工程师详解如何估计电源管理IC连接线载流能力

在电源管理IC等具备大DC电流的器件中，会使用大量导线来传导这种电流。这些额外的导线有助于改善DC压降性能，并降低由大电流及其产生的有关热量(焦耳生热现象)导致的导线熔断或融化风险。不幸的是，就给定应用而言，还没有一种能用来估计导线数量和尺寸的方法或分析方法。所使用的导线数量或者太多，增加了芯片面积和成本，或者太少，导致可靠性风险和器件失灵。

本文探讨一种方法，用来估计不同尺寸和类型的导线处理DC电流的能力。本文还提供一些指导原则，将有助于产品设计师估计特定的应用所需的最佳导线数量。

应用描述和建模

在由导线连接的典型封装中，芯片上焊盘，这些焊盘用导线连接到封装引线，导线主要是黄金或铜质的。图1显示了一种典型的封装构造。

图1具备重要温度监视点的PCB上的封装

商业应用将最高环境温度限制为不超过70℃，而工业应用则将该温度限定为85℃。大多数应用规定，芯片的最高节温为125℃，而有些应用则规定该温度为150℃。

为了估计在最坏情况下导线的载流能力，该模型假定，最高芯片节温为125℃时的环境温度为工业环境温度。自然对流边界条件适用于封装表面，这时封装引线温度为100℃。

小量电流流经导线时，不改变整条导线的温度曲线，导线两端仍然保持相同的原始温度。随着电流的稳步增大，最高温度不再是芯片节温，而是导线中间某处的温度。

在模塑化合物的玻璃化转变温度(Tg)上，材料从硬的、相对较脆的状态转变为软的、类似橡胶的状态，这时典型温度大约为150℃。如果流经导线的电流使模塑化合物的温度超过其Tg温度，那么时间和温度将使这条连接线上的环氧树脂材料的化学键劣化。这不仅导致模塑化合物的热阻增大，而且增大了材料的渗透性，使材料容易侵入潮气和其他离子污染物。因此，在计算导线的载流能力时，假定150℃的导线-模塑化合物连接线温度为上限温度。

以此为标准，来分析导线材料的类型、导线长度和导线直径的影响，并将分析数据与理论上的估计值进行比较。

图2显示了采用3种方法计算出的1mm长黄金导线的载流能力。利用FEM方法所得的电流值在开始时，与利用修改过的普里斯方程计算出的电流值相同，不过随着导线直径增大，两条电流曲线出现了偏离。

图2 用FEM方法和修改过的普里斯方程计算出的1mm长黄金导线的载流能力

图3显示了用FEM方法计算出的1mm长黄金导线及铜导线的载流能力。正如所预期的那样，与黄金导线相比，铜导线能传送更大的电流。

图3 用FEM方法算出的1mm长黄金及铜导线的载流能力

图4显示用FEM方法计算出的3种不同长度黄金导线的载流能力。正如所预期的那样，随着长度增加，导线传送电流的能力下降了。

图4 用FEM方法计算出的3种不同长度黄金导线的载流能力

表1总结了不同导线组合的电流值(单位：安培)。

表1 不同导线组合的电流值(单位：安培)总结

总之，本文针对实际应用环境，阐明了导线材料类型、导线长度和导线直径对导线载流能力的影响。本文还探讨了用常规方法估计载流能力产生的限制。