厚膜化電源模塊老煉篩選過程的殼溫控制

2024年3月7日發(作者：形容很好吃的成語)

射ｌｌ卷，第３蝴　Ｖｏｌ　１ｌ　ＮＯ　３　電子與封裝　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ　總第９５　２０１　１年３月　封　裝　、　組　裝　與　測　試　厚膜化電源模塊老煉篩選過程的　宣　日　Ｉｎｎ　控制　李晨旭　（人水ＬＰｑ九電ｒ　有限公司，　‘肅人水７４１０００）　摘　要：在現代電源模塊技術中用厚膜４Ｌ．ｚ＿藝和ＳＭＴ（表面貼裝工藝）生產的電源模塊，由于其　效率高、質量輕、可靠性高、密封性能好等優點，被廣泛用于可靠性要求高的電子設備與軍用裝　備中。文章簡要介紹了單個功率器件的熱模型以及根據模塊的輸出功率、效率－５封裝的熱阻計算　。溫升的辦法。提出如何根據厚膜化電源模塊老練時的最高殼溫確定烘箱溫度通過對不同金屬材　料散熱特性的對比，確定鋁合金材料是最佳的散熱器材料。討論了厚膜化電源模塊老煉時散熱器　的安裝方法及空氣流速對殼溫的影響，并提供不同厚膜化電源模塊的殼溫測量數據　同時對用戶　使用過程如何控制殼溫提供安裝和使用建議　關鍵詞：厚膜化電源模塊；熱導率；熱模型；散熱；殼溫測量　中圖分類號：ＴＮ３０５．９４　文獻標識碼：Ａ　文章編號：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　子設備的影響高達６０％。高溫動態功率老煉是電子　引言　造成電子設備故障的原兇雖然很多，但是高溫　產品在　』一前的電應力試驗最豐要的手段。用戶對　電源模塊的技術指標中都規定了最高殼溫要求，在　對厚膜化電源模塊老煉的過程中進行殼溫控制是很　是其中最重要的因素（其他因素按重要性依次是振　動Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ、潮濕Ｈｕｍｉｄｉｔｙ、灰塵Ｄｕｓｔ），溫度對電　有必要的，對提高產品的可靠性與篩選質量有著卜　分重要的意義。筆者在此提供工作中積累的大量測　收稿日期：２０１０—０５—２６　

第ｌ　１卷第３期　電子與封裝　試數據與工作經驗，與同行分享。　在電子模塊或電源變換器的設計中，對產品的　功率在產品的使用方或者用戶那里就已經有了明確　的設計要求。當然作為設計單位的設計人員在產品　的設計當中常常留有一定的余量。當產品的功耗一　定時，如果我們想辦法盡可能去減小產品在使用當　中的熱阻，即模塊在散熱通道上一切妨礙熱量耗散　的不利因素，就可以有效地控制殼溫的快速上升，　確保產品穩定可靠地工作。同樣，如果在保證電子　模塊可靠工作的同時規定一最高殼溫，那么在減小　器件的外熱阻的同時就限制了模塊殼溫的快速上升。　在產品的設計時比較不同廠家的器件，選擇結溫較　高的開關功率器件，不同公司生產的產品由于各自　制造工藝過程的不同，其產品的質量實際上是有差　異的，如芯片厚度的不同、焊片的厚度、漏、源極　面積的大小等因素都是影響器件本身內熱阻的直接　原因。在電子模塊中，熱量的傳播是以三種方式傳　播的，即傳導、對流、幅射。ｆ　是熱傳導為主要傳　導方式。　２　單個功率器件的熱模型　根據傳導的原理，當半導體芯片上單位時間內　產生的熱量與其耗散的熱量相等時，芯片Ｉ二的溫度　達到平衡：　Ｐｃ＝Ｋ（Ｔｊ—ｉｒａ１　Ｐｃ即器件的耗散功率，　是晶體管的結溫，Ｙ是　環境溫度，　是熱傳導率，表示溫度每上升一度器　件所消耗的功率。當耗散功率越大時，管芯的結溫　也就越高，由于結溫不能超過　，功耗Ｐ。就不能　無限的增大。即　對應的功耗就是晶體管的最大耗　散功率：　Ｐｃ　＝Ｋ（Ｔｊ　一　）　在這里　１，Ｒ　也就是熱阻，即產生的熱量　向外散發的能力。　ＲＴ　：：—１］ｍ－－—Ｙａ　尸ｃ　的單位是℃／ｗ或℃／ｍＷ。　Ｒ　Ｔ＝　Ｋ　Ａ　是物體的厚度，Ａ是物體的散熱面積。對于一　般的晶體管　在１５０￣Ｃ～２００￣Ｃ之間，所以，想要提　．１４一　高功率必須從提高　和減小熱阻的辦法人手，為了　提高Ｐ　必須加裝散熱器以減小熱阻，加有散熱器的　器件，外熱阻等于封裝殼體與散熱器的接觸熱阻Ｒ　。　及散熱器與周圍環境的　。　ｍ　圖１結構　Ｒ．。、Ｒ。。分別是芯片對外殼和對周圍環境的對流　幅射熱阻，在這里可以忽略不計。　而且有：　Ｒｊｏ＞＞Ｒ￣　，　Ｒ　ｏ＞　。　懈　于是由等效熱路得到：　Ｒ　：　：Ｒｊ。＋Ｒ　＋Ｒ　。　‘　Ｄ　＝　＝　所以總的熱陽．就是內熱阻與外熱阻的和。　３　根據輸出功率、效率與封裝熱阻確定溫升　我們知道ＤＣ／ＤＣ厚膜化電源模塊將很多功率　器件芯片直接貼裝在氧化鋁陶瓷基片上，氧化鋁　陶瓷基片的導熱性能是比較好的。所以當模塊在　工作時熱量首先是從外殼的底部傳出的，傳導到　封裝殼體上。如果需要基板耗散的功率密度很高，　建議使用ＢｅＯ基板，它具有較高的熱導率，ＢｅＯ的　熱導率是氧化鋁基板的８倍，它們的熱導率系數　分別是０．３５　Ｗ／ｃｍ?Ｋ和２．５　Ｗ／ｃｍ?Ｋ。然而它是有毒　性的，在選用的時侯要加以注意。在設計時有些設　計人員在考慮布線時忽略了整個模塊的熱量分布，　

