01PART是什么 电容器（英文：capacitor，用符号C表示）是将电能储存在电场中的被动电子元件，顾名思义它是一个装载电荷的容器，在线性时不变系统中有： ,模型如图所示 平行板电容器 我们在电路电路中通常研究的是器件u和i的关系，而电流的定义为：单位时间里通过导体任一横截面的电荷量，即电流为电荷的变化率那么 ，从而得出电容的VCR（Voltage Current Resistance）关系： 但是在电路系统计算中，你愿意求解微积分方程吗？因此电容和电感必须引入复域，才能让问题得到有效解决。当然时域研究也是有用处的，以后在测量篇会讲解。 这里采用倒叙的方法，先提前说下电容的阻抗为， w和C大家都知道是角频率和容值，那复数j是什么，怎么来的呢？还记得我在电阻篇说过电容是一个跟电阻差了90度并且随着频率变化的器件。这里的随频率变换体现在w上，那么90度体现在哪里呢，想一想应该就是这个j了，因为w和C都是实数不会出现角度变换，那么这个j就对应了90度。 再看下这个公式怎么解释我们平时知道的电容特性，我们知道电容通高频，阻低频，就是随着频率增高阻抗越小，刚好跟公式w和C在分母上对应，随着频率增加，电容的阻抗降低。 在上面的电容阻抗公式中，我们知道了复数j对应的是角度（900），那么就来探索下j为什么对应了角度。因为j是复数，那先让我们看下复数定义：对于任意实数,x,y形如：z=x+jy的数为复数。x是实部y是虚部。 跟向量一样它可以用平面坐标表示，这个平面叫做复平面。 其中 利用直角坐标与极坐标的关系： 因此复数z=x+jy还可以表示为： 在利用神奇的欧拉公式： 那么复数z=x+jy还可以表示为： 在极坐标下我们知道一个向量可以由模值和角度表示，同理是复数的的极坐标表示。r是模值，φ是角度。 为什么要用极坐标表示呢，因为在这种表示法下，计算会很简单。 举个例子： 乘除法和微分计算： 在电路系统研究中我们喜欢用正弦函数Acos(wt+φ)作为激励源（输入）,因为它的形式比较简单，理论研究的很透彻，并且根据傅里叶变换所有的波形都可以由多个正弦函数叠加表示。因此我们也用正弦函数作为激励来研究稳态下的电容电路，这里有个名词叫做正弦稳态分析（注：在电路研究中我们喜欢把cos叫做正弦，但不影响我们对问题的研究）。 正弦函数有三个特征即：幅度A，角频率w和初相φ，知道了这三个特征后，就唯一确定一个正弦函数。在正弦稳态电路中信号的频率是不会改变的，即输入是的正弦，输出的还是的正弦，只是幅度和相位可能会发生变化。因此如果输入的正弦信号是已知的前提下，只用确定输出信号的幅度A和相位φ，就可以求出输出的正弦信号了。 比如输入的信号是，这个形式是不是很熟悉，没错可以看成复数z=r(cosφ+jsinφ)的实部。即 ， 在通过欧拉公式变换到极坐标: ,因为前面说过，正弦稳态电路中信号的频率不会发生变化，所以我们只用关心幅度和相位，因此令,称其为电压振幅相量，它是一个与时间无关的复数常量。振幅相量是一个复数，但它具有特殊意义，代表正弦波的幅度和相位，为了区分一般的复数，我们在字母头上加一个点。 好了这里就要引出电容阻抗了。 在开头的时候知道电容的时域关系是: 从而得出电容阻抗 现在我们推导出电容阻抗了，那90度怎么来的呢？这里因为 同理： 根据上面复数的极坐标中介绍的对应的就是角度，这里。现在知道了90度怎来的了吧。以后公式中出现的时候要联想到，要想到是90度。 我们这里为什么要做这么麻烦的处理呢，就是为了通过复数引入阻抗，这样正弦稳态电路的计算可以仿照电阻电路的计算来处理。电容的电压电流关系就可以表示为：U=RCI。 需要注意的是这里引入复数只是为了计算方便，实际上并不存在复数的电压和电流，也没有一个器件的参数会是虚数，复数只是对正弦稳态电路分析的工具。 电容的理论分析已经完了，接下来让我们看下常见的电容。 1 直插电容（Leaded capacitor） 几乎所以电容都可以做成直插式，包括：电解电容，陶瓷电容，超级电容器，薄膜电容器，银云母电容器，玻璃和其他专业类型电容器。直插电容一般有两条腿，体积比贴片式的大，表面有数字字母等标识。 直插电容的机械、温度等可靠性要优于贴片电容，比如机械振动大的场合尽量用直插电容。 但是直插电容生产安装焊接调试拆卸等比较复杂，体积较大，而且引线会带来寄生电感影响高频性能，比如射频小型化领域基本都是用的表贴式的。 1 2 贴片电容（Surface mount capacitor） 贴片电容的相对于直插电容更加受限，因为贴片电容没有引脚的缘故，在焊接过程中焊锡的高温会直接加在电容上,因此并不是所有的电容都适合做成贴片式的。 常见的贴片电容包括:陶瓷电容、钽（tan）电容和电解电容。陶瓷电容上面没有印字，钽电容和电解电容上面都有印字，包括正极（有横杠一边）指示、容量、耐压值和温度等信息。 贴片电容生产简单、成本低，并且焊接的时候使用SMT（Surface mount technology），用回流焊，效率高，直插式的需要用波峰焊成本高。 3 PCB寄生电容（Capacitor Parasitic） PCB的结构跟平板电容器（:介质的相对介电常数）很像，有两个极板，中间填充介质。因不同的介质的介电常数不一样对应的电容不一样，因此有不同板材。我们平时最常用的板材是FR4，为4.4，属于低频板。高频板比较有名的是罗杰斯4350B板材，为3.66。 因为PCB上存在寄生电容，频率越高损耗越大，因此PCB走线（微带线）可等效为一个低通模型。关于PCB的频率和阻抗特性，以后会详细介绍。 好了接下来让我们看下详细的电容分类 不同的介质对电容的影响很大，因此电容主要按介质分类：有陶瓷电容、电解质电容、薄膜电容。 1陶瓷电容（Ceramic capacitor） 陶瓷电容分为两类：多层陶瓷电容和圆片瓷介电容。 目前用的最多的就是多层陶瓷电容MLCC( multilayer ceramic capacitor ),电容器跟PCB的寄生电容不一样，电容器希望在更小的体积内做出大容量电容，因此出现了MLCC电容器，大致结构如下图所示 通过多层的结构增大电容量，总的电容量。 目前日本村田（muRata）可以做到封装是008004的体积上容量10nf，我们平时人工焊常用的0805封装是它的125倍，人头发的直径在0.1mm左右，而它的宽只有0.125mm，跟头发丝差不多，可以想象下它多小了。 外界环境对电容内电介质（Dielectrics）的影响很大，因此电子工业联盟EIA(Electronics Industries Alliance)按照电介质的稳定性把MLCC陶瓷电容按照温度等级分类，ClassⅠ是超稳定型的，对电压、温度、频率和时间都表现出优良的特性。 ClassⅠ中最有名的就是C0G,在无源电子行业把C0G叫做NP0(Negative Positive Zero)就是正负温度系数为0。这些类型的电容器电容比较小，通常不超过1nF（村田现在可以做到100nF），主要用于谐振电路和滤波，频率可以达到10MHz至30GHz之间。 ClassⅠ电容的编码（code） 村田C0G电容：GRM31C5C2A104JA01，随频率温度电压变化图。 ClassⅡ、ClassⅢ是大容量型的。虽然ClassⅠ很稳定，但是容量太小，对于噪声在1-40 MHz的旁路和电源去耦，则需要大容量的电容。ClassⅡ、ClassⅢ多层电容器（MLCC）的电容值在1nF至100μF的范围内。 第二类电容中用的最多就是X7R，工作温度在-55到125之间，±15%的精度，能胜任绝大多数场合。 ClassⅡ和Ⅲ电容的编码（code） 村田X7R电容：GRJ55DR73A104KWJ1，随频率温度电压变化图。 