二次集成的高壓驅(qū)動電路的研制

邢變麗

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

該驅(qū)動電路應(yīng)用于某整機產(chǎn)品。整機系統(tǒng)中，驅(qū)動電路和與之配合的整機外圍電路、起轉(zhuǎn)線包一起驅(qū)動陀螺轉(zhuǎn)子，并使陀螺轉(zhuǎn)子在3 s內(nèi)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速。厚膜混合集成電路采用絲網(wǎng)印刷方法，把各種電子漿料通過漏印網(wǎng)板印刷在陶瓷基板上，經(jīng)過燒結(jié)、阻值激光修調(diào)等工序，制成具有預(yù)定電性能的膜式厚膜芯板。電容采用貼焊組裝，半導(dǎo)體芯片采用專用工藝進(jìn)行金絲鍵合微組裝，形成具有一定電路功能的混合集成電路，并按照GJB2438A-2002要求，嚴(yán)格進(jìn)行一系列篩選試驗，使產(chǎn)品具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。厚膜電路的主要工藝有成膜工藝、微組裝工藝和封裝工藝。成膜工藝中，需控制的主要參數(shù)有膜層質(zhì)量、三維布線密度、膜式元件參數(shù)的離散性和可調(diào)整性、半導(dǎo)體芯片的一致性。設(shè)計中主要控制元件裝配密度、連接可靠性、電性能功能調(diào)整性以及裝配工藝通用性。

1 二次集成的必要性

1.1 厚膜混合集成，能夠有效保證電路所用元器件的管芯原有可靠性水平

半導(dǎo)體管芯本身可靠性級別很高，平均無故障時間106～109h。但是，在三極管管芯進(jìn)行塑封的過程中，經(jīng)過幾道加工工序，尤其是塑封件封裝，可靠性大幅度降低，可以保證的平均無故障時間只能達(dá)到104h。厚膜電路采用芯片微組裝，消除了封裝過程對元器件可靠性的影響，也消除了具體封裝形式對元器件管芯原有可靠性水平的束縛。

1.2 散裝電路的厚膜集成是整機產(chǎn)品一致性、標(biāo)準(zhǔn)化批產(chǎn)的需求

散裝電路的裝配、維修和更換，需要操作和控制的元器件及其參數(shù)數(shù)量大，電連接焊點多，復(fù)雜程度高。它的電路調(diào)試需要操作到各個元器件及其具體參數(shù)。由于操作人員水平、責(zé)任、素質(zhì)等影響，很難使元件級的參數(shù)達(dá)到較高的一致性和穩(wěn)定性。厚膜電路采用統(tǒng)一工藝，全過程質(zhì)量控制，大量專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行加工組裝，電路工藝和參數(shù)一致性好、穩(wěn)定性高。大量元件集成為一個標(biāo)準(zhǔn)器件，方便整機裝配、調(diào)試、維修和更換，提高了整機產(chǎn)品批產(chǎn)的一致性和標(biāo)準(zhǔn)化。

1.3 厚膜集成化是整機縮小體積、降低重量的有效途徑

散裝電路板所用的元器件都是已封裝的元器件，體積比內(nèi)芯大得多。以三極管為例，半導(dǎo)體三極管管芯體積本身只有1 mm×1 mm×0.1 mm，重量毫克級，幾乎可以忽略。封裝完成后成為TO-220結(jié)構(gòu)，體積增大到10 mm×15 mm×4.5 mm，而且不計算引腳長的引線，體積增大了6 750倍，重量增加千倍。厚膜集成電路直接使用管芯組裝，電阻及導(dǎo)帶采用厚膜平面印刷燒結(jié)工藝，大幅度降低了產(chǎn)品體積和重量，有利于整機微型化。

1.4 厚膜集成化是整機提高電磁兼容性和熱穩(wěn)定性的有效途徑

散裝電路板所用的元器件都暴露在外，處理不當(dāng)易產(chǎn)生電磁干擾，也易受到其他電路的干擾。電路板的各個元件本身參數(shù)有異，且根據(jù)位置不同，功率元件各自獨立。功率工作元件發(fā)熱升溫，與非功率工作元件的溫差很大，易產(chǎn)生更大的參數(shù)不對稱。PCB板熱傳導(dǎo)性差，熱點孤立，往往形成發(fā)熱正反饋，發(fā)熱件越來越熱，直至燒毀，難以保障整個電路的熱穩(wěn)定性。厚膜電路采用金屬封裝，熱穩(wěn)定性好，具有更優(yōu)的電磁兼容特性。

