厚膜化电源模块老炼筛选过程的壳温控制

2024年3月7日发(作者：形容很好吃的成语)

射ｌｌ卷，第３蝴　Ｖｏｌ　１ｌ　ＮＯ　３　电子与封装　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ　总第９５　２０１　１年３月　封　装　、　组　装　与　测　试　厚膜化电源模块老炼筛选过程的　宣　日　Ｉｎｎ　控制　李晨旭　（人水ＬＰｑ九电ｒ　有限公司，　‘肃人水７４１０００）　摘　要：在现代电源模块技术中用厚膜４Ｌ．ｚ＿艺和ＳＭＴ（表面贴装工艺）生产的电源模块，由于其　效率高、质量轻、可靠性高、密封性能好等优点，被广泛用于可靠性要求高的电子设备与军用装　备中。文章简要介绍了单个功率器件的热模型以及根据模块的输出功率、效率－５封装的热阻计算　。温升的办法。提出如何根据厚膜化电源模块老练时的最高壳温确定烘箱温度通过对不同金属材　料散热特性的对比，确定铝合金材料是最佳的散热器材料。讨论了厚膜化电源模块老炼时散热器　的安装方法及空气流速对壳温的影响，并提供不同厚膜化电源模块的壳温测量数据　同时对用户　使用过程如何控制壳温提供安装和使用建议　关键词：厚膜化电源模块；热导率；热模型；散热；壳温测量　中图分类号：ＴＮ３０５．９４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６８１－１０７０（２０１　１）０３—００１３—０５　Ｔｈｅ　Ｈｙｂｒｉｄ　ＤＣ—ＤＣ　Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ　Ｃａｓｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｂｕｒｎ．ｉｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ＬＩ　Ｃｈｅｎ—ｘｕ　（Ｔｉａｎｓｈｕｉ　７４９　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｓｈｕｉ　７４　１　０００，Ｃｈｉｎ　）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ｔｈｅ　ｌｏｗ—ｗｅｉｇｈｔｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｂｅｔｔｅｒ—ｓｅａｌｉｎｇＴｈｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ＤＣ—ＤＣ　，，ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｌａｒｇｅｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｆｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｅｌｅｃｔＩ＿０ｎｉｃｓ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｔｅｕｉｔ　ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃａ１ｃｕ—　ｌａｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｉｓｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｃｋａｇｉｎｇ　ｔｈｅｍ１ａ１．　，ｎ　ｔａｎｃｅ・Ｈｏｗ　ｔｏ　ｓｅｔ　ｔｈｅ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｃａｓｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｒｎｉｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　—Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｔｈｅ　ｄｉｓｓｉｐａｔｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｉｕｍ．ａ１１ｏｖ　ｉｓ　，ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｈｅａｔ—ｓｉｎｋＴｈｅ　ｃａｓｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ．　．ｓｉｎｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｌｏｗ　ｖｅｌｆｏｃｉｔｙ，ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｄａｔａｓ　ｏｆｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｙｂｒｉｄ　ＤＣＤＣ　ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔ．　—Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｕｓｔｏｍｅｒ　ａｄｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｓｓｅｍｂｌｖ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ＤＣ－ＤＣ　ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ；ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ；ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｒｏｏｄｅ１：ｄｉｓｓｉｐａｔｅ　ｈｅａｔ：ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅ　子设备的影响高达６０％。高温动态功率老炼是电子　引言　造成电子设备故障的原凶虽然很多，但是高温　产品在　』一前的电应力试验最丰要的手段。用户对　电源模块的技术指标中都规定了最高壳温要求，在　对厚膜化电源模块老炼的过程中进行壳温控制是很　是其中最重要的因素（其他因素按重要性依次是振　动Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ、潮湿Ｈｕｍｉｄｉｔｙ、灰尘Ｄｕｓｔ），温度对电　有必要的，对提高产品的可靠性与筛选质量有着卜　分重要的意义。笔者在此提供工作中积累的大量测　收稿日期：２０１０—０５—２６　