电容随时间的漂移 多层陶瓷电容器MLCC（Multilayer ceramic capacitor） 独石电容（Monolithic ceramiccapacitor） 独石电容其实就是带引脚的MLCC，国外叫做leaded-MLCC，因为有引线的缘故，独石电容一般比同种类型贴片MLCC频率低一点，但是可靠性比贴片电容高。 圆片瓷介电容（Disc ceramic capacitors） 圆片瓷介电容也叫做瓷片电容，外形呈圆盘状，跟MLCC不一样的是它里面只有一层介质和一对电极，因此其容量比MLCC要小（小于0.1uF），耐压值可以做到kV，适合做高压电容。 2电解质电容器（Electrolytic capacitor 电解质电器包括两大类，一种是内部是电解液的液态电解电容器（Liquidelectrolyte capacitor），还有一种是固态的聚合物或者高分子的固态电解电容器(Solidelectrolyte capacitor)。 铝电解质电容（Aluminum Electrolytic Capacitor） 铝电解电容器由两块铝箔和浸入电解液的纸质隔片制成。两个铝箔之一覆盖有一层氧化物层，该铝箔充当阳极，而未镀膜的铝箔充当阴极。 聚合物铝电解电容(Polymer aluminum electrolytic capacitor) 村田制作所“ECAS系列”聚合物铝电解电容器通过以多层铝箔结构为阳极、固体导电聚合物为阴极实现低ESR、低阻抗和高静电容量。 ECAS系列具有无偏压特性和稳定的温度特性，在纹波吸收、滤波和瞬态响应方面具有优异性能，堪称各类应用的理想之选。 因此，该系列产品适用于各种供电电路的输入输出电流的滤波，并当CPU周边设备的负载变化超出范围时作为备用装置使用。该系列产品有助于减少元件数量、节省基板空间。 钽电容（Tantalum capacitor） 钽电容器是电解电容器的一种。它们由充当阳极的钽金属制成，并被一层充当电介质的氧化物覆盖，并且被导电阴极包围。钽的使用允许非常薄的介电层，因此钽电容允许在同等体积下做出高容量的电容。 下图是聚合物钽电容的结构图，固态钽电容跟聚合物钽电容结构差不多，不同的是阴极把导电聚合物换成MnO2。 固体电解电容器具有工作温度范围宽，结构紧凑，ESR低和抗纹波电流高的优点，但唯一的缺点是工作电压低于35V。 液体电解质通过离子传导作为电荷转移，固体电解电容器利用电子传导进行电荷转移，因此电导率比铝电解电容器高4或5位数，等效串联电阻ESR更小。适合在需要在快速响应或抗纹波电流能力强的设备中使用。 3 薄膜电容（Film capacitor） 薄膜电容器是一种使用塑料薄膜作为电介质的电容器。它们相对便宜，随时间稳定并且具有低自感和ESR，薄膜电容器可以承受较大的无功功率，体型较大，常用于电力电子行业。 薄膜电容大致分为两类：金属箔薄膜电容(Film/Foil)和金属化薄膜电容(Metallized Film) 金属化薄膜电容具有自我修复的功能，失效的状态是开路，而陶瓷电容和电解质电容都是短路，因此金属化薄膜电容安全性能非常高。 CBB电容 到这里已经把常见的电容讲解完了，这里做个总结： 陶瓷电容：可以把温度电压和频率特性做的很好，但是没法做成大容量的。 电解电容：可以做成高容量，但是频率比较低，而且有极性，没法处理有极性的信号。 薄膜电容：性能堪比NP0，无极性，容量也很大，高耐压，大功率，而且失效状态是开路安全可靠，不会出现短路烧毁爆炸等现象。缺点就是体积太大。（不过现在薄膜电容也开始出现贴片封装的了） 延伸阅读 实际应用的电容都存在电感电阻等非理想特性，简单的等效模型如下图所示 总阻抗：因为并联的电阻很小，可以忽略不计，因此总的阻抗可以表示为： 这里 Z是总的阻抗 是串联等效电阻 Xc是容抗： 是感抗： 损耗因子DF(Dissipation Factor)：也叫做损耗角正切，是交流应用下电容器损耗的量度。它是等效串联电阻与电容电抗的比率，通常以百分比表示。上面的矢量图说明了DF，ESR和阻抗之间的关系。损耗因子的倒数称为“ Q”或品质因数。为方便起见，“ Q”因子通常在损耗因子特别小的时候才用。 电容分类： 02PART做什么 1滤波电容 电容作为滤波功能使用是电容的一项重要特性。滤波功能利用的是电容的阻抗随频率变化的特性（前面说过电容是一个跟电阻差了90度并且随着频率变化的器件），再利用电阻篇讲的分压原理，就可以构成简单的无源RC滤波器了。滤波指的是滤出不需要频率的波形,滤波器的类型有低通、高通、带通、带阻。 举个例子： 设计一个频率为1Kz的一阶低无源低通RC滤波器。 先确定滤波器的形状和电容的大小，然后再求出电阻的值。 首先电容不可能是串联在电路中，如果串联在电路中那么直流没法通过，那么就不是低通滤波器了。因此确定了如图所示的分压模式。 电容的选取，有很多讲究。需要要根据输入输出阻抗，滤波器要求的精度，频率大小，现有电容器种类等选择。这里先选择一个100nF的电容，因为高精度的电容容值都不大，并且1Kz频率下100nF电容的阻抗约等于1.59K,那么对应的电阻R1也在1k左右，电阻在1K-10K之间是工程师最常用的，因为阻值在这个范围电阻的功耗不大，并且热噪声也相对较小（电阻越大热噪声越大）。 因此先确定电容为100nF。那么可能有人会问，为什么不先确定电阻，再选电容呢？这就要考虑实际情况了，因为电阻的种类比电容多很多，选取相对容易，因此这里要先定电容，再根据电容的阻抗选取电阻。 接下来让我们分压公式，来计算这个滤波器输入输出关系 滤波器通带的-3dB截止频率为 根据复数的模值计算方法 通过公式可以看出一阶无源RC滤波器-3dB截止点，只需要 也可以通过复平面的方法直观描述，如下图所示： 1+jwC的复平面表示 通过复平面可以看到模值随着w增加而增加，而则减。上面已经求得，在滤波器通带截止的时候输出输入的关系是，那么通过复平面很容易发现，当wRC=1的时候，模式为，并且通过图形可以直观看出相位差了-45度。 把带入仿真软件Multisim中，观察器幅频和相频特性。 仿真的幅频和相频特性跟理论分析一致。 滤波器的分析是利用电容阻抗分压原理进行计算的。电容的测量也可以利用与已知电阻，阻抗分压原理计算。 如下图所示，R1是已知电阻为1.59k，输入信号为Vi，通过测量输出信号Vo求未知电容C1的值。 这里抛出一个问题：如果测量的电压Vo刚好是总电压Vi的一半，那么电容的阻抗刚好等于R1吗？（我们知道如果C1是电阻的话，可得测试待测电阻大小就为R1）在之后的RLC测量篇中我会详细介绍。 2隔直电容 隔直电容严格的讲归类在滤波电容里面，只不过隔直电容太过重要且常用，因此单独拿出来讲解。 隔直电容利用的是电容阻直流通交流的性质。 在工程应用或者竞赛中，经常会要求输出正负对称无直流分量的波形，因为直流不仅不携带信息（直流也可以携带信息，但相对于交流携带信息太少），而且还会增加系统的功耗或者导致系统饱和。 举个例子： 我们用的DA芯片基本都是单极性的，只能输出正值0V以上的波形，那么怎么变成正负对称的呢？全部是单电源的系统怎么输出双极性的波形呢？ 如下图所示，选择一个合适的隔值电容C1串连在系统中，就可以解决这些问题。 通常隔直电容容值都比较大，那么到底有没有一个明确的选择标准呢？当然还是有的，隔直电容需要根据频率和负载电阻来选择。如果你仔细观察的话，隔直电容和负载电阻其实还是构成了一个分压网络，可以归类到高通滤波器。在滤波电容那里我们得到一个结论就是当电阻的阻抗等于电容的阻抗的时候，刚好在通带的截止频率处，此时，我们这里只是想把直流分量去掉，对交流分量不作衰减，因此需要让电容的阻抗远小于电阻的阻抗，这样交流信号在负载电阻上分到的电压就远大于电容上的电压，即需要的交流电压全部加在负载上，此时交流分量。 