設計人員在不影響熟練程度的情況下安裝印刷電路板 (PCB) 的噩夢推出了英飛凌科技公司 International Rectifier HiRel Products (IR HiRel) 的一款新產品。解決方案是將十四個新的 QPL 認證、抗輻射（rad-hard） SupIR-SMD MOSFET，安裝在直接到 PCB 的 PCB 安裝封裝中。SupIR-SMD 是用于從衛星到航天器等各種任務的高性能空間電源系統的解決方案。

將表面貼裝元件 (SMD) 固定到印刷電路板 (PCB) 對許多設計人員來說是一個挑戰，尤其是那些處理空間問題的設計人員。很多時候，不同的熱系數會導致所用材料的膨脹錯位，從而導致效率損失。“太空應用需要高可靠性的電力電子設備，能夠在最惡劣的環境中達到規范要求。它們必須能夠承受嚴酷的熱、機械和輻射條件，預期壽命為 15 年或更長。SupIR-SMD 是一種出色的熱膨脹和熱傳遞封裝解決方案，”IR HiRel 營銷總監 Andrew Popp 說。

空間環境用PCB

空間環境中的 PCB 必須滿足預期的功能并提供持續的性能，同時還要確保在通信衛星、遙感衛星、導航衛星和其他行星衛星等大氣中的高可靠性。航天應用中使用的電子元件主要受到空間輻射的影響，稱為單事件效應或 SEE，由地球磁場中的電子和質子引起。

航天級PCB在航天發射過程中會受到沖擊和壓力，必須確保在空間輻射和真空條件下運行的能力。真空條件使 PCB 難以散熱；如果處理不當，它們可能會出現裂紋和焊點問題。

太空硬件最重要的因素是可靠性，因為除非在某些極端情況下，否則不可能修復它。PCB 設計可以對航天器的可靠性產生直接影響。

衛星和航天器航空電子設備越來越多地?將高功率與射頻傳輸結合起來。所有這些功能都定義了對 PCB 的設計、布局和構造的獨特要求，還定義了為此目的選擇合適的介電材料、堆疊中的層數、布線、軌道幾何形狀和接地。如今，電子系統需要高水平的性能。從高速數字電路到射頻功率放大器和大功率 LED 模塊，在所有這些領域中，材料的選擇是設計人員減少與散熱和電磁干擾相關的可能問題的重要目標。

優質材料的選擇通常是成本和性能之間的折衷。

需要考慮的一些參數是信號完整性、抗噪性和散熱。

介電常數是許多 PCB 材料選擇過程的起點，也是熱膨脹系數 (CTE) 和耗散因數的起點。

良好的信號完整性還可以評估一些因素，例如電磁兼容性要求和 EMI、電磁干擾要求。材料的選擇確保了一個完美的解決方案，可以限制串擾噪聲，同時限制可能影響系統功能的損失。

CTE 顯示了 PCB 材料在加熱后膨脹的速度。CTE 是一種表示材料在溫度變化期間體積變化量的方法，以每攝氏度百萬分之幾表示。大多數基板具有比銅更高的 CTE。當 PCB 溫度升高時，會導致互連問題。

新包

PCB 和密封表面貼裝之間的熱膨脹系數 (CTE) 未對準帶來了兩個基本挑戰。在接口處保持可靠的焊點并保持密封功率 MOSFET 的密封完整性至關重要。即使是很小的 CTE 失配也會導致熱應力引起的界面斷裂。

材料隨溫度膨脹的特性是眾所周知的。它出現在所有三 (3) 個維度中。這種膨脹會產生同樣的張力，會導致裝配問題。由于溫度變化而引起的材料長度變化由下式定義：?

在哪里：

l 是材料長度，?

α 是線性膨脹系數，單位為 10-6 /K（或 ppm/K），并且

ΔT 是以開氏度為單位的溫度變化。?

因此，對于 100 ppm/K 的 α，材料長度將發生 0.01% 的變化。即使很小的偏差也會引起應力和變形（表 1）。

表 1：分析中使用的材料特性（來源：英飛凌）

IR HiRel 設備存儲在密封包裝中，主要由金屬和陶瓷組合制成。陶瓷的 CTE 約為六 (6) ppm/K，大多數 PCB 的 CTE 范圍為 13-14 ppm/K（FR-4 板）或 17-18 ppm/K（聚酰亞胺板）。這種大錯位帶來了重大的設計挑戰，例如焊接疲勞和封裝應力。金屬具有延展性，而陶瓷則易碎。如果承受高強度的應力，金屬會承受很大的應變而不會破裂，而陶瓷則會破裂。這種“成敗”，陶瓷的一種特性，給密封封裝的設計增加了另一個挑戰。

多年來，當表面貼裝功率器件直接安裝在 PCB 上時，陶瓷開裂一直是一個問題。?

設計人員目前正在使用各種配置，將電源封裝倒置并使用電纜連接到 PCB。這種配置不僅可以最佳地散熱，而且還降低了 MOSFET 的容量。

相比之下，SupIR-SMD 可以直接連接到 PCB，提供更直接的傳熱路徑。“與空間應用中使用的典型封裝解決方案相比，SupIR-SMD 的占地面積減少了 37%，質量減輕了 34%，電流容量增加了 33%，”安德魯說。

他繼續說道，“一些好處可能如下：逐漸從陶瓷到 PCB 的 CTE 變化，減少巨大的 CTE 失配帶來的壓力；通過安裝模具的零件底部的更直接的熱路徑。

為解決電源封裝與印刷電路板之間大量 CTE 錯位導致的開裂問題，最大限度地降低熱阻和電阻，IR HiRel 采用了如圖 2 所示的多級設計。或更大的 SMD 的載體是一個不雅和次優的解決方案，現在 SupIR-SMD 解決了這個問題，”安德魯說。?

圖 1：用于解決組裝熱膨脹問題的 SMD 引線連接選項（來源：IR HiRel）

圖 2：SupIR-SMD，一種新的設計概念（剖視圖顯示內部芯片和引線鍵合）（來源：IR HiRel）

在該設計中，基體有兩層，連接陶瓷體的層具有與陶瓷CTE匹配的CTE，連接印刷電路板的涂層在第一層和印刷電路板之間具有CTE值。通過這種方式，CTE 逐漸從陶瓷變為 PCB，從而減少了巨大的 CTE 錯位帶來的應力。??

SupIR-SMD 封裝符合 MIL-PRF-19500 的 JANS 標準。JANS 是最嚴格的篩選和驗收要求，可確保用于太空飛行的分立半導體的性能、質量和可靠性。根據適用于空間應用的合格產品清單 (QPL)，新的抗輻射 MOSFET 也通過了 QPL 認證。抗輻射 MOSFET 的共享應用包括衛星總線配電系統、航天級 DC-DC 轉換器和其他高速開關設計。

圖 3：SupIR-SMD 封裝

審核編輯 黃昊宇

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