大电流键合金丝熔断能力模拟分析*

2017-09-03曹小鸽徐微

电子与封装 2017年8期

关键词：金丝热阻激光器

曹小鸽，徐微

（西安交通大学城市学院电气与信息工程系，西安710018）

大电流键合金丝熔断能力模拟分析*

曹小鸽，徐微

（西安交通大学城市学院电气与信息工程系，西安710018）

光纤通信用半导体激光器正朝着微型化、集成化方向飞速发展。激光器的集成化会产生大量的热量，为保证激光器的正常工作，就需要用制冷器来控制温升。当激光器通过金丝给制冷器供电时，金丝必须能持续通过几安培的直流电流而不至于熔断，所以金丝的热分析及热熔断实验就非常有必要。在金丝熔断电流理论分析的基础上利用ANSYS软件对金丝进行热模拟分析，并经过实验验证找出2.0 mm金丝工作时的熔断电流，对制冷型激光器的研制有直接指导意义。

金丝；热分析；ANSYS

1 引言

近年来，随着用户对视频点播、高清交互式网络电视（IPTV）、高速互联网及3G/4G移动回传等宽带业务需求的持续快速增长，光纤通信用半导体激光器朝着高速率、低成本和集成化的方向飞速发展。半导体激光器的工作特性对于温度的变化极为敏感，有源区温度的升高会带来半导体激光器的阈值电流增加、激射波长红移、模式的不稳定等一系列不利问题，因此采用制冷型的激光器是保证有源区温度稳定的有利选择[1]。但制冷器的功耗较大，需要较大的直流电流，当通过金丝给制冷器供电时，金丝可能会因为承受不住大的电流而熔断。为了保证制冷型半导体激光器正常工作，有必要对金丝进行熔断分析及实验验证。ANSYS软件以其仿真精度高等特点在工程中有着广泛的应用[2]，因此，本文在金丝熔断电流理论分析的基础上，利用ANSYS软件对企业经常使用的纯度为4N（99.99%）、直径为25 μm的焊接用金丝进行热分析并通过实验验证其正确性，并找出长度2.0 mm金丝工作时的熔断电流。

2 键合金丝熔断理论

2.1 键合金丝发热量及其热传递

金丝工作时影响其熔断电流大小的因素有很多，如电流脉冲宽度、丝长、丝横截面积、丝材质、环境温度、热对流和热辐射的参数等。文中我们限定几个金丝物理参数，工作电流采用直流，丝长、丝横截面积和丝材质也给予限定。在给定金丝物理参数的基础上，通过计算金丝工作时的发热量及分析其热传递过程，找到金丝工作时的热传递模型和金丝的等效热阻。

根据传热学[3]，热传递主要有以下三种方式：传导、对流和辐射。设单位时间内以传导方式传出的热量为Q1，以对流方式传出的热量为Q2，以辐射方式传出的热量为Q3，则单位时间内传出的总热量Q为：

式中：λ为物体材料的导热系数，A1为物体导热的垂直接触面积，Th为物体热端温度，Tc为物体冷端温度，δ为物体导热厚度；α为空气流体的对流传热系数，A2为物体与空气流体接触的表面积，TW为物体表面温度，Tair为物体表面接触的空气流体温度；ε为物体表面灰度，A3为物体辐射表面积，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常量，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)；这里的温度都为绝对温度，单位为K。