知道了怎么利用电容把非对称的波形变成对称的了之后，反过来怎么给对称的波形，加一个直流分量呢？ 这里的电容C1也叫做耦合电容，当频率高的时候隔离电阻可以换成电感，这样效果更好。想让偏执电压受控的话，可以把这电源VDC换成DA，或者接一个电位器手动调节。这里还利用到直流通路和交流通路的概念，以后会详细讲解。 3去耦电容 去耦和旁路可以算成一类，都是利用电容把高频噪声导入GND，是电容中应用最广的一类。 去耦电容常用在芯片电源管脚处，距离管脚越近越好，一般是用容值一大一小的两个电容，并且电容要放在电流的入口处，小电容在里面，大电容在外边。小电容滤高频，大电容滤低频。去耦电容一般选取0.1uF和10uF。 电源的干净程度（噪声多少）决定了整个系统性能的优良程度，电源噪声一部分是电源自身产生的，比如开关电源的开关噪声，还有很大一部分是芯片工作的时候产生的耦合到电源上，比如数字芯片，会按照固定的Clock运行，门级开关的导通与断开或者大功率器件的按照一定时序工作，都会让电源产生一定程度的波动。为了不让产生的这些噪声，影响到别的器件正常工作，或者影响到自身的正常工作，需要在芯片电源管脚处加电容进行去耦。 关于电源去耦还有很多知识，在电感和EMI的文章中以后将会详细介绍。 这里在稍微讲解下为什么是小电容滤高频，大电容滤低频。 大家有没有很好奇大电容滤低频可以理解，那么为什么大电容不能滤高频呢，不是电容越大频率越高，阻抗就越小，滤波效果就越好吗？那电源去耦那里直接用一个大容量又便宜的电解电容不就解决了吗？为什么一般的芯片管脚都用两个一大一小的电容甚至有些射频芯片还用4个呢？ 通过下面的这张不同容值的电容阻抗随频率变化的图就可以看出了，前面在延伸阅读那里有提到，实际的电容模型，存在串联电感，因此阻抗不会随着频率升高一直下降，存在一个谐振点，过了谐振点电容器整体呈感性，随着频率升高阻抗变大。 电容越大串联电感就越大，谐振频率就越低，导致大容量的电容在高频的时候还没小电容阻抗低，也就是大电容在高频滤波效果不如小电容。 4储能电容 储能电容一种是用在电源入口出，或者大功率器件旁边，为了减少因为功率器件突然工作产生时，电源响应速度不够，而带来电压波动。 还有一种是在开关电源中和电感一起作为储能元件使用。 可以把稳压电源想象成为如下的一种情形：当试图从一个直径较大的自来水管中取出连续不断的且较小的水流时，可以采用两种策略：一种是使用一个转接阀门，并将阀门开启在较小位置，这就是线性电源的工作原理（可以将阀门看作晶体管）。 线性电源的电压调整晶体管上承受着很大的“压力”（具体的表现是转换为热能的形式散耗）；或者，可以改进一下，让大水管的水流到一个比较大的“水桶”里，小水管连接到这个水桶上取水，接着，需要做的就是断续的打开/关闭大水管上的阀门，保证水桶内的水既不会完全没有，也不会因为太多而溢出——开关电源的基本原理就是如此。 这里的电容和电感储存能量就是充当“水桶”的概念，负载RLoad在电容电感上获取能量。 Buck电路（降压） Boost电路（升压） 5谐振电容 谐振电容与电感一起组成LC谐振电路，有时候也叫做LC震荡电路。包括LC串联谐振和LC并联谐振。谐振电路广泛应用在滤波、选频、调谐等电路。谐振电路以后会详细介绍。 03PART买什么 如何选取电容很大程度上取决于电容的用途。因为设计时要寻求成本和性能的最佳平衡，所以必须考虑所用场合，例如：隔直耦合和旁路选择低精度的电容，因为这三种用途对容值变化不敏感。滤波、谐振之类的则需要用高精度的电容，电源设计需要高功率，高耐压的电容。 下面介绍说下我在工程上常用的电容： 跟电阻一样这里推荐使用购买全系类的电容样品本，里面是NP0和XR7系列的贴片MLCC。性能优良，但是缺点就是机械性能不好，容易断裂，不能长时间焊接，温度也不能太高，反复焊接电极容易脱落。在做PCB高频小型化的时候建议使用。 还有购买系列的独石电容，机械性能很好，建议做高精度滤波器的时候使用独石电容（NP0和X7R）。尤其是在洞洞板（万用板）上焊接的时候，如果你使用贴片电容，你会发现焊好的滤波器摔下就坏了，所以建议在洞洞板上焊接滤波器，使用独石电容。 电解电容价格便宜容量大耐压高，在电源去耦和储能上使用。 钽电容体积小容量大速度快ESR小，在高精度电源系统和小型化场合使用。 CBB电容主要是功率、耐压值和ESR优良，做开关电源和大功率场合使用。 这里在给出一个大致的选型表。
电子电路中常用的器件包括：电阻器(含电位器)、电容器、电感器、变压器、二极管、三极管、光电器件、电声器件、显示器件、晶闸管(可控硅)、场效应晶体管、IGBT、MOSFET、继电器与干簧管、开关、保险丝、晶振、连接器、各种传感器等。 下面一起来看看它们的电路符号+实物图+命名规则： 1.电阻器(含电位器) 举例： RJ76表示精密金属膜电阻器 R——电阻器（第一部分） J——金属膜（第二部分） 7——精密（第三部分） 6——序号（第四部分） 2.电容器 国外电容器命名规则不一，国外部分知名厂家命名规则如下： (1)日本村田(muRata) (2)日本TDK (3)日本京瓷(Kyocera) (4)日本罗姆(ROHM) (5)日本松下旗下三洋电机(Panasonic) (6)韩国三星(SAMSUNG) (7)美国基美(KEMET) (8)英国Syfer (9)中国台湾国巨(YAGEO) (10)中国台湾华新科技(WALSIN) 3.电感器与变压器 4.二极管 5.晶体管三极管6.场效应晶体管 7.晶闸管(可控硅)8.晶振 9.连接器 10.各种传感器 11.光电器件12.电声器件13.显示器件14.继电器与干簧管15.开关16.保险丝
摘要： 本文将基于电子封装技术简单分析影响电子器件热可靠性的主要因素，并围绕接触式回流焊接炉深入研究保障电子器件热可靠性的设备，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。 电子封装技术属于加工电子元器件为电子产品的重要环节，直接影响电子产品的使用寿命和可靠性，电子器件热可靠性也会直接受到影响。为尽可能提升电子器件热可靠性，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。 1 影响电子器件热可靠性的主要因素 1.1 技术概述 电子器件热可靠性向来属于业界研究热点，散热性能、封装性能均有可能对其热可靠性造成影响。随着经济与科技的快速发展，人们对高可靠和高质量产品的需求不断提升，环境对电子器件带来的影响也受到高度重视，而结合相关理论研究和实践探索能够了解到，环境因素在电子器件故障中所占比率较高。所谓电子封装技术，指的是基于电路图将各电子器件和元件在基板上连接，以此开展安装与测试，即可完成电子产品生产。电子封装技术涉及电子元器件的组装、互连等技术，可实现印刷电路板和微小芯片的电气互连，且能够保证性能不会受到温湿度变化影响，易测试、标准化、热管理性能也属于封装要求。在电子封装技术支持下，外部引脚与芯片接点的电气互连能够顺利实现，散热、密封、支撑、隔离、保护芯片作用也能够充分发挥。随着电子封装技术的快速发展，小型化的电子产品发展趋势日渐显著，但受到越来越复杂、密集的封装器件影响，电子封装技术在应用中很容易出现封装器件失效等问题，功率密度不断提升的器件也使得散热问题愈发严重。对于电子器件来说，散热性能带来的可靠性影响较为深远，散热不佳很容易导致封装器件失效，因此可通过散热性能判断电子器件封装质量[1]。 1.2 影响因素 绝缘栅双极型晶体管具备低导通压降、高输入阻抗等优势，在变频器、逆变器、开关电源、电机调速等领域均有着广泛应用。