节能灯功率管失效机理分析

1引言 节能灯作为一种环保型的电源，在全世界得到了广泛的应用，国内节能灯的生产更是一枝独秀。作为节能灯（包括电子镇流器）的重要部件，大功率开关三极管的质量对节能灯的质量和寿命起着关键的作用。目前市场上除了仙童、ST等几个进口品牌外，国内的节能灯功率管质量都不够稳定。本文就大功率开关三极管在节能灯应用中的失效机理作出分析，并对影响失效的因素进行探讨。 2失效模式 节能灯损坏、寿命短的主要原因是大功率开关三极管的失效。通过对失效功率管的解剖分析，绝大多数失效管属发射结烧毁短路。用显微镜观察解剖的失效管子时，可以见到在发射区焊位附近有明显的烧毁发黑斑点（参见图1）。这是典型的烧毁现象。 三极管工作时，由于电流热效应，会消耗一定的功率，这就是耗散功率。耗散功率主要由集电极耗散功率组成： PT≈VceIc即PT≈PCM 我们知道，三极管的工作电流受温度的影响很大。PN结的正向电流与温度的关系为： I∝e－(Eg－qV)/kT 当三极管工作时，耗散功率转化为热，使集电结结温升高，集电结结电流进一步加大，会造成恶性循环使管子烧毁。这种情况叫热击穿。使管子不发生热击穿的最高工作温度定义为最高结温。硅材料PN结的最高结温是： Tjm=6400/(10.45＋lnρ) 另一种情况，当管子未达到最高结温时，或者未超过最大耗散功率时，由于材料的缺陷和工艺的不均匀性，以及结构原因造成的发射区电流加紧效应，使得三极管的工作电流分布不均匀。当电流分布集中在某一点时，该点的功耗增加，引起局部温度增高，温度的增高反过来又使得该处的电流进一步增大，从而形成“过热点”，其温度若超过金属电极与半导体的共熔点，造成三极管烧毁。另一方面，局部的温升和大电流密度会引起局部的雪崩（击穿），此时的局部大电流能使管子烧通，使击穿电压急剧降低，电流上升，最后导致管子烧毁。这种情况就是所谓的二次击穿。三极管二次击穿的特性曲线如图2所示。 二次击穿是功率管失效的重要原因。为保证管子正常工作，提出了安全工作区SOA的概念。SOA示意图如图3所示，它由集电极最大电流Icm线、击穿电压BVceo线、集电极最大耗散功率Pcm线和二次击穿功耗Psb线组成。由于使用时工作电流和最大电压的设计都不会超过管子的额定值，因此，正常情况下，集电极耗散功率和二次击穿特性就是造成管子失效烧毁的主要因素。 3影响失效的因素 从上面的失效机理分析可知，为减少失效，重要的是要尽量降低管子工作时的功率、改善二次击穿特性，这两者其实是相关的。由二次击穿的发生机理可知，温度上升，导致管子HFE增大，开关性能变差，二次击穿特性变差（更容易发生二次击穿）；温度的升高，也使得管子的实际耗散功率参数变差，管子的安全工作区变小了。反过来，由于管子的耗散功率主要和管子的热阻有关，耗散功率小，实际上也就是其所能承受的电流电压低，散热性能差，同样也影响到了二次击穿特性。因此，防止工作时管子温升过高、提高管子的耗散功率，是提高管子质量的最有效办法。 1)热阻 管子工作中，当PN结温度超过允许最高结温时，管子消耗的功率就是管子的集电极最大耗散功率。由于一定材料的最高结温是一定的，因此，提高管子的散热性能，就是提高管子的耗散功率，同时，散热性能好，管子的温升就低，也降低了二次击穿的可能性，这是提高二次击穿特性的重要因素。 热阻作为大功率管的一个重要参数，代表了管子的散热能力。热阻与耗散功率的关系为： Pcm=(Tjm－Ta)/RT 其中Tjm为最高结温，Ta为环境温度，RT为热阻。可见，当最高结温和环境温度一定时，耗散功率的大小取决于热阻的大小。 在节能灯产品中，应选用热阻尽可能低的管子。除了芯片本身之外，后工序装配的材料、工艺和质量对热阻的影响非常大。对管子进行热阻的测试筛选，是保证节能灯功率管质量的基本要求。 2)开关参数 典型的节能灯线路工作时，两只管子轮流工作于饱和和截止状态，因此管子的开关参数对其工作情况有重大的影响。管子的开关参数有4个：延迟时间td、上升时间tr、储存时间ts和下降时间tf。如图4所示的三级管开关波形图，管子由截止到饱和时，过渡时间受延迟时间和上升时间的影响，由饱和到截止时，过渡时间受存储时间和下降时间的影响。管子在不同工作状态时消耗的功率为： 截止时：P=Vce·Icex 饱和时：P=Vces·Ic 由于三