連接線廣泛用于連接芯片的引線端子和半導(dǎo)體器件的外部引腳。連接所用導(dǎo)線一般由黃金制成,因?yàn)辄S金能抵御氧化,并具備很高的導(dǎo)電性,而且用黃金可相對(duì)容易地連接IC引線端子和器件引腳。
用銅導(dǎo)線取代黃金導(dǎo)線的方法勢(shì)頭越來(lái)越強(qiáng),因?yàn)殂~具備卓越的電氣和熱特性、相對(duì)更少的金屬間化合生長(zhǎng)和更高的機(jī)械穩(wěn)定性。
在電源管理IC等具備大DC電流的器件中,會(huì)使用大量導(dǎo)線來(lái)傳導(dǎo)這種電流。這些額外的導(dǎo)線有助于改善DC壓降性能,并降低由大電流及其產(chǎn)生的有關(guān)熱量(焦耳生熱現(xiàn)象)導(dǎo)致的導(dǎo)線熔斷或融化風(fēng)險(xiǎn)。不幸的是,就給定應(yīng)用而言,還沒有一種能用來(lái)估計(jì)導(dǎo)線數(shù)量和尺寸的方法或分析方法。所使用的導(dǎo)線數(shù)量或者太多,增加了芯片面積和成本,或者太少,導(dǎo)致可靠性風(fēng)險(xiǎn)和器件失靈。
本文探討一種方法,用來(lái)估計(jì)不同尺寸和類型的導(dǎo)線處理DC電流的能力。本文還提供一些指導(dǎo)原則,將有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師估計(jì)特定的應(yīng)用所需的最佳導(dǎo)線數(shù)量。
估計(jì)理論上的載流能力
導(dǎo)線熔斷的經(jīng)典設(shè)計(jì)方程是由W.H. 普里斯推導(dǎo)出來(lái)的(1884年,稱為普里斯方程),僅適用于在自由空氣中的導(dǎo)線。
該方程揭示了熔斷電流(以安培為單位)和導(dǎo)線直徑(以英寸)為單位之間的關(guān)系,如下所示。
i=kD3/2
其中,i是DC或RMS電流;k是常數(shù),其值取決于導(dǎo)線材料,就黃金和銅導(dǎo)線而言,k=10,244;D=導(dǎo)線直徑(單位為英寸)。
這個(gè)方程的限制是,它僅適用于在自由空氣中的導(dǎo)線。此外,它未考慮導(dǎo)體長(zhǎng)度。而導(dǎo)線的載流能力是受長(zhǎng)度影響的,而且會(huì)隨著長(zhǎng)度增加而降低。
經(jīng)過修改的普里斯方程
為了解決上述限制,人們對(duì)普里斯方程進(jìn)行了修改,用數(shù)值更大的常數(shù)k來(lái)反映典型應(yīng)用的情況,在典型應(yīng)用中,導(dǎo)線是用基于環(huán)氧樹脂的模塑化合物密封的。這個(gè)常數(shù)k也反映了導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)線載流能力的影響。導(dǎo)體長(zhǎng)度≤0.040”時(shí),黃金和銅導(dǎo)線的k值均為30,000,而在導(dǎo)體長(zhǎng)度》 0.040”時(shí),其k值均為20,500。
軍用規(guī)格(MIL-M-38510J)中提到的方程就是基于修改過的普里斯方程。
表1列出了用兩個(gè)版本的普里斯方程計(jì)算出的兩種類型導(dǎo)體的載流能力。
表1 基于普里斯方程計(jì)算出的載流能力
即使是修改過的普里斯方程,仍然存在限制:
1所顯示的載流能力值是與材料無(wú)關(guān)的。與黃金導(dǎo)線相比,銅導(dǎo)線的熱導(dǎo)率高20%,電導(dǎo)率高30%,這從理論上應(yīng)該轉(zhuǎn)化為,銅導(dǎo)線能比黃金導(dǎo)線傳送更大的電流。
2 該方程沒有推斷導(dǎo)體長(zhǎng)度超出0.040”(約為1mm導(dǎo)線長(zhǎng)度)時(shí)導(dǎo)體的載流能力。大多數(shù)應(yīng)用的導(dǎo)線長(zhǎng)度在2~3mm范圍內(nèi),有時(shí)還會(huì)超出這一范圍。隨著導(dǎo)體長(zhǎng)度的變化,導(dǎo)線的載流能力有很多的變化,而該方程沒有考慮這種情況。
鑒于上述限制,有必要尋找一種新的方法,這種方法須考慮已知幾何尺寸及材料特性信息以及典型應(yīng)用造成的限制。
導(dǎo)體中的焦耳生熱現(xiàn)象
當(dāng)電流流經(jīng)一段非理想的、具備有限電阻的導(dǎo)體時(shí),就會(huì)有熱量釋放出來(lái),通過稱為焦耳生熱或電阻生熱的過程,將電能轉(zhuǎn)化成熱能。所釋放的熱量大小與通過導(dǎo)體的電流的平方以及導(dǎo)體的電阻成正比,3者關(guān)系如下:
Qgenerated=I2R
就一段被靜止空氣包圍的導(dǎo)體而言,產(chǎn)生的所有熱量都通過導(dǎo)體散出,而沒有熱量從導(dǎo)體表面?zhèn)鲗?dǎo)出去。當(dāng)以下等式成立時(shí),系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài):
Qgenerated=Qdissipated
通過由以下等式顯示的簡(jiǎn)單熱量傳導(dǎo)過程,所產(chǎn)生的熱量通過這段導(dǎo)線散出:
Qdissipated=kAdt/dx