綜上所述，厚膜混合集成電路具有優(yōu)越的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，是軍工單位提升整機產(chǎn)品質(zhì)量、提高可靠性水平的有效措施。

2 產(chǎn)品描述和分析

主要的技術(shù)指標(biāo)如下：電源電壓+20 V，-20 V；輸入方波信號±20 V/100 Hz；輸出方波的高、低電平電壓的絕對值≥17 V；輸出方波的上升、下降時間≤230 μs；帶載能力≥3 A；工作溫度為-55～+125 ℃。該產(chǎn)品屬于厚膜混合集成電路，交付用戶后還需要二次組裝。集成電路能配合外圍電路和起轉(zhuǎn)線包一起驅(qū)動陀螺轉(zhuǎn)子正常起轉(zhuǎn)，并且在3 s內(nèi)使陀螺達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速[1]。電路原理圖如圖1所示。

驅(qū)動電路采用成熟的厚膜混合集成工藝技術(shù)，產(chǎn)品在軍標(biāo)線上生產(chǎn)，生產(chǎn)線獲得QML認(rèn)證；產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格按GJB2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》和《質(zhì)量保證大綱》要求進(jìn)行控制；產(chǎn)品采用雙列直插金屬外殼，平行縫焊封裝。根據(jù)功率電路及工藝要求考慮，引腳從底座兩側(cè)面引出；殼體材料使用可伐材料，封裝后可獲得優(yōu)良的氣密性；殼體表面鍍鎳，增強對環(huán)境的適應(yīng)能性；腔體式結(jié)構(gòu)有助于防止組裝過程中對電路造成損傷。驅(qū)動電路在使用時可根據(jù)實際輸出功率外接適當(dāng)?shù)纳崞鳎_保產(chǎn)品工作時外殼最高溫度不超過105 ℃。如圖1所示，驅(qū)動電路的工作原理是VIN1和VIN2輸入反向調(diào)制方波，此時功率三極管Q3、Q4與Q7、Q8分別導(dǎo)通，OUT1、OUT2分別輸出相應(yīng)的調(diào)制方波，驅(qū)動外圍負(fù)載工作。驅(qū)動電路的控制電路由兩部分組成。在版圖設(shè)計方面，為減少對兩部分電路的影響差異和散熱要求，產(chǎn)品平面布圖采用較為對稱的布圖方式。在熱分布設(shè)計上，通過大電流的區(qū)域采用導(dǎo)帶覆銅設(shè)計，降低熱損耗，提高可靠性[2]。

圖1 電路原理圖

3 產(chǎn)品工藝

3.1 主要工序簡述

3.1.1 成 膜

通過絲網(wǎng)印刷、烘干、燒結(jié)以及激光修調(diào)等技術(shù)，在陶瓷基板上制做厚膜互連線和厚膜電阻。

3.1.2 粘 接

將裸芯片用導(dǎo)電膠粘接到厚膜芯片上，按圖紙位置放置于粘結(jié)劑上。需要注意，粘結(jié)劑不能翻上管芯表面，不能對管芯造成任何污染。

3.1.3 鍵 合

金絲球焊或超聲壓焊將金絲或硅鋁絲鍵合到器件及厚膜導(dǎo)體上，實現(xiàn)電路互連。常用的壓焊金絲直徑為25 μm，硅鋁絲直徑為100 μm。

3.1.4 封 裝

封裝是通過平行縫焊技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的密封封裝，滿足GJB2438的要求。

3.1.5 篩 選

產(chǎn)品按照H級軍用厚膜混合集成電路的篩選工序，可有效剔除早期失效產(chǎn)品，并鑒別批產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 可靠性預(yù)計