金丝工作时主要产生焦耳热，焦耳热即为金丝单位时间内传出的总热量Q。金丝产生的焦耳热跟金丝的电阻值R及所通过的直流电流I的大小有关，其单位时间产生的热量为：

表1给出本次热熔断分析采用金丝的相关参数及其他一些参数。

表1 金丝热熔断分析所涉及到的参数

本文采用的金丝为住友公司的产品。厂家给出的电阻值与电阻率、温度的关系公式为：

式中ρ25为外界环境温度25℃时金丝的电阻率；β为金丝的温度系数，其值为0.004；LAu为金丝的长度，单位为cm；S为金丝的横截面积，单位为cm2。根据表1所给金丝的参数及公式（6）可计算出金丝达到熔点1337 K时的电阻为2.4 Ω/cm，再根据公式（5）可计算出所采用的金丝在达到熔点时每单位时间产生的热量为0.48 W。由于金丝在密闭管壳内，其表面对流换热系数α几乎为零[4]，所以文中并不考虑金丝表面的对流换热Q2。由公式（4）可知物体辐射的热量跟物体的表面温度有关，表面温度越高，物体在单位时间内辐射的热量越多。因此，当金丝表面同时达到熔点温度1337 K时，金丝单位时间内能辐射出最大热量，由公式（4）可计算出金丝表面辐射最大热量Q3仅为0.853 mW，约占总热功率的0.178%，所以金丝表面的辐射热量也可以忽略不计。

根据以上分析，金丝主要以热传导方式把产生的焦耳热量传递给过渡块，之后过渡块再以热传导的方式把热量传递给激光器管壳，激光器管壳再通过与外界空气对流，将热量传递出去。图1和图2分别为制冷型激光器工作的示意图和金丝传热过程。

图1 制冷型激光器工作示意图

图2 金丝传热过程

在传热学中根据电阻的欧姆定律给出了相应的热阻定义，用温差ΔT代替电压，单位时间内传递的热量Q代替电流，因此热阻的定义为：

总传热过程的总热阻为这几个热量传递环节的分热阻串联而成[3]。本文我们更为关心金丝工作时其本身的等效传热热阻Rt，其中ΔT为金丝温度最高处与接触过渡块表面的金丝底端的温度差，Q为金丝单位时间产生的热量。

2.2 键合金丝的最大允许电流及熔断电流

表2为国家标准GJB597A-1996《半导体集成电路总规范》第3.5.5.3条对内引线最大允许电流的规定：

式中，I为最大允许电流，单位A；K为常数；d为引线直径，单位mm[5]。表2中L为内引线长度。

表2 不同材料的K值

文中我们采用直径为25 μm、长度为2.0 mm的金丝，根据公式（8）可计算出最大允许电流I为0.632 A。最大允许电流一般为熔断电流的一半[6]，所以文中我们采用的金丝的熔断电流为1.264 A。

当丝非常短，即LS<133D时（此处的D为短丝直径，单位cm；LS为短丝长度，单位cm），几乎所有电功率损耗都通过丝传递到丝端处，丝端由于热嵌焊致使温度下降，则熔断电流为：

其中KS为短丝系数，4N金丝的KS值为4.25× 104A/cm[6]。我们采用的金丝直径为25 μm，长度为2.0 mm，可计算出来其符合短丝条件。根据2.1节理论分析的结果，金丝通电流时产生的热功率主要通过热传导给了与金丝接触的过渡块，金丝表面的热对流和热辐射都可以忽略不计，也符合短丝工作时的状态表述，所以利用熔断电流公式（9）又可以计算出文中采用的金丝的熔断电流为1.328 A。此结果与根据公式（8）计算出的熔断电流基本一致。以上我们用了两种不同计算引线熔断电流的理论，计算结果非常相似，误差为5.0%，所以文中我们采用的金丝熔断电流在1.26~1.33 A之间。

3 金丝熔断仿真分析

采用表1中的参数，外围环境温度为298 K，铜过渡块表面设定为空气自然对流系数30 W/(m2·K)，根据2.1节的理论分析，当长度为2.0 mm的金丝通1A电流时，金丝所发的热功率大小为0.48 W，此为金丝仿真时的热载荷。金丝工作时的热稳态分布仿真结果如图3所示。

由结果可见金丝中间的温度最高，两端的温度最低，金丝的最高摄氏温度为1299.3 K，未达到金丝熔点，金丝底端摄氏温度为487.89 K，金丝温差ΔT为811.41 K。根据热阻公式（6）可计算出金丝的等效热阻Rt为1690.44 K/W。当金丝通1.3 A电流时，金丝所发的热功率大小为0.624 W，金丝工作时的热稳态分布仿真结果如图4所示。仿真结果亦可见金丝中间的温度最高，两端的温度最低，金丝的最高摄氏温度为1599.7 K，已超过金丝的熔点，金丝底端摄氏温度为544.86 K，金丝温差ΔT为1054.86 K，亦可计算出金丝的等效热阻Rt为1690.44 K/W。由分析结果可见直径为25 μm、长度为2.0 mm的金丝自身的等效热阻不变，金丝熔断电流在1~1.3 A之间，此结果与2.2节理论分析的结果相符。

