1.2.2 分立器件和元件热特性

电子元器件热特性决定了电性能参数随温度变化的规律，以及失效率与温度的关系，掌握电子元器件的热特性，是实施微组装可靠性热设计的重要基础。

1.半导体器件热特性

1）器件性能与温度

半导体器件对高温、低温和温度交变应力极为敏感。在稳态温度下，器件主要在两个方面受到温度的影响：一是高温影响器件载流子的运动，进而使器件的电参数漂移，如结温升高将使漏电流和集电极电流增大，使器件的工作状态不稳定，可能进一步导致结温升高和集电极电流增大的恶性循环，使器件失效；二是芯片键合点材料在水汽作用下发生化学反应，反应腐蚀速度随温度的升高而呈指数方式增大。

例如，NPN晶体管集电极电流I_C、反向扩散电流I_S与PN结温度T_J的关系[12]为：

式中，I_C为NPN晶体管集电极电流，I_C=h_EFI_B，h_EF为NPN晶体管静态电流放大系数，I_B为NPN晶体管基极电流；C为与晶体管结构尺寸和基极参杂有关的常数；T_J为PN结温度；E_g（0）为线性外推到0K的禁带宽度；q为电子电荷；为反向击穿电压；K为玻耳兹曼常数；I_S为反向饱和电流。

半导体器件工作时，芯片温度分布并不均匀，PN结作为器件生产热功耗的有源区，生成的热量由芯片向外壳传导散发。双极型半导体器件，PN结热点在收集结上，热点区域电流密度和温度较高，一旦热点温度超过允许的上限，PN结将会发生局部熔融和热点扩散，导致器件过早失效，器件发生的二次击穿大多数由PN结热点扩展所致。

2）器件热性能表征

半导体器件热性能用5个热性能参数进行表征[1]：结温T_J、热阻θ、壳温T_C、热响应时间t_JR和功耗P_D，器件产品详细规范或DATASHEET（数据手册）会提供这些热性能参数和产品电参数与温度的关系曲线，如绝对最大额定结温T_JM、结壳热阻θ_JC、最高允许工作壳温T_C、最高储存温度上限T_storage等。

分立半导体器件芯片热源按单一热源处理，假设器件材料热导率与温度无关，则结壳热阻为与器件结构和材料相关的阻碍器件内部热传递的常数，若采用电性能的敏感参数表征结温，则结温T_J是PN结的平均温度，结壳热阻θ_JC是PN结到器件外壳的平均热阻。结壳热阻θ_JC与结温T_J、器件功耗P_D之间的关系按线性处理，则结壳热阻、结温由式（1-4）、式（1-5）计算[1]：

3）器件失效率与温度

半导体器件工作温度升高，失效率快速攀升。这种随机失效的本质是由于器件内部结构或材料微缺陷的存在，形成了某种与温度相关的潜在失效趋势，如开路、短路、过电应力、参漂超差、机械损伤等潜在失效模式，温度应力的作用使这些潜在失效更易被激活，或者耐受强度下降。

如图1-3所示[13]，线性双极型集成电路、数字MOS集成电路和数字GaAs集成电路的基本失效率随工作温度的上升而升高，降低工作温度则失效率大幅下降。图中失效率数据表明，线性双极型集成电路结温T_J从125℃降低至95℃，基本失效率λ_b下降75%；数字MOS集成电路的沟道温度T_CH从125℃降低至95℃后，基本失效率λ_b下降58%；数字GaAs集成电路的沟道温度T_CH从125℃降低至105℃，基本失效率λ_b下降50%。

基于失效数据统计的半导体器件基本失效率经验模型由式（1-6）给出[16]，由此可以预计晶体管和二极管在任一温度下的基本失效率。

半导体器件失效率与结温密切相关，在进行微组装可靠性热设计时，对内装器件结温降额使用，以降低产品的失效率。参考标准GJB 299C规定的各类半导体器件失效率与温度的关系曲线，控制器件在长期工作状态下热降额后的结温上限，也可参考标准GJB/Z 35的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等级温度降额要求实施。同时，设计中还需考虑器件在短期工作时间内的结温极限控制，应以保证器件功能和性能为宗旨进行设计考虑，如硅器件的结温极限T_JM为175℃。