作为大功率半导体器件，绝缘栅双极型晶体管的发热较多，且需要存在 125℃内的结温最高温度，因此过热保护需优选散热装置。围绕绝缘栅双极型晶体管的封装进行研究可以发现，基板结构、封装材料、散热、键合参数等均属于研究热点，散热属于限制绝缘栅双极型晶体管应用的主要因素；发光二极管属于转化电能为光能的电子器件，主要由模塑料、透镜、硅胶、荧光粉层、芯片、热沉、引线框架等组成，依托电子封装技术，即可完成发光二极管产品的组合。基于回流焊接工艺，发光二极管的基板上能够焊接芯片。在路灯、车灯、室内照明、舞台灯光等领域，发光二极管的应用极为广泛，这源于其具备的寿命长、体积小、耗电量少、可控性强、坚固耐用等优势。为保护芯片并保证可见光输出及电信号输入的顺利实现，发光二极管封装向来受到重视，单个发光二极管需结合功率和大小优选封装方式，普通封装流程如图 1 所示，为提高封装性能，新材料和新工艺的科学应用必须得到重视，具体实践需要综合考虑结构、电、热、光等因素带来的影响[2]。 2 保障电子器件热可靠性的设备研究 2.1 回流焊接影响因素 回流焊接属于电子封装技术应用中的重要工序，电子器件热可靠性直接受到回流焊接质量影响。由于回流焊接设备性能直接影响电子器件回流焊接质量，应关注国产回流焊接设备存在的精度和性能方面欠缺，以此开发新型设备，即可为电子器件热可靠性保障提供支持。所谓回流焊接，指的是熔融、回流焊盘上涂覆的焊料，冷却后可实现 PCB 焊盘与电子器件焊端的电气互连。焊料的冷却速率属于重要的回流焊接参数，可能出现的焊接缺陷能够通过该参数描述，焊接后的结构和组织可受到冷却速率增大带来的积极影响，实现合金焊接后的机械性能提升。焊接过程中冷却速率的增加能够实现焊接可靠性提升和缺陷产生几率降低，但这需要以不伤害受焊元器件为前提，但如果存在过快的冷却速率。应力集中下的电子元器件会导致使用过程中电子产品焊点过早失效，可见焊料的冷却速率直接影响电子器件热可靠性；焊接缺陷会在回流焊接实践中出现，如冷焊、锡珠、偏移、“立碑”等，电子器件热可靠性很容易受到这类缺陷影响。以冷焊为例，该缺陷指的是冷却操作在焊膏加热未完全熔化时进行，焊点受此影响会出现表面粗糙问题，机械强度不高的焊点会因此形成。 回流焊接试验向来受到业界重视，如氮气下的回流焊接，结合相关试验可以了解到，回流焊接在空气下进行时会得到内部气孔较多的焊接层，氮气下这类内部气孔数量明显较少，由于气孔部位很容易成为裂纹起始部位，因此氮气下的回流焊接更具优势。基于拉伸测试仪开展的焊接层强度测量可以发现，氮气、空气下焊接层的拉伸结合力分别为 22.69N、15.56N，这能够更直观说明氮气下回流焊接具备的质量优势。焊料性质、界面氧化、界面气孔等因素也会影响回流焊接质量，并进而影响电子器件热可靠性。基于焊料性质进行分析可以发现，延展性较好的湿焊膏回流存在更少的孔洞形成。基于界面氧化进行分析可以发现，材料氧化或非氧化对回流焊接质量造成影响不大，材料性质和焊接表面平整度带来的影响较为深远。基于界面气孔进行分析可以发现，空洞无法完全消除，因此焊接过程需要尽可能做好空洞预防。完成回流焊接后，可通过空洞分析和拉伸测试评估焊接效果，前者需应用扫描超声显微镜，后者需要得到拉伸测试仪的支持。对于绝缘栅双极型晶体管和发光二极管的焊接来说，焊接设备发挥着关键性作用，这类电子元器件生产需要得到回流焊接炉的支持，融锡的过程属于回流焊接炉的主要作用。结合实际调研可以发现，现阶段进口回流焊接炉价格较高，多数价格在一百万元以上，很多国产回流焊接炉虽然价格较低，但存在技术方面的不足，这种不足必须设法解决。 2.2 接触式回流焊接炉设计 2.2.1 总体结构 回流焊接炉的研发向来受到业界重视，而结合实际调研可以发现，这类研发更多关注对温度场和气流场的模拟，回流焊接炉运行参数基于传热系数的研究也受到广泛关注，结合国内外相关研究，本文将介绍一种新型回流焊接炉，即接触式回流焊接炉。为实现冷却和加热，接触式回流焊接炉以接触热传导为核心，能够开展全过程回流焊接，在流水线式的回流焊接作业操作方面具备显著优势，可较好保障电子器件热可靠性。 在一个密闭腔体内，接触式回流焊接炉存在两个区的设计，冷却区、加热区，加热板设置于加热区，恒定高温可基于加热板保持。冷却板设置于冷却区，冷却水一致低温能够由冷却板提供。通过在托盘占装置需要焊接的电子器件，托盘可在电机驱动下先后进入加热区、冷却区。在回流焊接过程中，加热区负责温度上升，在托盘与加热板位置开展面接触时，热量能够快速传递，通过对托盘与加热板间距离的调节，升温速率可实现科学控制。冷却区负责温度下降，托盘可依托运输系运输至冷却板，在托盘与冷却板位置开展面接触时，产品在托盘上的温度会快速下降。通过对托盘与冷却板间距离的调节，升温速率能够有效控制。接触式回流焊接炉能够通过程序自动控制冷却板和加热板移动、托盘传送，工作可在 24h 下不间断进行，流水线操作可顺利实现。接触式回流焊接炉能够自动完成回流焊接的一系列功能，包括将托盘运送至加热区、托盘面自动接触加热板开展加热、保证温度恒定、向熔点以上加热、抽真空、向冷却区运送托盘、托盘面自动接触冷却板、冷却电子器件至室温。接触式回流焊接炉在的温度调节下，托盘与加热板的距离、加热板的功率属于主要变量，在接触式传热支持下，装载产品托盘与加热板可实现面接触，均匀受热的托盘上产品可保证焊料温度晚于基板温度到达熔点，空洞产生条件因此消除，外围组件温度因辐射加热快速上升问题可有效规避，图 1 为接触式回流焊接炉的构成示意图。 结合图 1 进行分析可以发现，设计采用两片冷却板和加热板，特殊传动机构负责其运动，温度调节通过冷却板和加热板功率及距离完成。采用不锈钢板作为冷却板的材料，基于内部中空设计，冷却可通过通液氮或水的方式完成。冷却区和加热区及对外部空气隔离通过闸门完成，在运动机构支持下，冷却板和加热板能够通过操控上下运动，完成温度的调节与控制。被焊物件放置于托盘上，可实现水平移动，流水线式回流焊接作业可顺利开展。 2.2.2 具体构成 冷却板属于接触式回流焊接炉的主要部件之一，其能够通过机械压缩机制冷、水冷、空气冷却、液氮冷却进行冷却，液氮制冷属于最好的办法。为实现冷却板温度均匀性的保障，设计采用图 2 所示的冷却板绕管方法。 结合图 2 进行分析可以发现，该设计将集流器设置于绕管的两端，在交错分布的顺流和逆流管路支持下，液氮制冷管路能够从两端进液氮，更加均匀的温度分布顺利实现。从冷却板上经过绕管后，液氮能够从液氮喷口（管子末端）喷出，制冷部位温度均匀保障、液氮冷量最大程度利用均可顺利实现。经过冷却板后，液氮能够实现冷却板温度降低，末端管孔中喷出的氮气会使周围出现降低的气体温度。通过将温度传感器设置于冷却板上，电控阀门会在冷却温度达到设定温度时关闭，温度的精确控制能够顺利实现，而通过移动冷却板的位置、改变液氮流量，被冷却物件温度即可顺利控制。 加热板可采用感应加、石英管红外加热、电阻加热，其中集成加热板设计最为简单，这种设计类似于铸铜加热器，均热板和电极可由此省略。通过在云母片上缠绕电加热丝，并将电加热丝通过两片云母片包裹，即可完成三明治”式的加热板结构设计，该结构还需要将白铁皮包裹在最外层，简易电加热板因此制作完成。由于电加热丝通过云母片隔开，且不会导电的白铁皮上不存在电流通过，因此其能够较好发挥均热和导热作用，但这种加热板设计无法实现温度精确控制。为实现对接触式回流焊接炉加热温度的准确控制，电加热材料应选择钼加热片、钨加热片、石墨加热片，同时开展分区加热，温度控制即可更好实现。 在托盘机构设计中，托盘的具体位置基于齿轮的转动精确控制，冷却区和加热区可通过闸门分割，密封有效性能够得到保障。通过将多个齿轮安装于两侧壁面，托盘可由齿轮转动运动，微电脑精确控制的齿轮运动可实现托盘具体位置的确定。采用耐高温材料制成托盘，保证其不易氧化且能够承受低温冲击，电脑控制闸门的运动，托盘的运动不会受到闸门影响。结合相关实践可以了解到，接触式回流焊接炉在流水线操作、批量焊接、快速冷却等方面有着出色表现，依托该设备的回流焊接能够大幅提升电子器件热可靠性，电子封装技术的优势也能够充分发挥。 3 结论 综上所述，电子器件热可靠性会受到多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的电子封装技术、接触式回流焊接炉等内容，则提供了可行性较高的电子器件热可靠性保障路径。为更好保证电子器件热可靠性，回流焊接在惰性气体气氛下的性能研究、回流焊接曲线优化同样需要得到重视。
