(fā)射區(qū)電流加緊效應(yīng)，使得三極管的工作電流分布不均勻。當電流分布集中在某一點時，該點的功耗增加，引起局部溫度增高，溫度的增高反過來又使得該處的電流進一步增大，從而形成“過熱點”，其溫度若超過金屬電極與半導體的共熔點，造成三極管燒毀。另一方面，局部的溫升和大電流密度會引起局部的雪崩（擊穿），此時的局部大電流能使管子燒通，使擊穿電壓急劇降低，電流上升，最后導致管子燒毀。這種情況就是所謂的二次擊穿。三極管二次擊穿的特性曲線如圖2所示[1]。

二次擊穿是功率管失效的重要原因。為保證管子正常工作，提出了安全工作區(qū)SOA的概念。SOA示意圖如圖3所示，它由集電極最大電流Icm線、擊穿電壓BVceo線、集電極最大耗散功率Pcm線和二次擊穿功耗Psb線組成。由于使用時工作電流和最大電壓的設(shè)計都不會超過管子的額定值，因此，正常情況下，集電極耗散功率和二次擊穿特性就是造成管子失效燒毀的主要因素。

3影響失效的因素

從上面的失效機理分析可知，為減少失效，重要的是要盡量降低管子工作時的功率、改善二次擊穿特性，這兩者其實是相關(guān)的。由二次擊穿的發(fā)生機理可知，溫度上升，導致管子HFE增大，開關(guān)性能變差，二次擊穿特性變差（更容易發(fā)生二次擊穿）；溫度的升高，也使得管子的實際耗散功率參數(shù)變差，管子的安全工作區(qū)變小了。反過來，由于管子的耗散功率主要和管子的熱阻有關(guān)，耗散功率小，實際上也就是其所能承受的電流電壓低，散熱性能差，同樣也影響到了二次擊穿特性。因此，防止工作時管子溫升過高、提高管子的耗散功率，是提高管子質(zhì)量的最有效辦法。 1)熱阻

管子工作中，當PN結(jié)溫度超過允許最高結(jié)溫時，管子消耗的功率就是管子的集電極最大耗散功率。由于一定材料的最高結(jié)溫是一定的，因此，提高管子的散熱性能，就是提高管子的耗散功率，同時，散熱性能好，管子的溫升就低，也降低了二次擊穿的可能性，這是提高二次擊穿特性的重要因素。

熱阻作為大功率管的一個重要參數(shù)，代表了管子的散熱能力。熱阻與耗散功率的關(guān)系為：

Pcm=(Tjm－Ta)/RT

其中Tjm為最高結(jié)溫，Ta為環(huán)境溫度，RT為熱阻。可見，當最高結(jié)溫和環(huán)境溫度一定時，耗散功率的大小取決于熱阻的大小。

在節(jié)能燈產(chǎn)品中，應(yīng)選用熱阻盡可能低的管子。除了芯片本身之外，后工序裝配的材料、工藝和質(zhì)量對熱阻的影響非常大。對管子進行熱阻的測試篩選，是保證節(jié)能燈功率管質(zhì)量的基本要求。

2)開關(guān)參數(shù)

典型的節(jié)能燈線路工作時，兩只管子輪流工作于飽和和截止狀態(tài)，因此管子的開關(guān)參數(shù)對其工作情況有重大的影響。管子的開關(guān)參數(shù)有4個：延遲時間td、上升時間tr、儲存時間ts和下降時間tf。如圖4所示的三級管開關(guān)波形圖，管子由截止到飽和時，過渡時間受延遲時間和上升時間的影響，由飽和到截止時，過渡時間受存儲時間和下降時間的影響。管子在不同工作狀態(tài)時消耗的功率為：

截止時：P=Vce·Icex

飽和時：P=Vces·Ic

由于三級管的反向漏電流Icex和飽和壓降Vces都很低，因此，飽和和截止時，管子的消耗功率并不大，但在兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，管子有一部分時間工作于放大區(qū)，此時的電流電壓均較大，處于放大區(qū)的時間越長，從而消耗功率也越大，溫度也就升高越多。

由波形圖可看出，影響管子處于放大區(qū)的開關(guān)參數(shù)主要是上升時間和下降時間。因此，應(yīng)選用上升時間和下降時間盡可能短的管子。

另一方面，由于節(jié)能燈的兩只管子輪流工作于飽和和截止狀態(tài)，開關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系也很重要。除延遲時間外，如果儲存時間和下降時間的和比上升時間大太多，則兩個管子同時處于導通狀態(tài)的機會就大，也會導致不良的結(jié)果。同樣，兩個管子的開關(guān)參數(shù)的一致性也非常重要。 因為三極管的開關(guān)時間中，儲存時間ts最長，因此其影響也最大。應(yīng)盡量選用儲存時間短的管子，同時要求儲存時間一致性盡量好。

3)高溫漏電流

在上面的說明中，我們知道管子工作在截止狀態(tài)時的功耗主要由反向漏電流Icex決定。常溫下，Icex一般很小，因此，管子的截止功率并不大，但當工作后溫度升高后，Icex變大，則其消耗功率也變大，直至影響到正常的工作。另一方面，反向漏電流的增大使得PN結(jié)擊穿特性變軟，也使管子變得易于燒毀。因此，高溫漏電流也是影響管子質(zhì)量的重要參數(shù)。

硅三極管的ce反向漏電為：

Iceo=（1＋?）Icbo≈（1＋?）Ae×Ni×XMG/2τ

其隨溫度的變化主要與材料和工藝有關(guān)。在管子的測試中，常以不同溫度（高溫和常溫）下的漏電流變化△Iceo作為指標進行挑選，要求△Iceo盡可能的小。

4)其它

功率開關(guān)三極管的其他參數(shù)，也與其使用有關(guān)。hFE也是經(jīng)?？紤]的因素之一。其對管子質(zhì)量的影響，也體現(xiàn)在對開關(guān)時間的影響，其重要性相對沒有開關(guān)參數(shù)影響那么大。除此之外，Icm和BVceo也是常?？紤]的因素。

上面對節(jié)能燈大功率開關(guān)管的失效機理分析，以及由此得出的參數(shù)選用要求，經(jīng)過我們的大量分組試驗，證明與實際情況相符。華汕電子器件有限公司在相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)方面也據(jù)此采取相應(yīng)的措施，并在實際應(yīng)用上取得了良好的效果，滿足了國內(nèi)客戶的要求，迅速為市場所接受。