0 引言

    热分析与计算是电子产品可靠性设计中一个非常重要的方面，合理确定电子产品的温度分布及准确的温度计算对于提高电子产品的可靠性至关重要。据统计，温度过高引起的电子产品失效率高达55%^[1]。

    厚膜即厚膜混合集成电路，是以丝网印制工艺为基础，在绝缘基片上印制各种无源元件、互联线和焊区，并采用适宜的组装技术，装上半导体有源器件和有特殊要求的无源元件所组成的具有一定功能的电路^[2]。宇航固态功率控制器（Solid State Power Controller，SSPC）是集继电器的转换功能和熔断器的电路保护功能于一体的功率开关器件，是航天器配电系统中控制负载通断的核心器件。由于其具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点而广泛应用到航天、航空等领域的电子产品中。

    宇航厚膜SSPC的主要功能是通过SSPC内部的控制电路对MOS管的开通和关断的控制以实现对电源到负载的开通与关断的控制。本文以北京卫星制造厂研制的某型宇航厚膜SSPC为研究对象，简述了产品的工作原理、产品的热设计、产品热阻的理论计算；同时为了验证产品在负载异常的情况下，产品工作的可靠性与稳定性，分别识别出了“负载短路时开通”、“容性负载开通”、“开通后负载短路”3种极端瞬态工况；为研究这样的极端瞬态工况，以瞬态的热仿真为基础，分析出MOS管的瞬态温度变化曲线和温度变化趋势，提取了MOS芯片在瞬态工况下达到的最高温度及相关的热态特性，据此优化产品的设计，提高产品使用的可靠性，同时为产品的可靠性设计提供重要的数据支撑。

1 热设计在宇航厚膜SSPC可靠性设计中的应用研究

    产品应根据其工作特点进行合理有效的热设计，既要保证稳态工作时在正常工作温度范围内所有元器件使用安全，又要保证承受瞬态很大功耗时元器件不出现异常。

1.1 宇航厚膜SSPC的热设计

    宇航厚膜SSPC内部根据热耗、功能需求采用了区分功能电路设计：控制电路部分与功率电路部分，如图1所示。

    宇航厚膜SSPC内部采用区分基板设计，通过基板与DBC覆铜基板相结合的方式用以解决控制电路部分、功率电路部分不同的散热需求，DBC覆铜基板导热快、散热效果好，非常适用于大功率电路散热。

    宇航厚膜SSPC壳体与基板采用导热耦合设计: 基板与壳体之间为焊料焊接，基板为网格结构，焊料点入基板的网格内，焊接过程中焊料呈流熔状态，挤出基板与壳体之间的空气体，保证基板与壳体的紧密接触，提高基板与壳体的导热耦合性。

    宇航厚膜SSPC内部MOS与基板通过合理的工艺控制措施将焊接气泡率控制到小于10%，能有效减小热阻，提高散热性能。

1.2 宇航厚膜SSPC结壳热阻理论计算

    厚膜SSPC中元器件产生的热量主要靠热传导方式向外壳传递，热量传到外壳后以少量热辐照向周围环境传递热量。在热量流进截面较大的部位时，会产生热扩散现象^[3]，从图2中可以看出，热量是沿着热流线方向即与器件垂直方向成α扩展角方向向外扩展。

    厚膜SSPC内部芯片到外壳间有MOS芯片、焊料、铜层、基板、焊料、壳体，所以总热阻等于元器件与封装壳之间散热途径中每种材料热阻的总和。

    热阻计算方程即热扩展方程如下^[4]：

式中，Q为热阻，单位℃/W；S是x的函数且等于在任何截面上热垂直通过的面积，单位m²；K为导热系数，单位W/(m·℃)。

    描述热扩展的方程非常复杂，一个简化的假定是热以45°角的方向扩展，即扩展角α为45°；由于厚膜SSPC中的功率MOS芯片是一个类似于方形的芯片，即图3中a＝b；由于扩展角假设为45°，则式(1)可简化为：

式中，x为各层材料厚度，a为发热器件的边长。

    利用式(3)可计算厚膜SSPC内部功率MOS芯片到壳体各层材料热阻，如表1。

2 瞬态热仿真分析在宇航厚膜SSPC可靠性设计中的应用研究

2.1 产品的瞬态工况及热耗

    厚膜SSPC内部使用功率MOSFET实现开关控制功能；内部电路按原理可划分为控制电路部分和功率电路部分。控制电路包括MOS驱动、过流保护、状态检测、辅助电源等功能电路，功耗与厚膜SSPC工作状态无关；功率电路主要包括功率MOS和功率电阻，功耗与厚膜SSPC工作状态相关。

    (1)控制电路部分

    控制电路部分的发热器件及散热措施见表2。

    (2)功率电路部分

    厚膜SSPC长期工作状态为开通状态或者关断状态，开通过程、关断过程、过流保护过程为瞬态工作状态。开通状态下，功率MOS完全导通，按额定电流核算实际功耗；关断状态下，功率MOS截止，漏电流小于10 ?滋A，不考虑功耗；瞬态工作状态中“开通后负载短路”、“最大负载电容能力开通”工况下MOS功耗最大。