4）器件最大允许功耗与壳温

半导体器件最大允许功耗的确定，是以PN结的绝对最大额定结温为上限的。由式（1-7）可以得到器件最大允许功耗P_DM与器件壳温T_C的关系：

可见，器件的最大允许功耗是随着器件壳温的升高而降低的。例如，半导体硅器件PN结的绝对最大额定结温T_JM=175℃，据此得到器件最大允许功耗在0～175℃壳温范围的变化值，如图1-4所示。由图看出，器件壳温T_C≤T_S（一般T_S=25℃）时，P_DM直接采用器件DATASHEET中给出的最大额定功耗（微组装用器件裸芯片不适用，需要结合封装结构确定结壳热阻）；当器件壳温T_S＜T_C≤125℃时，由式（1-7）计算器件在不同壳温下的最大允许功耗。T_S是半导体器件最大允许功耗（额定功耗）降额温度点。通常，开关和高频晶体管、整流和稳压二极管T_S=25℃，功率晶体管T_S=75℃，大电流整流二极管T_S=80℃，运算发大器T_S=70℃[8]。

2.片式厚膜电阻器热特性

1）电阻器热特性及表征

片式厚膜电阻器的工作环境温度范围：-55～+125℃，温度对电阻器的影响主要表现为阻值和失效率随温度的变化。通常，片式厚膜电阻器的阻值随温度的升高而降低，但这种效应很小[14]，电阻-温度特性变化在±500×10-6/℃～±200×10-6/℃之间[15]，电阻器温度系数（RTC）表示阻值的温度变化特性，如某国产片式厚膜电阻器的RTC代号W、U、K、L，分别代表阻值变化范围：±200×10-6/℃、±400×10-6/℃、±100×10-6/℃和±250×10-6/℃。

2）电阻器失效率与温度

片式厚膜电阻器的主要失效模式是开路、短路、参漂超差和沾污。一旦片式厚膜电阻器的工作电压或功率超过电阻器的最大额定值，电阻膜会形成局部热点，随着热点温度逐渐升高，达到材料熔点时，电阻膜材料熔化，电阻器开路。导致电阻失效的主要原因为工作电压过高、功耗过大、环境温度过高，降低电阻器退化速率的敏感参数为功率、电压和温度应力。

美国可靠性信息分析中心（RIAC）给出了非线绕类电阻器失效率与工作环境温度T_A的关系曲线，如图1-5所示[13]。图中S是应力比，等于实际工作与额定功率之比。基于失效数据统计的电阻器基本失效率经验模型由式（1-8）给出。

式中，G、H、J均为加速常数。

3）电阻器额定功率与环境温度

厚膜电阻器额定功率P_D与电阻器降额温度T_D的关系如图1-6所示[13]。图中T_S是电阻器额定功率降额的温度点，或称为额定温度。电阻器通过功率降额后，实现自身温度的降额，降额温度T_D与额定功率P_D降额百分比x%的关系由式（1-9）决定：

由图1-6可知，厚膜电阻器的额定功率降额温度点T_S=70℃，最高额定温度：T_max=150℃，功率一般降额后的温度T_D=125℃，功率降额为70%P_D，电阻温度T_D=T_max-25℃；电阻功率强降额后的温度：T_D=110℃，功率降额为50%P_D，电阻温度T_D=T_max-40℃。也可按电阻器负荷特性曲线，考虑工作环境温度的降额[8]。

3.多层陶瓷电容器（MLCC）热特性

1）片式MLCC热特性及表征

MLCC的结构特点是多层金属电极分别由陶瓷介质隔离，形成陶瓷叠层结构。MLCC的优势在于体积容积比高、内电感小、耐湿、耐高压、寿命长和工作温度范围宽，在1～300kHz频率范围内稳定性好，主要用于表面贴装。

