二次集成的高壓驅動電路的研制

邢變麗

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

該驅動電路應用于某整機產品。整機系統中，驅動電路和與之配合的整機外圍電路、起轉線包一起驅動陀螺轉子，并使陀螺轉子在3 s內達到預定轉速。厚膜混合集成電路采用絲網印刷方法，把各種電子漿料通過漏印網板印刷在陶瓷基板上，經過燒結、阻值激光修調等工序，制成具有預定電性能的膜式厚膜芯板。電容采用貼焊組裝，半導體芯片采用專用工藝進行金絲鍵合微組裝，形成具有一定電路功能的混合集成電路，并按照GJB2438A-2002要求，嚴格進行一系列篩選試驗，使產品具有很高的穩定性和可靠性。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，需控制的主要參數有膜層質量、三維布線密度、膜式元件參數的離散性和可調整性、半導體芯片的一致性。設計中主要控制元件裝配密度、連接可靠性、電性能功能調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，在三極管管芯進行塑封的過程中，經過幾道加工工序，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品一致性、標準化批產的需求

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數量大，電連接焊點多，復雜程度高。它的電路調試需要操作到各個元器件及其具體參數。由于操作人員水平、責任、素質等影響，很難使元件級的參數達到較高的一致性和穩定性。厚膜電路采用統一工藝，全過程質量控制，大量專業標準設備進行加工組裝，電路工藝和參數一致性好、穩定性高。大量元件集成為一個標準器件，方便整機裝配、調試、維修和更換，提高了整機產品批產的一致性和標準化。

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，體積比內芯大得多。以三極管為例，半導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結構，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，電阻及導帶采用厚膜平面印刷燒結工藝，大幅度降低了產品體積和重量，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，處理不當易產生電磁干擾，也易受到其他電路的干擾。電路板的各個元件本身參數有異，且根據位置不同，功率元件各自獨立。功率工作元件發熱升溫，與非功率工作元件的溫差很大，易產生更大的參數不對稱。PCB板熱傳導性差，熱點孤立，往往形成發熱正反饋，發熱件越來越熱，直至燒毀，難以保障整個電路的熱穩定性。厚膜電路采用金屬封裝，熱穩定性好，具有更優的電磁兼容特性。

綜上所述，厚膜混合集成電路具有優越的安全性、穩定性和可靠性，是軍工單位提升整機產品質量、提高可靠性水平的有效措施。

2 產品描述和分析

主要的技術指標如下：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線包一起驅動陀螺轉子正常起轉，并且在3 s內使陀螺達到預定轉速[1]。電路原理圖如圖1所示。

驅動電路采用成熟的厚膜混合集成工藝技術，產品在軍標線上生產，生產線獲得QML認證；產品質量嚴格按GJB2438A-2002《混合集成電路通用規范》和《質量保證大綱》要求進行控制；產品采用雙列直插金屬外殼，平行縫焊封裝。根據功率電路及工藝要求考慮，引腳從底座兩側面引出；殼體材料使用可伐材料，封裝后可獲得優良的氣密性；殼體表面鍍鎳，增強對環境的適應能性；腔體式結構有助于防止組裝過程中對電路造成損傷。驅動電路在使用時可根據實際輸出功率外接適當的散熱器，確保產品工作時外殼最高溫度不超過105 ℃。如圖1所示，驅動電路的工作原理是VIN1和VIN2輸入反向調制方波，此時功率三極管Q3、Q4與Q7、Q8分別導通，OUT1、OUT2分別輸出相應的調制方波，驅動外圍負載工作。驅動電路的控制電路由兩部分組成。在版圖設計方面，為減少對兩部分電路的影響差異和散熱要求，產品平面布圖采用較為對稱的布圖方式。在熱分布設計上，通過大電流的區域采用導帶覆銅設計，降低熱損耗，提高可靠性[2]。

圖1 電路原理圖

3 產品工藝

3.1 主要工序簡述

3.1.1 成 膜

通過絲網印刷、烘干、燒結以及激光修調等技術，在陶瓷基板上制做厚膜互連線和厚膜電阻。

3.1.2 粘 接

將裸芯片用導電膠粘接到厚膜芯片上，按圖紙位置放置于粘結劑上。需要注意，粘結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體上，實現電路互連。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實現產品的密封封裝，滿足GJB2438的要求。

3.1.5 篩 選

產品按照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品，并鑒別批產品質量。

3.2 可靠性預計

根據GJB/Z 299C-2006《國家軍用標準電子設備可靠性預計手冊》，對產品的可靠性進行理論計算和預計，預計該產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

該產品的協議簽訂后，隨即進行了方案設計、方案論證以及方案評審，并做了大量相關的基礎實驗。用戶及時提供了相關技術細節要求和使用環境的詳細資料，并在相關技術如驅動負載、控制程序、電路工作外圍環境、體積要求等技術方面給予充分說明，積極配合，全力支持，推進了研制進度。3次向用戶提供產品樣品，分別解決了產品的啟動問題、大電流驅動問題以及熱功耗問題。最終，第3次樣品完全達到了協議的技術指標，滿足了使用要求。

4.2 技術難點和解決

技術難點是啟動瞬間的大電流驅動問題。

4.2.1 問題發現

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

4.2.2 分析及結論

Q3和Q4都是大功率管，IC電流最大可達到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部厚膜導帶連接。通過100倍顯微鏡下觀察、分析，發現功率管Q4擊穿在先，隨后導致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帶、壓焊絲、功率管芯片和再流焊焊錫層4個環節。經過分析和試驗，得到以下結論：（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鍵因素，需要進一步改進。再流焊焊錫層應均勻、薄而緊密且無氣隙，等效電阻（R＇）極小，否則VR壓降增大，導致大電流不再大部流過Q4，而是經過處于飽和狀態的Q2的ce結到Q4的be結進入Q4的發射極，使Q4的be結燒毀。Q3亦然。

圖2 主功率回路（R'為等效電阻 ）

圖3 100倍顯微鏡下損壞芯片顯微照（正反面）

4.2.3 解決措施

針對這個因素進行工藝細節改進，微調產品版圖，改進并細化再流焊工藝，形成了無空隙再流焊工藝。產品中的大功率管發熱量大，必須保證再流焊焊錫層應均勻、薄而緊密且無氣隙，因此需要X射線照相。內部導帶、壓焊連線以及再流焊的電流容量達到7～10 A水平，確保了啟動和工作電流容量的要求。

5 產品的特點

驅動電路產品具有驅動能力強、響應速度快、體積小、重量輕和可靠性高等特點。產品采用厚膜混合集成工藝技術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，達到了國內領先水平。

6 結 論

驅動電路產品經過用戶檢測和試用，各項技術性能指標滿足使用要求，目前已批量生產應用。