此电路分主电路(完成功能)和保护功能电路。MOS管驱动相关知识：1、跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压(Vbe类似)高于一定的值,就可以了。
简单地讲就是需要能（电）源的器件叫有源器件，无需能（电）源的器件就是无源器件。有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。电容、电阻、电感都是无源器件，IC、模块等都是有源器件。（通俗的说就是需要电源才能显示其特性的就是有源元件，如三极管。而不用电源就能显示其特性的就叫无源元件）。 1. 无源器件: 如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做无源器件。 从电路性质上看，无源器件有两个基本特点： （1） 自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。 （2） 只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。 2. 有源器件: 如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。 从电路性质上看，有源器件有两个基本特点： （1） 自身也消耗电能。 （2） 除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。 由此可知，有源器件和无源器件对电路的工作条件要求、工作方式完全不同，这在电子技术的学习过程中必须十分注意。 一、常见的无源电子器件 电子系统中的无源器件可以按照所担当的电路功能分为电路类器件、连接类器件。 1. 电路类器件 （1） 二极管（diode） （2） 电阻器（resistor） （3） 电阻排（resistor network） （4） 电容器（capacitor） （5） 电感（inductor） （6） 变压器（transformer） （7） 继电器（relay） （8） 按键（key） （9） 蜂鸣器、喇叭（speaker） （10） 开关（switch） 2. 连接类器件 （1） 连接器（connector） （2） 插座（shoket） （3） 连接电缆（line） （4） 印刷电路板（pcb） 无源元件主要是电阻类、电感类和电容类元件，它的共同特点是在电路中无需加电源即可在有信号时工作。 1.电阻 电流通过导体时，导体内阻阻碍电流的性质称为电阻。在电路中起阻流作用的元器件称为电阻器，简称电阻。电阻器的主要用途是降压、分压或分流，在一些特殊电路中用作负载、反馈、耦合、隔离等。 电阻在电路图中的符号为字母R。电阻的标准单位为欧姆，记作R。常用的还有千欧KΩ，兆欧MΩ。1KΩ=1000Ω 1MΩ=1000KΩ 2.电容 电容器也是电子线路中最常见的元器件之一，它是一种存储电能的元器件。电容器由两块同大同质的导体中间夹一层绝缘介质构成。当在其两端加上电压时，电容器上就会存储电荷。一旦没有电压，只要有闭合回路，它又会放出电能。电容器在电路中阻止直流通过，而允许交流通过，交流的频率越高，通过的能力越强。因此，电容在电路中常用耦合，旁路滤波、反馈、定时及振荡等作用。 电容器的字母代号为C。电容量的单位为法拉（记作F），常用有μF（微法）、PF（即μμF、微微法）。1F=1000000μF 1μF=1000000PF 电容在电路中表现的特性是非线性的。对电流的阻抗称为容抗。容抗与电容量和信号的频率反比。 3.电感 电感与电容一样，也是一种储能元器件。电感器一般由线圈做成，当线圈两端加上交流电压时，在线圈中产生感应电动势，阻碍通过线圈的电流发生变化。这种阻碍称作感抗。感抗与电感量和信号的频率成正比。它对直流电不起阻碍作用（不计线圈的直流电阻）。所以电感在电子线路中的作用是：阻流、变压、耦合及与电容配合用作调谐、滤波、选频、分频等。 电感在电路中的代号为L。电感量的单位是亨利（记作H），常用的有毫亨（mH），微亨（μH）。1H=1000mH 1mH=1000μH 电感是典型的电磁感应和电磁转换的元器件，最常见的应用是变压器。 二、常见的有源电子器件 有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。 1. 分立器件 （1） 双极型晶体三极管（bipolar transistor），一般简称三极管，bjt （2） 场效应晶体管（field effective transistor） （3） 晶闸管（thyristor），也叫可控硅 （4） 半导体电阻与电容——用技术制造的电阻和电容，用于集成电路中。 2. 模拟集成电路器件 模拟集成电路器件是用来处理随时间连续变化的模拟电压或电流信号的集成电路器件。 基本模拟集成电路器件一般包括： （1） 集成运算放大器（operation amplifier），简称集成运放 （2） 比较器（comparator） （3） 对数和指数放大器 （4） 模拟乘/除法器（multiplier/divider） （5） 模拟开关电路（analog switch） （6） pll电路（phase lock loop），即锁相环电路 （7） 集成稳压器（voltage regulator） （8） 参考电源（reference source） （9） 波形发生器（wave-form generator） （10） 功率放大器（power amplifier） 3. 数字集成电路器件 （1） 基本逻辑门（logic gate circuit） （2） 触发器（flip-flop） （3） 寄存器（register） （4） 译码器（decoder） （5） 数据比较器（comparator） （6） 驱动器（driver） （7） 计数器（counter） （8） 整形电路 （9） 可编程逻辑器件（pld） （10） 微处理器（microprocessor，mpu） （11） 单片机（microcontroller，mcu） （12） dsp器件（digital signal processor，dsp） 有源元器件是电子线路的核心，一切振荡、放大、调制、解调，以及电流变换都离不开有源元器件。 不依靠外加电源（直流或交流）的存在就能独立表现出其外特性的器件就是无源器件。之外就是有源器件。 所谓“外特性”就是描述器件的某种关系量，尽管是使用了电压或电流，电场或磁场压力或速度等等量来描述其关系。 无源器件的外特性却与他们是否作为策动源而存在没有关系。无源与有源的概念不仅仅在电学元件中有，在机械，流体，热力，声学等领域均有这种概念。