MLCC的电容量（C）、绝缘电阻随工作环境温度变化而改变，工作环境温度（T_A）范围：-55℃～+125℃。1类陶瓷（低介电常数，TiO₂为基材）的MLCC容量变化小于±30ppm/℃，温度稳定性极好，但容量较小，适用于RF匹配和谐振电路中电压的精密控制，如美国电工协会EIA标准C0G代码和美军MIL标准NP0代码的陶瓷介质电容器；2类陶瓷（高介电常数，BaTiO₃为基材）的MLCC容量变化较大，变化达到±15%，但容量大，适用于电路的平滑、去耦等，如EIA标准的X7R、X7R、X6S、X5R、Y5V及5U等代码电容器。这类MLCC电容量随温度变化的特点是，温度在45℃附近电容量达到最大，在-55～+45℃范围内电容量随温度升高而上升，在+45～+125℃范围内，电容量随温度升高而下降，电容量发生变化的原因是高介陶瓷的晶格结构在高温时发生相变，导致介电常数随温度变化大幅变动，但这是一种可逆的变化过程，温度降低后，电容量可恢复。图1-7是1类、2类MLCC在-55℃～+125℃范围内电容量随温度的变化率。显然，2类MLCC在温度105℃附近电容量变化率最大。

1类陶瓷MLCC的电容量温度特性用温度系数表征，例如上述C0G电容器的温度系数在-55～+125℃范围内为±30ppm/℃；2类陶瓷MLCC的电容器温度特性用随温度变化的容量值偏差表征，例如上述X7R电容器在-55～+125℃范围内的容量差为±15%。

2）MLCC失效率与温度

MLCC主要失效模式包括参漂超差、短路、开裂或开路和低电压失效。参漂超差是指MLCC长期工作后电容、绝缘电阻等参数漂移超出规定指标要求。陶瓷介质瞬间击穿引起短路的原因是瓷体内部存在多层陶瓷分层、气隙、杂质、裂缝、空洞和电极结瘤等微观缺陷。陶瓷介质开裂导致MLCC电极开路的原因是热应力和机械应力。低电压失效是由于内电极金属迁移导致MLCC阻抗下降甚至短路。导致MLCC失效的原因为工作电压过高、环境温度过高、温变应力过大或出现纹波电流。

降低MLCC工作电压和工作环境温度，可以延缓MCLL退化，降低失效概率。美国RIAC给出了固定陶瓷电容器基本失效率与工作电压、工作环境温度T_A的关系曲线，如图1-8所示[13]。

基于失效数据统计的电容器（包括MLCC）基本失效率经验模型由式（1-10）给出[16]，可预计电容器在不同温度下的基本失效率。

3）MLCC额定电压与环境温度

MLCC额定电压与环境温度的关系及降额要求如图1-9所示。MLCC电压降额后，其环境的降额温度T_D与最高额定环境温度T_AM的关系由式（1-11）决定[8]。

由图1-9可知，MLCC在最大额定电压下工作，最高额定环境温度T_AM=125℃；MLCC的电压降额分为两种：一般电压降额（70%）和电压强降额（60%），相应的工作环境温度降额为T_D=T_AM-10℃，即工作环境温度降低10℃，而低于强降额（60%）的电压降额已无更大意义，因为MLCC失效率下降的空间很小。尽管如此，如需要进一步电压降额，可采用GJB/Z 35推荐的固定陶瓷电容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等级的电压降额（70%、60%、50%）[8]。

4.片式固体钽电容器热特性

1）钽电容器热特性

片式钽电容器的结构特点是一种有极性的烧结型固体电容，用于精度要求较高的电路中。钽电容内部由多孔钽块作为阳极，钽块表面通过电化学工艺形成氧化钽（Ta₂O₅）膜作为电介质，氧化钽膜表面覆盖的氧化锰（MnO₂）及石墨作为阴极。片式钽电容器的优势在于体积容积高、精度高、耐高压和漏电流小，在10～100kHZ频率范围内容量稳定性好，最高额定电压低于50V，主要用于旁路或滤波脉动交流成分和要求大电容量的电路。