图3 电流为1 A时的热稳态分布图

4 金丝的熔断实验验证

实验中金丝打线图如图5所示，其中激光器底座与接地脚相连。在外界环境温度为298 K时，两根直径为25 μm、长度为2.0 mm的4N金丝分别在电流为1.09 A和1.10 A时从中间熔断，说明金丝中间的温度达到金丝熔点1337 K，熔断图如图5所示。金丝中间的温度达到最高，该结果跟仿真结果相符。根据实验所测结果可计算出其金丝等效热阻Rt分别为1614.6 K/W和1585.3 K/W（忽略掉激光器底座的热阻），实验所测结果计算出的金丝等效热阻比仿真计算出的等效热阻要小，误差分别为5.27%和7.19%，这主要是实验时受到金丝表面的空气对流换热的影响。

图4 电流为1.3 A时的热稳态分布图

综合以上分析，直径为25 μm、长度为2.0 mm的4N键合金丝属于短丝范围。其通过电流产生焦耳热量时，可以忽略掉金丝表面的热对流及热辐射影响，焦耳热量只通过热传导的方式传递出去，金丝的等效热阻为1690.44 K/W左右。当外界环境温度为298 K时，金丝的熔断电流在1~1.3 A之间。如果采用2.0 mm的金丝为最大电流2 A的制冷器供电时，利用电阻并联分流的原理，则至少应并联两根金丝，以此类推。

图5 两根2.0 mm金丝打线图

图6 两根2.0 mm金丝熔断图

5 结论

文中给出了纯度4N（99.99%）、直径为25 μm的焊接用金丝在其长度为2.0 mm、外界环境温度为298 K时，ANSYS软件仿真出的通过1 A及1.3 A电流时金丝等效热阻值及热稳态温度分布图。结果表明，金丝在1~1.3 A之间熔断，此结果与理论推导相符。又经过与金丝的热熔断实验相比较，仿真结果与实验结果符合良好，金丝工作时最中间的温度达到最高，实验所测得的热阻值与热仿真的热阻值近似，误差在8%以内。论文结果也表明在热仿真方面，利用ANSYS软件来仿真是可靠的。最后给出了当采用长度为2.0 mm的金丝为制冷器供电时，如果制冷器的最大工作电流为2 A则至少应并联两根金丝的结论，对激光器的研制具有实际指导意义。

[1]高光波，郑四木.热电制冷在激光器冷却系统中的应用[J].航空精密制造技术，2012,48（2）:46-49.

[2]陈云，徐晨.有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用[J].电子工程师，2001,33（2）:9-11.

[3]戴锅生.传热学（第二版）[M]．北京：高等教育出版社，1999:2-5.

[4]李维杰，王果果，徐红春，曹芳.同轴封装半导体激光器的散热研究[J].光通信研究，2011(2):46-49.

[5]GJB597A-1996.半导体集成电路总规范[S].

[6]May JT，黄路.微电子键合丝直流熔断电流和安全操作电流[J].有色金属与稀土应用,1992,2:2-5.

Simulation Analysis of Fusing Capacity of High Current Bonding Gold Wire

CAO Xiaoge,XU Wei
（Xi’an Jiaotong University City College,Department of Electrical and Information Engineering, Xi’an 710018,China）

Semiconductor lasers for fiber-optic communication are now developing fast along the direction of miniaturization and integration.The integration of laser device generates a lot of heat,and a refrigerator is required to control the temperature.When gold wire is used to power the refrigerator,it must be able to allow a few Amperes of direct current to flow through without fusing.In this case,thermal analysis and fusing experiments of the gold wire are very necessary.In the paper,based on the theoretical analysis of fusing current in gold wire,ANSYS software is used to perform thermal analysis of gold wire and the fusing current of 2.0 mm gold wire isfound.The resultshave directguiding significance for the developmentofthe cooled laser.

gold wire;thermalanalysis;ANSYS