1.概述 MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR， 但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 2.功率MOSFET的结构和工作原理 功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。 2.1功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但 结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。 功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司 （Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。 2.2功率MOSFET的工作原理 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。 2.3功率MOSFET的基本特性 2.3.1静态特性；其转移特性和输出特性如图2所示。 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力 MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力 MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。 2.3.2动态特性；其测试电路和开关过程波形如图3所示。 开通过程；开通延迟时间td(on) —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段； 上升时间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段； iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。 开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。 关断延迟时间td(off) —up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。 下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS 关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。 2.3.3 MOSFET的开关速度。 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin， 但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10— 100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 场控器件静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。 2.4动态性能的改进 在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握在应用中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶闸管是两个双极型晶体管的组 合，又加上因大面积带来的大电容，所以其dv/dt能力是较为脆弱的。对di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的限制。 功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒（而不是每微秒）的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以理解。 图4是功率MOSFET的结构和其相应的等效电路。除了器件的几乎每一部分存在电容以外，还必须考虑MOSFET还并联着一个二极管。同时从某个角度 看、它还存在一个寄生晶体管。（就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样）。这几个方面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。 首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速 度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和 我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导 通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。 功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用。在不同代功率MOSFET中其 措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻RB尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管 才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因dv/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFET 带来损坏。所以考虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容（它是dv/dt的通道）都必须予以注意。 瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视。对器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。 3.高压MOSFET原理与性能分析 在功率半导体器件中，MOSFET以高速、低开关损耗、低驱动损耗在各种功率变换，特别是高频功率变换中起着重要作用。在低压领域，MOSFET没有竞 争对手，但随着MOS的耐压提高，导通电阻随之以2.4-2.6次方增长，其增长速度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流，以 折中额定电流、导通电阻和成本之间的矛盾。即便如此，高压MOSFET在额定结温下的导通电阻产生的导通压降仍居高不下，耐压500V以上的MOSFET 的额定结温、额定电流条件下的导通电压很高，耐压800V以上的导通电压高得惊人，导通损耗占MOSFET总损耗的2/3-4/5，使应用受到极大限制。 3.1降低高压MOSFET导通电阻的原理与方法 3.1.1 不同耐压的MOSFET的导通电阻分布。 不同耐压的MOSFET，其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同。如耐压30V的MOSFET，其外延层电阻仅为 总导通电阻的29%，耐压600V的MOSFET的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。由此可以推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外 延层电阻占据。欲获得高阻断电压，就必须采用高电阻率的外延层，并增厚。