第１　１卷第３期　拿晨旭：厚膜化電源模塊老煉篩選過程的殼溫控　這就造成整個９１、殼熱量分布的不均勻性，這種外殼　表面的溫度不均勻性使外殼對散熱器配合熱阻實際　上是增大了。　變壓器等。這就是以上分析的單個熱模型的綜合體，　根據電源模塊的輸出功率和效率，確定模塊本身的　耗散功率為：　耗散功率＝輸出功率／轉換效率輸出功率　例如：對于額定輸出功率為３０Ｗ的模塊，如效　當然外殼溫度的不均勻性是不可完全避免的，　這與產品的設計、裝配、封裝有著非常直接的關系，　為此在產品設計與布線時有些設計規則還是要遵循　的，如：　率是８０％，則本身的耗散功率為３７．５　３０＝７．５Ｗ，厚　膜化電源的外殼可伐材料根據其熱導率、散熱面積　與厚度粗略估計為３．２℃／Ｗ，則外殼殼溫為７．５Ｗ×　３．２￣Ｃ／Ｗ＝２４℃，即模塊外殼在自然條件下的溫升。因　（１）對密封殼體來說，盡量使散發熱量較大的　功率器件靠近基板的邊緣放置，可以減小熱的傳播　途徑；　為各個產品的實際效率不　，一般情況下效率都在　７５％～８０％之間。而外殼封裝的熱阻要根據其熱導　（２）耐熱性差，對溫度比較敏感的器件、電解　電容等應放離功率器件較遠的地方；　（３）使電路中幾個主要的發熱組件均勻分布，　可使熱量的分布比較均勻，在厚膜上藝中，功率器　件的貼裝應直接貼在基板上的最底層，在基板與功　率、散熱面積與厚度進行計算。篩選是為了加速其　在加工裝配過程中的工藝缺陷盡早暴露出來，在老　煉的過程中通常要使殼溫達到它規定的最高殼溫。　我們通常的作法是將加上額定電源電壓與滿載模塊　率器件之間不應隔有介質層或絕緣層，貼裝功率器　件的焊盤在布圖面積允許的情況下選用較大的，有　利于散熱；　放人溫度可控的高溫烘箱內，但這種烘箱必需具備　溫度均勻性好、有循環風設備的要求。而且允許誤　差在±２℃內。為了便于操作常將多塊模塊插在同　一（４）對于ＤＣ／ＤＣ或ＡＣ／ＤＣ等電源模塊提高其效　率，可以最大程度上減小自身消耗的功率。減小溫　升。在現代電源技術中，很多產品中大都引入了功　塊老化板上，老化板上每個模塊有一一定的距離間　隔，相互間隔的行與列之間要方便空氣的流動。如　果將以上帶電的模塊放入烘箱，則烘箱的溫度應該　設定在：　率因子校正技術ＰＦＣ電路，它可以使電路中產生的　高次諧波的影響降到最低，從而改善了功率因子，　提高了模塊的效率；　（５）改善開關變壓器的效率，對于一般的開關　變壓器與電感，其損耗一般占開關電源的１５％左右，　烘箱設定溫度＝最高殼溫的溫升　模塊在自然條件下　如ＹＨ料系列的厚膜化電源模塊的最高殼溫根　據其等級有１２５℃、８５℃，如果殼溫用ｌ２５℃，則烘　箱設定溫度為：１２５℃　２４℃＝１０Ｉ℃　所以采用新材料、新工藝，提高工作頻率，改善其　結構，最大程度地減小工作時的漏感，減小磁心、繞　組的損耗，如采用平面變壓器與片式變壓器、扁平　變壓器。　４　電源模塊老練篩選時散熱器材料的選擇　減小熱阻的辦法是增大外殼的散熱面積，就是　外加散熱器。因為熱阻與散熱器的面積成正比。散　熱器的制造材料是影響效能的重要因素，選擇時必　但是，以上規則要根據具體情況加以綜合考慮　和選擇。　在厚膜化電源模塊中產生熱量的主要部件是半　導體功率器件，如大功率ＭＯＳ開關器件、輸出整流　器件、肖特基二極管或快恢復＿二極管、電感和高頻　須加以注意。目前加工散熱器所采用的金屬材料與　常見金屬材料的熱傳導系數見表ｌ。　表１常見散熱器加工材料對比　熱傳導系數自然是越高越好，但同時還需要兼　顧到材料的機械性能與價格，鋁作為地殼中含量最　一ｌ５一　