第ｌ　１卷第３期　电子与封装　试数据与工作经验，与同行分享。　在电子模块或电源变换器的设计中，对产品的　功率在产品的使用方或者用户那里就已经有了明确　的设计要求。当然作为设计单位的设计人员在产品　的设计当中常常留有一定的余量。当产品的功耗一　定时，如果我们想办法尽可能去减小产品在使用当　中的热阻，即模块在散热通道上一切妨碍热量耗散　的不利因素，就可以有效地控制壳温的快速上升，　确保产品稳定可靠地工作。同样，如果在保证电子　模块可靠工作的同时规定一最高壳温，那么在减小　器件的外热阻的同时就限制了模块壳温的快速上升。　在产品的设计时比较不同厂家的器件，选择结温较　高的开关功率器件，不同公司生产的产品由于各自　制造工艺过程的不同，其产品的质量实际上是有差　异的，如芯片厚度的不同、焊片的厚度、漏、源极　面积的大小等因素都是影响器件本身内热阻的直接　原因。在电子模块中，热量的传播是以三种方式传　播的，即传导、对流、幅射。ｆ　是热传导为主要传　导方式。　２　单个功率器件的热模型　根据传导的原理，当半导体芯片上单位时间内　产生的热量与其耗散的热量相等时，芯片Ｉ二的温度　达到平衡：　Ｐｃ＝Ｋ（Ｔｊ—ｉｒａ１　Ｐｃ即器件的耗散功率，　是晶体管的结温，Ｙ是　环境温度，　是热传导率，表示温度每上升一度器　件所消耗的功率。当耗散功率越大时，管芯的结温　也就越高，由于结温不能超过　，功耗Ｐ。就不能　无限的增大。即　对应的功耗就是晶体管的最大耗　散功率：　Ｐｃ　＝Ｋ（Ｔｊ　一　）　在这里　１，Ｒ　也就是热阻，即产生的热量　向外散发的能力。　ＲＴ　：：—１］ｍ－－—Ｙａ　尸ｃ　的单位是℃／ｗ或℃／ｍＷ。　Ｒ　Ｔ＝　Ｋ　Ａ　是物体的厚度，Ａ是物体的散热面积。对于一　般的晶体管　在１５０￣Ｃ～２００￣Ｃ之间，所以，想要提　．１４一　高功率必须从提高　和减小热阻的办法人手，为了　提高Ｐ　必须加装散热器以减小热阻，加有散热器的　器件，外热阻等于封装壳体与散热器的接触热阻Ｒ　。　及散热器与周围环境的　。　ｍ　图１结构　Ｒ．。、Ｒ。。分别是芯片对外壳和对周围环境的对流　幅射热阻，在这里可以忽略不计。　而且有：　Ｒｊｏ＞＞Ｒ￣　，　Ｒ　ｏ＞　。　懈　于是由等效热路得到：　Ｒ　：　：Ｒｊ。＋Ｒ　＋Ｒ　。　‘　Ｄ　＝　＝　所以总的热阳．就是内热阻与外热阻的和。　３　根据输出功率、效率与封装热阻确定温升　我们知道ＤＣ／ＤＣ厚膜化电源模块将很多功率　器件芯片直接贴装在氧化铝陶瓷基片上，氧化铝　陶瓷基片的导热性能是比较好的。所以当模块在　工作时热量首先是从外壳的底部传出的，传导到　封装壳体上。如果需要基板耗散的功率密度很高，　建议使用ＢｅＯ基板，它具有较高的热导率，ＢｅＯ的　热导率是氧化铝基板的８倍，它们的热导率系数　分别是０．３５　Ｗ／ｃｍ・Ｋ和２．５　Ｗ／ｃｍ・Ｋ。然而它是有毒　性的，在选用的时侯要加以注意。在设计时有些设　计人员在考虑布线时忽略了整个模块的热量分布，　

第１　１卷第３期　拿晨旭：厚膜化电源模块老炼筛选过程的壳温控　这就造成整个９１、壳热量分布的不均匀性，这种外壳　表面的温度不均匀性使外壳对散热器配合热阻实际　上是增大了。　变压器等。这就是以上分析的单个热模型的综合体，　根据电源模块的输出功率和效率，确定模块本身的　耗散功率为：　耗散功率＝输出功率／转换效率输出功率　例如：对于额定输出功率为３０Ｗ的模块，如效　当然外壳温度的不均匀性是不可完全避免的，　这与产品的设计、装配、封装有着非常直接的关系，　为此在产品设计与布线时有些设计规则还是要遵循　的，如：　率是８０％，则本身的耗散功率为３７．５　３０＝７．５Ｗ，厚　膜化电源的外壳可伐材料根据其热导率、散热面积　与厚度粗略估计为３．２℃／Ｗ，则外壳壳温为７．５Ｗ×　３．２￣Ｃ／Ｗ＝２４℃，即模块外壳在自然条件下的温升。因　（１）对密封壳体来说，尽量使散发热量较大的　功率器件靠近基板的边缘放置，可以减小热的传播　途径；　为各个产品的实际效率不　，一般情况下效率都在　７５％～８０％之间。而外壳封装的热阻要根据其热导　（２）耐热性差，对温度比较敏感的器件、电解　电容等应放离功率器件较远的地方；　（３）使电路中几个主要的发热组件均匀分布，　可使热量的分布比较均匀，在厚膜上艺中，功率器　件的贴装应直接贴在基板上的最底层，在基板与功　率、散热面积与厚度进行计算。筛选是为了加速其　在加工装配过程中的工艺缺陷尽早暴露出来，在老　炼的过程中通常要使壳温达到它规定的最高壳温。　我们通常的作法是将加上额定电源电压与满载模块　率器件之间不应隔有介质层或绝缘层，贴装功率器　件的焊盘在布图面积允许的情况下选用较大的，有　利于散热；　放人温度可控的高温烘箱内，但这种烘箱必需具备　温度均匀性好、有循环风设备的要求。而且允许误　差在±２℃内。为了便于操作常将多块模块插在同　一（４）对于ＤＣ／ＤＣ或ＡＣ／ＤＣ等电源模块提高其效　率，可以最大程度上减小自身消耗的功率。减小温　升。在现代电源技术中，很多产品中大都引入了功　块老化板上，老化板上每个模块有一一定的距离间　隔，相互间隔的行与列之间要方便空气的流动。如　果将以上带电的模块放入烘箱，则烘箱的温度应该　设定在：　率因子校正技术ＰＦＣ电路，它可以使电路中产生的　高次谐波的影响降到最低，从而改善了功率因子，　提高了模块的效率；　（５）改善开关变压器的效率，对于一般的开关　变压器与电感，其损耗一般占开关电源的１５％左右，　烘箱设定温度＝最高壳温的温升　模块在自然条件下　如ＹＨ料系列的厚膜化电源模块的最高壳温根　据其等级有１２５℃、８５℃，如果壳温用ｌ２５℃，则烘　箱设定温度为：１２５℃　２４℃＝１０Ｉ℃　所以采用新材料、新工艺，提高工作频率，改善其　结构，最大程度地减小工作时的漏感，减小磁心、绕　组的损耗，如采用平面变压器与片式变压器、扁平　变压器。　４　电源模块老练筛选时散热器材料的选择　减小热阻的办法是增大外壳的散热面积，就是　外加散热器。因为热阻与散热器的面积成正比。散　热器的制造材料是影响效能的重要因素，选择时必　但是，以上规则要根据具体情况加以综合考虑　和选择。　在厚膜化电源模块中产生热量的主要部件是半　导体功率器件，如大功率ＭＯＳ开关器件、输出整流　器件、肖特基二极管或快恢复＿二极管、电感和高频　须加以注意。目前加工散热器所采用的金属材料与　常见金属材料的热传导系数见表ｌ。　表１常见散热器加工材料对比　热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼　顾到材料的机械性能与价格，铝作为地壳中含量最　一ｌ５一　