根據(jù)GJB/Z 299C-2006《國家軍用標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》，對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行理論計算和預(yù)計，預(yù)計該產(chǎn)品平均故障間隔時間為2.36×105h。

4 研制過程

4.1 樣品研制情況

該產(chǎn)品的協(xié)議簽訂后，隨即進(jìn)行了方案設(shè)計、方案論證以及方案評審，并做了大量相關(guān)的基礎(chǔ)實驗。用戶及時提供了相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)要求和使用環(huán)境的詳細(xì)資料，并在相關(guān)技術(shù)如驅(qū)動負(fù)載、控制程序、電路工作外圍環(huán)境、體積要求等技術(shù)方面給予充分說明，積極配合，全力支持，推進(jìn)了研制進(jìn)度。3次向用戶提供產(chǎn)品樣品，分別解決了產(chǎn)品的啟動問題、大電流驅(qū)動問題以及熱功耗問題。最終，第3次樣品完全達(dá)到了協(xié)議的技術(shù)指標(biāo)，滿足了使用要求。

4.2 技術(shù)難點和解決

技術(shù)難點是啟動瞬間的大電流驅(qū)動問題。

4.2.1 問題發(fā)現(xiàn)

給客戶送去6只樣品，檢測加電時有一只損壞。開殼后測量發(fā)現(xiàn)，功率晶體管Q3、Q4損壞，損壞部位是Q3的be結(jié)、Q4的be結(jié)和ce結(jié)。問題所在驅(qū)動電路主功率回路如圖2所示。

4.2.2 分析及結(jié)論

Q3和Q4都是大功率管，IC電流最大可達(dá)到7 A。芯片組裝采取再流焊工藝，即將功率管的c極通過再流焊與基片上的焊盤相連，b極和e極通過壓焊連線和內(nèi)部厚膜導(dǎo)帶連接。通過100倍顯微鏡下觀察、分析，發(fā)現(xiàn)功率管Q4擊穿在先，隨后導(dǎo)致Q3損壞。損壞芯片顯微照如圖3所示。

主功率回路包括厚膜導(dǎo)帶、壓焊絲、功率管芯片和再流焊焊錫層4個環(huán)節(jié)。經(jīng)過分析和試驗，得到以下結(jié)論：（1）功率管芯片壓焊部位缺損性燒毀，說明試驗中電流很大，很可能達(dá)到功率管的極限電流；（2）主功率回路上，再流焊焊錫層等效電阻是關(guān)鍵因素，需要進(jìn)一步改進(jìn)。再流焊焊錫層應(yīng)均勻、薄而緊密且無氣隙，等效電阻（R＇）極小，否則VR壓降增大，導(dǎo)致大電流不再大部流過Q4，而是經(jīng)過處于飽和狀態(tài)的Q2的ce結(jié)到Q4的be結(jié)進(jìn)入Q4的發(fā)射極，使Q4的be結(jié)燒毀。Q3亦然。

圖2 主功率回路（R'為等效電阻 ）

圖3 100倍顯微鏡下?lián)p壞芯片顯微照（正反面）

4.2.3 解決措施

針對這個因素進(jìn)行工藝細(xì)節(jié)改進(jìn)，微調(diào)產(chǎn)品版圖，改進(jìn)并細(xì)化再流焊工藝，形成了無空隙再流焊工藝。產(chǎn)品中的大功率管發(fā)熱量大，必須保證再流焊焊錫層應(yīng)均勻、薄而緊密且無氣隙，因此需要X射線照相。內(nèi)部導(dǎo)帶、壓焊連線以及再流焊的電流容量達(dá)到7～10 A水平，確保了啟動和工作電流容量的要求。

5 產(chǎn)品的特點

驅(qū)動電路產(chǎn)品具有驅(qū)動能力強、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕和可靠性高等特點。產(chǎn)品采用厚膜混合集成工藝技術(shù)和微芯片鍵合互連組裝工藝，充分保證了芯片的原有可靠性參數(shù)，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

6 結(jié) 論

驅(qū)動電路產(chǎn)品經(jīng)過用戶檢測和試用，各項技術(shù)性能指標(biāo)滿足使用要求，目前已批量生產(chǎn)應(yīng)用。