钽电容器的氧化钽（Ta₂O₅）膜介质具有通直流、阻交流的单项导电性。与MLCC非极性电容器不同，钽电容器属于极性电容器。主要性能参数有电容量C、漏电流I_C、损耗角正切（tgδ）、等效串联电阻（ESR）等。其中电容量C、漏电流I_C、损耗角正切（tgδ）随温度升高而增大，如图1-10和图1-11所示；电容量和等效串联电阻与工作频率密切相关，如图1-12和图1-13所示。

片式钽电容器电容C与介质层的厚度d及介质层的面积A之间的关系由式（1-12）给出。

式中，ε₀是真空的介电常数（8.855×10-12F/m）；ε_T是的Ta₂O₅膜相对介质常数，27×10-12F/m。

由图1-10可知，片式钽电容器随温度的变化，在-55℃时电容量下降幅度小于5%，工作温度升高电容量将呈单向线性增加，在工作温度125℃时电容量增长幅度小于12%。由图1-11可知，片式钽电容漏电流I_C随温度的升高而增加，适当温度降额可以缩小钽电容器参数的温漂范围。

2）钽电容器失效率与温度

片式钽电容器的主要失效模式有短路、开路、电容量漂移超差。其中漏电流增加、氧化膜缺陷和过电击穿造成的短路占失效模式的90%。

导致片式钽电容器失效的原因有：高温应力、电压过高、水汽渗入、振动应力、纹波电流和纹波电压等，特别是温度和工作电压应力对片式钽电容器的影响最大，随着电压和温度的增加，电容器的漏电流增大，且增加的速度也随之加快，甚至在钽块某个局部点的漏电流可能发生“雪崩现象”，使钽电容器损坏，尽管可以采用高阻抗回路设计（3Ω/V）防止这种现象，但电路设计选用片式钽电容器仍需要留有足够的温度裕量和电压裕量。美国RIAC给出了片式钽电容器失效率与工作电压、工作温度的关系，如图1-14所示[13]。基于失效数据统计的电容器（包括片式钽电容器）基本失效率经验模型由式（1-10）给出。

3）钽电容器的额定电压与环境温度

与MLCC不同，片式钽电容器的降额电压T_D存在一个降额温度点T_S，T_S=T_AM-40℃，如图1-15所示[13]。在T_D=（T_AM-40℃）～（T_AM-20℃）范围内，随环境温度升高，降额电压由80%至53%连续降额；在T_D=（T_AM-20℃）～T_AM范围内，降额电压只能选择T_D=（T_AM-20℃）温度点对应的曲线电压值。与MLCC相比，片钽电容器精度高、稳定性好，但在环境温度降额裕量不大的情况下，可以选择耐高温性能和电容频率特性有优势的MLCC。

5.电感器热特性

1）线圈固定电感器热特性与表征

电感器的主要参数有电感量（L），允许偏差（±ΔL%）、感抗（X_L）、品质因素（Q）、分布电容（C）、直流电阻（R_DC）、额定电流（I_DC）等。其中，电感量L也称自感系数，表征电感器固有的自感能力，单位：亨利（H）、毫亨（mH）、微亨（μH），大小取决于线圈的匝数、绕制方式、磁芯材料等；允许偏差±ΔL%，定义为电感线圈电感量的允许偏差，在滤波电路中允许偏差为±0.2%～±0.5%等；感抗X_L，表征电感线圈对交流电流阻碍的能力，单位为欧姆，感抗X_L与电感量L和交流电频率f之间的关系为X_L=2πfL；品质因素Q，定义为感抗X_L与等效电阻R的比值，即Q=X_L/R（或Q=ωL/R），回路的损耗越小，线圈的Q越高，大小与绕线直流电阻、骨架介质损耗、磁芯损耗、高频趋肤效应等因素有关；分布电容C，电感线圈匝与匝之间、线圈与屏蔽罩之间、线圈与支撑基板之间存在的电容，分布电容的存在使线圈的Q减小，稳定性变差，线圈的分布电容越小越好；直流电阻R_DC，定义为电感线圈自身的直流电阻，铜线电阻率ρ=ρ₀[1+α（T-20）]，T为温度（℃），α为温度系数（1/℃），ρ₀为20℃时铜线电阻率，直流电阻R_DC越大，线圈的Q越小；额定电流I_DC，定义为电感器长期工作允许通过的最大直流电流。