    功率电路稳态功耗统计如表3所示，其中MOS功耗按125 ℃导通阻抗核算。

    负载短路时开通、容性负载开通、开通后负载短路时功率电路部分中的开通功率MOS承受较大功耗，按照厚膜SSPC应用母线电压最大值120 V时实测MOS承受的电压和电流波形，核算瞬态热耗如图4所示。

2.2 热仿真分析模型

    热仿真分析建立热仿真模型的基本原则为：

    (1)用一个金属块或热源来模拟整个元器件^[5]；

    (2)基板上功耗大、温度梯度大的地方，节点划分应加处理密；

    (3)热功耗大于100 mW的元器件单独划分节点；

    (4)不大于100 mW的元器件不单独划分节点，热功耗均匀分布到基板上。

    热模型的网格划分时采用嵌入式网格，在重要及温度梯度大的部位进行局部网格加密^[6]，如图5所示。

    根据基板在热传导中具有的各向异性的特点，其中K_n为沿基板表面垂直方向的热传导率，K_p为沿基板表面平行方向的热传导率^[7]，如图6所示。

2.3 瞬态热仿真分析

2.3.1 负载短路开通瞬态工况

    负载短路开通前厚膜SSPC为关断状态，即MOS初始时刻功耗为0 W。

    MOS与基板焊接面会残留气泡，影响散热，实际工艺控制焊接气泡率小于10%，热仿真分析时考虑焊接气泡率10%情况展开热仿真分析。

    由负载短路开通瞬态工况的特点及功率MOS变化曲线，拟合出热仿真输入曲线，如图7所示；提取了此种瞬态工况下功率MOS温度变化曲线，如图8所示；提取了此种瞬态工况下功率MOS在各时间步内整机的温度分布，如图9所示。

    从各时间步上温度分布云图演变和功率器件温度变化曲线来看，功率MOS在1.5 ms左右由125 ℃上升至135.8 ℃左右，温升为10.8 ℃左右，由于功率MOS芯片的许用最高温度为150 ℃，说明在此种瞬态工况下功率MOS使用安全。

2.3.2 容性负载开通瞬态工况

    容性负载开通前厚膜SSPC为关断状态，即MOS初始时刻功耗为0 W。

    MOS与基板焊接面会残留气泡，影响散热，实际工艺控制焊接气泡率小于10%，热仿真分析时考虑焊接气泡率10%情况展开热仿真分析。

    由容性负载开通瞬态工况的特点及功率MOS变化曲线，拟合出热仿真输入曲线，如图10所示；提取了此种瞬态工况下功率MOS温度变化曲线，如图11所示；提取了此种瞬态工况下功率MOS在各时间步内整机的温度分布，如图12所示。

    从各时间步上温度分布云图演变和功率器件温度变化曲线来看，功率MOS在3 ms左右由125 ℃上升至142.8 ℃左右，温升为17.8 ℃左右，由于功率MOS芯片的许用最高温度为150 ℃，说明在此种瞬态工况下功率MOS使用安全。

2.3.3 开通后负载短路瞬态工况

    开通后负载短路前厚膜SSPC为开通状态，即MOS初始时刻功耗为0.65 W。

    MOS与基板焊接面会残留气泡，影响散热，实际工艺控制焊接气泡率小于10%，热仿真分析时考虑焊接气泡率10%情况展开热仿真分析。

    由开通后负载短路瞬态工况的特点及功率MOS变化曲线，拟合出热仿真输入曲线，如图13所示；提取了此种瞬态工况下功率MOS温度变化曲线，如图14所示；提取了此种瞬态工况下功率MOS在各时间步内整机的温度分布，如图15所示。

    从各时间步上温度分布云图演变和功率器件温度变化曲线来看，功率MOS在90.03 ms左右由125 ℃上升至129.8 ℃左右，温升为4.8 ℃左右，由于功率MOS芯片的许用最高温度为150 ℃，说明在此种瞬态工况下功率MOS使用安全。

3 结论

    本文对厚膜SSPC进行合理的热设计，提高了产品的可靠性指标；同时进行了瞬态的热仿真分析，阐述了产品的热态特性，分析了产品对各种复杂瞬态工况使用的适应性，优化产品设计，拓宽产品使用适应界限，验证了产品在在多种复杂瞬态工况下使用的可靠性。

参考文献

[1] 于慈远.计算机辅助电子设备热分析热设计及热测量技术的研究[D].北京：北京航空航天大学，2000.

[2] 孔宪祺．防空导弹弹载电子设备的结构设计及集成工艺[M]．北京：宇航出版社，2000.

[3] 王长龙．航天器电子产品可靠性设计概述[Z]．航天五院可靠性工程培训，2005.

[4] LICARI J J，ENLOW L R．混合微电路技术手册-材料、工艺、设计、试验和生产(第2版)[M]．朱瑞廉，译．北京：电子工业出版社，2004.

[5] VISWANATH R，ALI I A.Thermal modeling of high performance packages in portable computers[J].IEEE Transactions on Components，Packing，and Manufacturing Technology，1997，20(2)：230-240.

[6] 刘勇，梁利华，曲建民．微电子器件及封装的建模与仿真[M]．北京：科学出版社，2010.

[7] D·皮茨，L·西索姆．传热学[M]．葛新石，译．北京：科学出版社，2002.

作者信息:

张  宇1，郭  坤2

(1.北京卫星制造厂，北京100080；2.北京市空间电源变换与控制工程研究中心，北京100080)