这就是常规高压MOSFET结构所导致的高导通电阻的根本原因。 3.1.2 降低高压MOSFET导通电阻的思路。 增加管芯面积虽能降低导通电阻，但成本的提高所付出的代价是商业品所不允许的。引入少数载流子导电虽能降低导通压降，但付出的代价是开关速度的降低并出现拖尾电流，开关损耗增加，失去了MOSFET的高速的优点。 以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻，所剩的思路就是如何将阻断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高掺杂、低电阻率分开解决。如除 导通时低掺杂的高耐压外延层对导通电阻只能起增大作用外并无其他用途。这样，是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现，而在MOSFET关断时，设法使 这个通道以某种方式夹断，使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N-外延层。基于这种思想，1988年INFINEON推出内建横向电场耐压为600V的 COOLMOS，使这一想法得以实现。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图5所示。 与常规MOSFET结构不同，内建横向电场的MOSFET嵌入垂直P区将垂直导电区域的N区夹在中间，使MOSFET关断时，垂直的P与N之间建立横向电场，并且垂直导电区域的N掺杂浓度高于其外延区N-的掺杂浓度。 当VGS＜VTH时，由于被电场反型而产生的N型导电沟道不能形成，并且D，S间加正电压，使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层，并将垂直导电的N 区耗尽。这个耗尽层具有纵向高阻断电压，如图5（b）所示，这时器件的耐压取决于P与N-的耐压。因此N-的低掺杂、高电阻率是必需的。 当CGS＞VTH时，被电场反型而产生的N型导电沟道形成。源极区的电子通过导电沟道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷，从而恢复被耗尽的N型特性，因此导电沟道形成。由于垂直N区具有较低的电阻率，因而导通电阻较常规MOSFET将明显降低。 通过以上分析可以看到：阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域。将阻断电压与导通电阻功能分开，解决了阻断电压与导通电阻的矛盾，同时也将阻断时的表面PN结转化为掩埋PN结，在相同的N-掺杂浓度时，阻断电压还可进一步提高。 3.2内建横向电场MOSFET的主要特性 3.2.1 导通电阻的降低。 INFINEON的内建横向电场的MOSFET，耐压600V和800V，与常规MOSFET器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下 降到常规MOSFET的1/5， 1/10；相同的额定电流，导通电阻分别下降到1/2和约1/3。在额定结温、额定电流条件下，导通电压分别从12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；导通损耗下降到常规MOSFET的1/2和1/3。由于导通损耗的降低，发热减少，器件相对较凉，故称COOLMOS。 3.2.2 封装的减小和热阻的降低。 相同额定电流的COOLMOS的管芯较常规MOSFET减小到1/3和1/4，使封装减小两个管壳规格。 由于COOLMOS管芯厚度仅为常规MOSFET的1/3，使TO-220封装RTHJC从常规1℃/W降到0.6℃/W；额定功率从125W上升到208W，使管芯散热能力提高。 .2.3 开关特性的改善。 COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优于常规MOSFET，很明显，由于QG，特别是QGD的减少，使COOLMOS的开关时间约为常 规MOSFET的1/2；开关损耗降低约50%。关断时间的下降也与COOLMOS内部低栅极电阻(＜1Ω＝有关。 3.2.4 抗雪崩击穿能力与SCSOA。 目前，新型的MOSFET无一例外地具有抗雪崩击穿能力。COOLMOS同样具有抗雪崩能力。在相同额定电流 下，COOLMOS的IAS与ID25℃相同。但由于管芯面积的减小，IAS小于常规MOSFET，而具有相同管芯面积时，IAS和EAS则均大于常规 MOSFET。 COOLMOS的最大特点之一就是它具有短路安全工作区（SCSOA），而常规MOS不具备这个特性。COOLMOS的SCSOA的获得主要是由于转移特性的变化和管芯热阻降低。COOLMOS的转移特性如图6所示。从图6可以看到，当VGS＞8V 时，COOLMOS的漏极电流不再增加，呈恒流状态。特别是在结温升高时，恒流值下降，在最高结温时，约为ID25℃的2倍，即正常工作电流的3-3.5 倍。在短路状态下，漏极电流不会因栅极的15V驱动电压而上升到不可容忍的十几倍的ID25℃，使COOLMOS在短路时所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，尽可能地减少短路时管芯发热。管芯热阻降低可使管芯产生的热量迅速地散发到管壳，抑制了管芯温度的上升速度。因 此，COOLMOS可在正常栅极电压驱动，在0.6VDSS电源电压下承受10ΜS短路冲击，时间间隔大于1S，1000次不损坏，使COOLMOS可像 IGBT一样，在短路时得到有效的保护。 3.3关于内建横向电场高压MOSFET发展现状 继INFINEON1988年推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V类似于COOLMOS的内部结构，使500V，12A的MOSFET 可封装在TO-220管壳内，导通电阻为0.35Ω，低于IRFP450的0.4Ω，电流额定值与IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技 术的MOSFET。IR公司也推出了SUPPER220，SUPPER247封装的超级MOSFET，额定电流分别为35A，59A，导通电阻分别为 0.082Ω，0.045Ω，150℃时导通压降约4.7V。从综合指标看，这些MOSFET均优于常规MOSFET，并不是因为随管芯面积增加，导通电 阻就成比例地下降，因此，可以认为，以上的MOSFET一定存在类似横向电场的特殊结构，可以看到，设法降低高压MOSFET的导通压降已经成为现实，并 且必将推动高压MOSFET的应用。 3.4 COOLMOS与IGBT的比较 600V、800V耐压的 COOLMOS的高温导通压降分别约6V，7.5V，关断损耗降低1/2，总损耗降低1/2以上，使总损耗为常规MOSFET的40%-50%。常规 600V耐压MOSFET导通损耗占总损耗约75%，对应相同总损耗超高速IGBT的平衡点达160KHZ，其中开关损耗占约75%。由于COOLMOS 的总损耗降到常规MOSFET的40%-50%，对应的IGBT损耗平衡频率将由160KHZ降到约40KHZ，增加了MOSFET在高压中的应用。 从以上讨论可见，新型高压MOSFET使长期困扰高压MOSFET的导通压降高的问题得到解决；可简化整机设计，如散热器件体积可减少到原40%左右；驱动电路、缓冲电路简化；具备抗雪崩击穿能力和抗短路能力；简化保护电路并使整机可靠性得以提高。 4.