微组装中有两类电感器可选择：一类是传统的线圈式电感器，体积大但稳定性好；另一类是新式的片式电感器，体积小但电感稳定性稍差。图1-16给出了两类电感器电感量分别在25℃、85℃随直流电流的变化特性对比[17]，电感量均为2.2μH。显然，线圈式电感的电感量在电流未达到饱和时非常稳定，饱和电流I_SAT随温度升高而降低；片式电感的电感量随电流的增大、温度的升高而逐渐下降，没有饱和电流点。

线圈式电感器的热量源于磁芯和漆包线，绕线绝缘层阻碍热传导，电感内部绕组形成热点。受到内部热点温度的限制，电感器漆包线的绝缘材料有不同的选择，漆包线的绝缘材料分为A、E、B、F、H等五大类，极限温度分别为105℃、120℃、130℃、155℃、180℃[16]。

描述电感量随温度变化：一是电感温度系数α_L，针对可恢复的电感随温度变化特性；二是电感不稳定系数，针对不可恢复的电感随温度变化特性。温度对电感量的影响，是因为导线热膨胀使线圈产生几何变形引起的，通过优化绕制方式，减少漆包线趋肤效应带来的热问题，采用多股漆包线代替具有同样总面积的单股线。

表征电感器的热性能用热点温度T_HS，热点温度可用近似经验公式（1-13）计算[8]：

式中，ΔT为线圈平均温升，可直接测量或采用电阻变化法测得，电阻变化法用式（1-14）计算：

式中，T_A为环境温度（℃）；T₀为初始环境温度（℃）；R为温度（T₀+ΔT）时线圈电阻（Ω）；R₀为温度T₀时线圈电阻（Ω）；T_AM为切断电源时的最高环境温度（℃）。

2）电感器失效率与温度

电感器主要失效模式：绝缘退化、机械损伤、短路、开路、参数超差。因电感器结构紧凑，铜线漆包线电阻及磁芯磁阻等原因，电感器在工作时会发热，过电流或不适当的工作频率（磁饱和或涡流）会使电感器产生热，使线圈绝缘漆层致热击穿，引起短路或开路。长期工作，温度应力对电感器的作用明显，漆包线绝缘层材料逐渐老化，最后击穿。电感器的基本失效率与热点温度的关系，如图1-17所示[13]。

3）电感器的热降额

电感器线圈温度升高，会使线圈漆包线的绝缘性能下降，从而降低电感器的可靠性，为防止绝缘击穿，在维持线圈绕组电压不超过额定值时，还必须控制电感器工作在设计的频率范围内，否则低于频率下限，电感器会产生过热和可能的磁饱和。

直接影响电感器可靠性的主要应力是其热点温度T_HS。热点温度额定值与线圈绕组的绝缘性能、工作电流、绝缘介质耐压有关，因此热点温度的降额是首要降额要素。

电感器热点温度的降额控制，是最高额定温度T_HSM降低25℃，见式（1-15）。

可以参考标准GJB/Z 35规定的电感元件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等级热点温度降额要求，在温度降低15～40℃范围内选择。

