【原】封装|IR推出SupIR-SMD，解决辐射环境应用中SMD封装与PCB温度失配带来的挑战

大国重器元器件 2020-09-11

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将表面贴装元器件（SMD封装）固定到PCB上是一个挑战。通常情况下，不同的热系数会导致所用材料的膨胀错位，从而导致效率损失。对于面向太空的电子产品来说，这个问题可能尤为严重。

IR HiRel的SupIR-SMD解决方案

隶属英飞凌科技公司的IR HiRel公司推出14款经QPL认证、具备抗辐射能力的新型SupIR-SMDMOSFET，采用“直接到PCB”（direct-to-PCB）的封装技术，解决了该问题。SupIR-SMD是用于从卫星到航天器等任务中的高性能空间电源系统的解决方案。

IR HiRel营销总监Andrew Popp说：“太空应用需要高可靠性功率电子器件，在最恶劣的环境中按规格执行功能，必须能够承受严酷的热、机械和辐射条件，预期寿命达到15年或更长。SupIR-SMD是一种卓越的热膨胀和热传导封装解决方案。”

空间用PCB面对挑战

对于航天硬件来说，最重要的因素是可靠性，因为除了极端情况，不可能对其进行维修。PCB设计会直接影响航天器的可靠性空间用PCB必须在通信卫星、遥感卫星、导航卫星和其他行星卫星中提供持续的性能和高可靠性。

空间应用环境对电子器件不利，会受到空间辐射影响。宇航级PCB在太空飞行发射过程中还会受到冲击和压力。真空也是一个问题，使PCB难以散热；如果处理不当，可能会出现裂缝和焊点问题。

卫星和航天器的航空电子设备越来越多地将大功率与射频传输结合起来。所有这些功能都对PCB的设计、布局和结构提出独特要求，同时也对选择合适的电介质材料、堆叠层数、布线、布局几何和接地提出了独特的要求。

现在的电子系统对性能要求很高，从高速数字电路开始，一直到射频功率放大器和大功率LED模块，在所有这些领域中，材料的选择无疑是设计者的严肃目标，以减少可能出现的散热和电磁干扰相关问题。

好材料的选择一般是在成本和性能之间进行折中。需要考虑的参数有信号完整性、抗噪性和散热性。介电常数、热膨胀系数（CTE）和耗散系数是许多PCB材料选择过程的出发点。

良好的信号完整性还可以评估电磁兼容要求和EMI、电磁干扰要求等一系列因素。材料的选择保证了完美的解决方案，限制了串扰噪声，同时也限制了可能影响系统功能的损耗。

CTE显示的是PCB材料加热后的膨胀速度。CTE是表示材料在温度变化过程中体积变化量的一种方法，用每百万分之一摄氏度表示。大多数基材的CTE比铜高。当PCB温度升高时，会造成互连问题。

新封装技术优势

PCB和密封表面贴装之间的热膨胀系数（CTE）不匹配带来了两个根本性的挑战：保持接口处可靠的焊点和保持密封功率MOSFET的密封完整性。即使是微小的CTE不匹配也会导致热应力引起的界面断裂。

材料随温度膨胀的特性是众所周知的，在所有3个维度上均会发生。这种膨胀会产生同样的张力，从而导致装配问题。由温度变化引起的材料长度变化由公式定义：

其中l是材料长度，α是线性膨胀系数，单位是10^-6/K（或ppm/K），ΔT是温度变化，单位是开尔文度。因此，对于100 ppm/K的α，材料的长度将有0.01%的变化。即使是微小的偏差也会引起应力和变形（表1）。

表1：分析中使用的材料特性

IR HiRel器件采用密闭封装，主要由金属和陶瓷组合而成。陶瓷的CTE约为6 ppm/K，而大多数PCB的CTE在上述13-14 ppm/K（FR-4板）或17-18 ppm/K（聚酰亚胺板）的范围内。大的失配给设计带来了很大的挑战，如焊接疲劳和封装应力。金属具有延展性，而陶瓷具有脆性。如果承受高水平的应力，金属可以经历巨大的应变而不破裂，而陶瓷则会开裂。陶瓷的这种“不成则败”（make-or-break）的特性给气密包装的设计增加了另一个挑战。多年来，当表面贴装功率器件直接安装在PCB上时，陶瓷开裂一直是一个问题。

目前，设计人员正在对功率封装使用各种配置，功率封装是倒置并使用电缆连接到PCB上。这种配置不仅散热效果不理想，还降低了MOSFET的容量。

相比之下，SupIR-SMD能够直接连接到PCB上，提供更直接的热传导热路径。Andrew说：“与空间应用中使用的典型封装方案相比，SupIR-SMD的占用面积减少了37%，质量减轻了34%，电流能力提高了33%。一些好处可以是：从陶瓷到PCB的CTE逐渐变化，减少了大的CTE不匹配带来的应力；更直接的热路径是穿过安装芯片的底部。”

为了解决功率封装与印制电路板之间CTE较大失配造成的开裂问题，同时也最大限度地降低热阻和电阻，IR HiRel采用了如图2所示的多层设计。Andrew说：“以前在较大SMD上增加带状引线或载流子的方法是一种次优解决方案，现在SupIR-SMD解决了这个问题。”