其中,k是導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)率;A=導(dǎo)線的橫截面積;dT=導(dǎo)線兩端的溫度差;dx=導(dǎo)線長(zhǎng)度。
重新排列上述等式并簡(jiǎn)化為:
進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化:
根據(jù)上述關(guān)系,假定其他所有條件都保持相同,那么與黃金導(dǎo)線相比,銅導(dǎo)線能處理的DC或RMS電流應(yīng)該大25%。
在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中,熱量不僅能通過導(dǎo)線傳導(dǎo)出去,而且還能通過環(huán)氧樹脂模塑化合物,從導(dǎo)線表面在徑向方向傳導(dǎo)出去。二者結(jié)合以后的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象很復(fù)雜,不可能用閉環(huán)的方程準(zhǔn)確分析。因此,人們運(yùn)用具備熱電耦合物理求解程序的有限的元件建模軟件來(lái)分析不同導(dǎo)線參數(shù)的作用。
應(yīng)用描述和建模
在由導(dǎo)線連接的典型封裝中,芯片上焊盤,這些焊盤用導(dǎo)線連接到封裝引線,導(dǎo)線主要是黃金或銅質(zhì)的。圖1顯示了一種典型的封裝構(gòu)造。
圖1具備重要溫度監(jiān)視點(diǎn)的PCB上的封裝
商業(yè)應(yīng)用將最高環(huán)境溫度限制為不超過70℃,而工業(yè)應(yīng)用則將該溫度限定為85℃。大多數(shù)應(yīng)用規(guī)定,芯片的最高節(jié)溫為125℃,而有些應(yīng)用則規(guī)定該溫度為150℃。
為了估計(jì)在最壞情況下導(dǎo)線的載流能力,該模型假定,最高芯片節(jié)溫為125℃時(shí)的環(huán)境溫度為工業(yè)環(huán)境溫度。自然對(duì)流邊界條件適用于封裝表面,這時(shí)封裝引線溫度為100℃。
小量電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí),不改變整條導(dǎo)線的溫度曲線,導(dǎo)線兩端仍然保持相同的原始溫度。隨著電流的穩(wěn)步增大,最高溫度不再是芯片節(jié)溫,而是導(dǎo)線中間某處的溫度。
在模塑化合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)上,材料從硬的、相對(duì)較脆的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浀摹㈩愃葡鹉z的狀態(tài),這時(shí)典型溫度大約為150℃。如果流經(jīng)導(dǎo)線的電流使模塑化合物的溫度超過其Tg溫度,那么時(shí)間和溫度將使這條連接線上的環(huán)氧樹脂材料的化學(xué)鍵劣化。這不僅導(dǎo)致模塑化合物的熱阻增大,而且增大了材料的滲透性,使材料容易侵入潮氣和其他離子污染物。因此,在計(jì)算導(dǎo)線的載流能力時(shí),假定150℃的導(dǎo)線-模塑化合物連接線溫度為上限溫度。
以此為標(biāo)準(zhǔn),來(lái)分析導(dǎo)線材料的類型、導(dǎo)線長(zhǎng)度和導(dǎo)線直徑的影響,并將分析數(shù)據(jù)與理論上的估計(jì)值進(jìn)行比較。
圖2顯示了采用3種方法計(jì)算出的1mm長(zhǎng)黃金導(dǎo)線的載流能力。利用FEM方法所得的電流值在開始時(shí),與利用修改過的普里斯方程計(jì)算出的電流值相同,不過隨著導(dǎo)線直徑增大,兩條電流曲線出現(xiàn)了偏離。
圖2 用FEM方法和修改過的普里斯方程計(jì)算出的1mm長(zhǎng)黃金導(dǎo)線的載流能力
圖3顯示了用FEM方法計(jì)算出的1mm長(zhǎng)黃金導(dǎo)線及銅導(dǎo)線的載流能力。正如所預(yù)期的那樣,與黃金導(dǎo)線相比,銅導(dǎo)線能傳送更大的電流。
圖3 用FEM方法算出的1mm長(zhǎng)黃金及銅導(dǎo)線的載流能力
圖4顯示用FEM方法計(jì)算出的3種不同長(zhǎng)度黃金導(dǎo)線的載流能力。正如所預(yù)期的那樣,隨著長(zhǎng)度增加,導(dǎo)線傳送電流的能力下降了。
圖4 用FEM方法計(jì)算出的3種不同長(zhǎng)度黃金導(dǎo)線的載流能力
表2總結(jié)了不同導(dǎo)線組合的電流值(單位:安培)。
表2 不同導(dǎo)線組合的電流值(單位:安培)總結(jié)
總之,本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,闡明了導(dǎo)線材料類型、導(dǎo)線長(zhǎng)度和導(dǎo)線直徑對(duì)導(dǎo)線載流能力的影響。本文還探討了用常規(guī)方法估計(jì)載流能力產(chǎn)生的限制。
評(píng)論
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