6.脉冲变压器热特性

1）脉冲变压器热特性与表征

由于磁芯的涡流效应，脉冲变压器会产生大量的热。变压器工作时，初级线圈和次级线圈的电感量随温度而逐渐上升，一旦超过居里点温度，便快速跌落，如图1-18所示[18]。这是因为磁芯温度一旦达到或超过居里点温度，铁氧体材料会瞬间失去磁性，由铁磁性材料转变为顺磁性材料，线圈电感量降为零，可能会瞬间烧毁驱动器件。所以，软磁材料居里点温度的高低，决定了变压器对高温环境的适应能力。

用热点温度T_HS表征脉冲变压器的热性能。热点温度的获取采用式（1-13）计算。

2）脉冲变压器失效率与温度

脉冲变压器的主要失效模式有机械损伤、参数漂移超差、短路、开路，失效相关的原因为工作电压或电流过高、功耗过大、环境温度过高、工作频率接近自身的谐振频率、磁芯/绕线/绝缘材料的不当选择。

变压器工作温度在两个方面影响变压器的可靠性：一是在高温环境，绕组漆包线的绝缘漆层老化、变脆和碎裂，漆包线之间逐渐失去绝缘漆层的隔离保护；二是工作温度越高，漆包线的绝缘强度就越低，易被高压击穿造成局部短路失效。变压器的基本失效率与热点温度的关系见图1-17。

3）脉冲变压器热降额

脉冲变压器热点温度降额的要求和方法参照上述电感器。由于变压器的工作温度较高，通过热降额，可以大大降低临近内装元器件的热耦合效应。

7.光耦合器热特性

1）光耦合器热特性与表征

光耦合器（简称光耦）是以光为媒介传输电信号，在电路中实现电-光-电信号的转变，并对输入信号和输出信号有良好隔离的一种光电器件。光耦由光发射管、光探测及放大器组成。光发射管一般为GaAs发光二极管（LED），光接收及放大管为光敏三极管。在DC/DC电路中，光耦的作用是稳定输出电压，输出电压漂移信号反馈给光耦驱动LED，使之发出一定波长的光。它被光敏三极管探测接收而产生光电流，再进一步放大输出电流信号，驱动PWM调整脉宽信号控制变压器脉冲电压，使DC/DC输出电压保持平稳。典型光耦合器的结构如图1-19所示。

光耦主要性能参数包括电流传输比（CTR）、收集极饱和电压（U_EC（sat））、绝缘电阻（R_I-O）、绝缘电压（U）、绝缘电容（C_I-O）、开启时间（t_on）、关闭时间（t_off），以及直流安全工作区（SOA-DC）和脉冲安全工作区（SOA-DC）。

光耦的CTR定义为输出电流与输入正向电流之比：I_C/I_F×100%。产品数据表明[19]，CTR是光偶中受温度影响最大的一个性能参数，与LED的正向电流I_F大小有关，如图1-20所示；光耦CTR从室温开始随温度升高而下降，如图1-21和图1-22所示；光耦长期工作CTR不断退化，温度越高退化越严重，如图1-23所示。

光耦合器由发光二极管和光敏三极管两类半导体器件组合而成，其热性能表征与上述半导体器件相同，由式（1-4）给出结温、式（1-5）给出最大功耗。需要注意，发光二极管和光敏三极管都有各自的温度特性和结温、热阻，需要分别计算。

2）光耦合器失效率与温度

光耦的主要失效模式有内引线故障、沾污、CTR退化、过电应力、不能切换、开路等[16]，温度对光耦的失效率影响最大，结温适当降额，可以有效降低光耦失效率，如图1-24所示[13]。

3）光耦热降额

高结温、高电压是光偶的主要破坏力。针对光偶中的发光二极管、光敏三极管，一般不建议电压和电流降额，应采取热降额方式降低光偶的失效率。

通常，光电子器件的绝对最大额定结温T_JM=150℃，结温的一般热降额和强热降额分别由式（1-16）和式（1-17）给出[13]。

一般热降额：

强热降额：