新结构高可靠性大功率整流器的设计

2012-05-18海湾电子山东有限公司董志强岳跃忠范永胜侯志刚

电子世界 2012年22期

海湾电子（山东）有限公司董志强岳跃忠范永胜侯志刚

1.引言

近几年来，随着科技技术的进步及各种电器&设备功能的提升，大功率的整流器使用越来越广泛，同时，对大功率整流器功能的要求也越来越高，不仅需要大功率整流器能够在不同环境温度下的正常工作，而且要求大功率整流器在温度有突变时，仍然可以正常工作，大功率的整流器向高可靠性、稳定性强等方向发展，大功率整流器的制造技术即成为了制约其发展的瓶颈。如何能够增强整流器抗温度突变的能力、抗高温的能力，成为目前整流器的研究发展方向。

2.抗温度突变的高可靠性大功率整流器的设计

2.1 高可靠性的设计

2.1.1 芯片在产品本体内的分布设计

由于整流器由四颗芯片封装而成，出于散热等各方面的考虑，四颗芯片在产品本体内的分布要均匀，且排列方向一致，这样会有利于散热及产品热量的平均分布。如果分布不均匀，那么整流器的发热就会集中，在集中点就容易出现高温失效。目前市场上常见的整流器，芯片分布大多不均匀，有的即使分布均匀，但是排列方向不一致，导致产品的可靠性大打折扣。

根据我们长期生产整流器总结的数据发现，芯片分布不均匀的整流器，其在客户端失效的几率比芯片分布均匀的整流器平均要大5%。而在芯片排列方向不一致的整流器，失效的产品中，芯片P面朝向产品焊接框架的脚位失效比例（该脚位失效数量占总失效数量的比例）高达75%。根据统计发现，在生产过程中良率低的批次，在客户端失效的概率就高，所以芯片P面朝向产品焊接框架的脚位，在客户端失效的概率就远远大于芯片P面背向产品焊为此，我们设计了一种芯片排列对称，且芯片排列方向一致的大功率整流器，结构如右图1所示，四颗方形芯片于产品中对称排列，且上下错开，确保产品发热分布均匀，另外四颗芯片全部背向产品焊接框架，使产品生产的失效比例减小，提升产品良率，同时也能减少在客户端的失效比例，而客户端的验证即是对产品可靠性的验证，以此结构提升产品可靠性。

2.1.2 芯片焊接点的设计

如图1，图中有四颗芯片分别与框架、跳线焊接。目前大多厂家使用圆形凸点与芯片焊接，且框架上没有任何设计，仅仅是一个焊接的平面，不仅焊接面积大大缩小，而且芯片在焊接时，很容易随着圆形凸点进行旋转，导致芯片的一个角偏出框架或者跳线的保护，在后工序中造成失效，而有的则受到大的应力，在产品测试时无法测出，导致流到客户端失效，无法保证产品的高可靠性。

为此，我们进行了两点改进。

1）之前的圆形凸点改为方形凸点，与芯片保持相同的形状，使跳线可以与芯片的焊接面充分接触焊接，增大焊接面积，减小产品的正向压降，降低产品在使用中的功耗，同时由于焊料通过跳线对芯片的张力作用，使芯片四个边与跳线方形凸点的四个边平行，减小产品芯片的旋转度。

2）在框架上设计与芯片N面相同的导流槽，使焊料在熔融状态时，可以完全存留于芯片下方，确保芯片焊接的可靠度，同时由于导流槽与芯片大小相同，而且也是方形，同样可以在焊接过程中对芯片产生张力，使芯片与导流槽重叠，大幅减小芯片的旋转，确保产品的可靠度。

2.2 抗温度突变的设计

现行的大功率整流器的焊接工艺，多以焊锡膏作为焊料，焊锡膏在高温熔融后，连接框架、芯片、跳线；当产品受到温度突变的外界环境冲击时，产品内部框架、芯片、跳线之间热胀冷缩，由于铜与硅热膨胀系数不同，故框架、芯片、跳线之间会互相作用，对较脆弱的芯片形成应力破坏；焊锡膏中92.5%的成分为铅，由于铅硬度（相对于硅）较小，当上述热胀冷缩发生时，介于框架与芯片之间、芯片与跳线之间的焊锡（主要成分为铅）起到缓冲作用，通过铅自身变形，缓解框架或者跳线作用于芯片的应力，从而保护芯片不受损坏。

传统的焊锡膏成分，在装填过程中，受到工装的挤压，存于框架与芯片之间、芯片与跳线之间的厚度无法保证；在高温焊接过程中，焊锡膏变为熔融的液态焊锡，受到芯片及跳线自身重力的挤压，厚度更是无法保证。

焊锡膏熔融点位283℃，而铝的熔点为660℃，且铝的硬度（相对于硅）也较小，故我们将铝粉掺入焊锡膏中，那么焊锡熔融后，框架与芯片之间、芯片与跳线之间的焊锡厚度将≥铝粉的直径；所以我们要确保焊锡厚度，只要保证铝粉的直径即可。根据试验数据表明，焊锡厚度至少要0.05mm，才能更好地起到缓冲作用，确保芯片不受损坏，故我们将铝粉直径设计为0.05～0.06mm；另外为了防止铝粉过多，铝粉堆积导致焊锡厚度过大，我们将掺入铝粉的数量加以控制，平均保证每个焊锡点有4～5粒铝粉以支撑芯片、跳线，其它成分保持原有焊锡膏不变。