节能灯功率管失效机理分析

文章摘要：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

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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[1]。

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

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