第１　１卷第３期　电子与封装　高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而　受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域　测试出的温度之间有一定的误差，在本人的工作实　践中摸索到流动空气的流速也影响到外壳的温度，　所以在计算时根据流动的风速加进一个小修正值，　详见表２。　散热器　厚膜化电源膜块　中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，以获得许　多纯铝所不具备的特性，因此铝合金材料是目前散　热片加工材料的理想选择。　５　散热器安装方法及空气流速对壳温的影响　当散热器与模块外壳接触配合时，由于外壳与　散热器表面都不是很平滑光洁，所以在它们相接的　地方就产生了空隙，这些空隙的产生就是热阻的一　引线　电路插座　２刻槽的方向与气流流动方向垂直　部分，实际操作时在它们的接触表面如果涂上一层　导热硅脂，再将它们压紧，就可以减小这部分热阻。　表２热阻修正值　在模块工作时由于器件产生的热量传到散热器表面　时遇到的是空气，而空气的导热效果是很差的，但　是它可以流动，如果当器件在工作时在环境中提供　一６　对不同厚膜化电源的壳温实测数据　在对产品进行老炼试验时，将带电的产品老化　定的空气对流，将散热器表面的热量通过流动的　板放人烘箱中，根据以上计算的温升设定烘箱的温　度，同时将测温铂电阻涂敷上导热硅脂紧贴产品外　壳进行最后外壳温度确定。通常情况下将温度设低　空气带走，就会极大地改善散热器表面的温升，为　器件外壳到散热器提供较为稳定的温度梯度，这是　非常有利于热量耗散的。在这里要说明的是最好使　气流的流动方向与散热器刻槽的方向相同，这样有　利于气流流动。如果刻槽的方向与气流流动方向垂　直，其散热效果不是很好，如图２，空气的流动方向　与刻槽方向垂直。在模块的老炼中使用循环风能带　走散热器表面大量的热量，降低散热器与空气的温　差，使散热器与空气之间的热阻减小，减少热量在　散热器表面的积累，使模块与散热器表面达到稳定　的温度。　５℃，以免计算误差使外壳的温度超过最高壳温，对　产品造成损害。待产品的壳温稳定以后再根据实测　的外壳温度调节烘箱温度，使其达到最高壳温，误　差控制在±１℃之内。在以下实际试验中对比计算　的温升与实测的壳温误差在±２℃之间。　对某产品ＹＨ　进行壳温控制的测试中，用　ＦＬＵＫＥ　２６２０温度巡检仪测试产品外壳的不同位置，　测试出的几组温度值如表３。　按电路壳体材料的热阻计算出来的壳温与实际　表３外壳不同位置测试出的温度值　由表３可以看出，当测温铂电阻放在外壳的不　同位置时，所取得的温度差　－　是不同的，分别大　外壳顶部的。模块的壳温控制流程如图３所示。　在产品应用场合建议将底部装在散热器上涂上　导热硅脂，并用螺丝固定压紧，散热器刻槽方向上　约是１　７℃、２５℃、４０℃左右。实验中散热器是放在　一ｌ６一