功率MOSFET驱动电路 功率MOSFET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率MOSFET的极间电容较大，输入电容CISS、输出电容COSS和反馈电容CRSS与极间电容的关系可表述为： 功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。由于 CISS的存在，静态时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。假定开关管饱和导通需要的栅极电压值为VGS，开关管的 开通时间TON包括开通延迟时间TD和上升时间TR两部分。 开关管关断过程中，CISS通过ROFF放电，COSS由RL充电，COSS较大，VDS（T）上升较慢，随着VDS(T)上升较慢，随着VDS（T）的升高COSS迅速减小至接近于零时，VDS（T）再迅速上升。 根据以上对功率MOSFET特性的分析，其驱动通常要求：触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；②开通时以低电阻力栅极电容充电，关断时为栅极提供低 电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度；③为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止 时应提供负的栅源电压；④功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。 4.1几种MOSFET驱动电路介绍及分析 4.1.1不隔离的互补驱动电路。 图7（a）为常用的小功率驱动电路，简单可靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开关设备。图7（b）所示驱动电路开关 速度很快，驱动能力强，为防止两个MOSFET管直通，通常串接一个0.5～1Ω小电阻用于限流，该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。这两种电路特 点是结构简单。 功率MOSFET属于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压就会导通。由于MOSFET存在结电容，关断时其漏源两端电压的突然 上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压。常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小，关断速度较快，但它不能提供负压，故抗干扰性较差。为了提高电路的抗干 扰性，可在此种驱动电路的基础上增加一级有V1、V2、R组成的电路，产生一个负压，电路原理图如图8所示。 当V1导通时，V2关断，两个MOSFET中的上管的栅、源极放电，下管的栅、源极充电，即上管关断，下管导通，则被驱动的功率管关断；反之V1关断 时，V2导通，上管导通，下管关断，使驱动的管子导通。因为上下两个管子的栅、源极通过不同的回路充放电，包含有V2的回路，由于V2会不断退出饱和直至 关断，所以对于S1而言导通比关断要慢，对于S2而言导通比关断要快，所以两管发热程度也不完全一样，S1比S2发热严重。 该驱动电路的缺点是需要双电源，且由于R的取值不能过大，否则会使V1深度饱和，影响关断速度，所以R上会有一定的损耗。 4.1.2隔离的驱动电路 （1）正激式驱动电路。电路原理如图9（a）所示，N3为去磁绕组，S2为所驱动的功率管。R2为防止功率管栅极、源极端电压振荡的一个阻尼电阻。因不要求漏感较小，且从速度方面考虑，一般R2较小，故在分析中忽略不计。 其等效电路图如图9（b）所示脉冲不要求的副边并联一电阻R1，它做为正激变换器的假负载，用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通。同时它还可 以作为功率MOSFET关断时的能量泄放回路。该驱动电路的导通速度主要与被驱动的S2栅极、源极等效输入电容的大小、S1的驱动信号的速度以及S1所能 提供的电流大小有关。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化电流越小，U1值越小，关断速度越慢。该电路具有以下优点： ①电路结构简单可靠，实现了隔离驱动。 ②只需单电源即可提供导通时的正、关断时负压。 ③占空比固定时，通过合理的参数设计，此驱动电路也具有较快的开关速度。 该电路存在的缺点：一是由于隔离变压器副边需要噎嗝假负载防振荡，故电路损耗较大；二是当占空比变化时关断速度变化较大。脉宽较窄时，由于是储存的能量减少导致MOSFET栅极的关断速度变慢。 （2）有隔离变压器的互补驱动电路。如图10所示，V1、V2为互补工作，电容C起隔离直流的作用，T1为高频、高磁率的磁环或磁罐。 导通时隔离变压器上的电压为（1-D）Ui、关断时为D Ui，若主功率管S可靠导通电压为12V，而隔离变压器原副边匝比N1/N2为12/[（1-D）Ui]。为保证导通期间GS电压稳定C值可稍取大些。该电路具有以下优点： ①电路结构简单可靠，具有电气隔离作用。当脉宽变化时，驱动的关断能力不会随着变化。 ②该电路只需一个电源，即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压，从而加速了功率管的关断，且有较高的抗干扰能力。 但该电路存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空比的变化而变化。当D较小时，负向电压小，该电路的抗干扰性变差，且正向电压较高，应该注意使其 幅值不超过MOSFET栅极的允许电压。当D大于0.5时驱动电压正向电压小于其负向电压，此时应该注意使其负电压值不超过MOAFET栅极允许电压。所 以该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大以及占空比小于0.5的场合。 （3）集成芯片UC3724/3725构成的驱动电路 电路构成如图11所示。其中UC3724用来产生高频载波信号，载波频率由电容CT和电阻RT决定。一般载波频率小于600kHz，4脚和6脚两端产生 高频调制波，经高频小磁环变压器隔离后送到UC3725芯片7、8两脚经UC3725进行调制后得到驱动信号，UC3725内部有一肖特基整流桥同时将 7、8脚的高频调制波整流成一直流电压供驱动所需功率。一般来说载波频率越高驱动延时越小，但太高抗干扰变差；隔离变压器磁化电感越大磁化电流越 小，UC3724发热越少，但太大使匝数增多导致寄生参数影响变大，同样会使抗干扰能力降低。根据实验数据得出：对于开关频率小于100kHz的信号一般 取（400～500）kHz载波频率较好，变压器选用较高磁导如5K、7K等高频环形磁芯，其原边磁化电感小于约1毫亨左右为好。这种驱动电路仅适合于信 号频率小于100kHz的场合，因信号频率相对载波频率太高的话，相对延时太多，且所需驱动功率增大，UC3724和UC3725芯片发热温升较高，故 100kHz以上开关频率仅对较小极电容的MOSFET才可以。对于1kVA左右开关频率小于100kHz的场合，它是一种良好的驱动电路。该电路具有以 下特点：单电源工作，控制信号与驱动实现隔离，结构简单尺寸较小，尤其适用于占空比变化不确定或信号频率也变化的场合。
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