第１　１卷第３期　電子與封裝　高的金屬，因熱傳導系數較高、密度小、價格低而　受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應用領域　測試出的溫度之間有一定的誤差，在本人的工作實　踐中摸索到流動空氣的流速也影響到外殼的溫度，　所以在計算時根據流動的風速加進一個小修正值，　詳見表２。　散熱器　厚膜化電源膜塊　中通常會摻加各種配方材料制成鋁合金，以獲得許　多純鋁所不具備的特性，因此鋁合金材料是目前散　熱片加工材料的理想選擇。　５　散熱器安裝方法及空氣流速對殼溫的影響　當散熱器與模塊外殼接觸配合時，由于外殼與　散熱器表面都不是很平滑光潔，所以在它們相接的　地方就產生了空隙，這些空隙的產生就是熱阻的一　引線　電路插座　２刻槽的方向與氣流流動方向垂直　部分，實際操作時在它們的接觸表面如果涂上一層　導熱硅脂，再將它們壓緊，就可以減小這部分熱阻。　表２熱阻修正值　在模塊工作時由于器件產生的熱量傳到散熱器表面　時遇到的是空氣，而空氣的導熱效果是很差的，但　是它可以流動，如果當器件在工作時在環境中提供　一６　對不同厚膜化電源的殼溫實測數據　在對產品進行老煉試驗時，將帶電的產品老化　定的空氣對流，將散熱器表面的熱量通過流動的　板放人烘箱中，根據以上計算的溫升設定烘箱的溫　度，同時將測溫鉑電阻涂敷上導熱硅脂緊貼產品外　殼進行最后外殼溫度確定。通常情況下將溫度設低　空氣帶走，就會極大地改善散熱器表面的溫升，為　器件外殼到散熱器提供較為穩定的溫度梯度，這是　非常有利于熱量耗散的。在這里要說明的是最好使　氣流的流動方向與散熱器刻槽的方向相同，這樣有　利于氣流流動。如果刻槽的方向與氣流流動方向垂　直，其散熱效果不是很好，如圖２，空氣的流動方向　與刻槽方向垂直。在模塊的老煉中使用循環風能帶　走散熱器表面大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫　差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小，減少熱量在　散熱器表面的積累，使模塊與散熱器表面達到穩定　的溫度。　５℃，以免計算誤差使外殼的溫度超過最高殼溫，對　產品造成損害。待產品的殼溫穩定以后再根據實測　的外殼溫度調節烘箱溫度，使其達到最高殼溫，誤　差控制在±１℃之內。在以下實際試驗中對比計算　的溫升與實測的殼溫誤差在±２℃之間。　對某產品ＹＨ　進行殼溫控制的測試中，用　ＦＬＵＫＥ　２６２０溫度巡檢儀測試產品外殼的不同位置，　測試出的幾組溫度值如表３。　按電路殼體材料的熱阻計算出來的殼溫與實際　表３外殼不同位置測試出的溫度值　由表３可以看出，當測溫鉑電阻放在外殼的不　同位置時，所取得的溫度差　－　是不同的，分別大　外殼頂部的。模塊的殼溫控制流程如圖３所示。　在產品應用場合建議將底部裝在散熱器上涂上　導熱硅脂，并用螺絲固定壓緊，散熱器刻槽方向上　約是１　７℃、２５℃、４０℃左右。實驗中散熱器是放在　一ｌ６一