汽車(chē)信息娛樂(lè)集群系統(tǒng)的可靠性和引腳排列

僅根據(jù)數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容為您的設(shè)計(jì)選擇IC是不夠的。您將需要選擇正確的包裝，并注意最終系統(tǒng)的制造和組裝需求。以下是出色的教程，著重強(qiáng)調(diào)了總體架構(gòu)設(shè)計(jì)考慮因素中的這一重要部分。

—史蒂夫·塔拉諾維奇（Steve Taranovich）

新穎的DC / DC電源管理集成電路（IC）封裝技術(shù)[1]不僅可以改善電源電路的噪聲和發(fā)射性能[2]，而且可以提高可靠性并延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命，這在高性能汽車(chē)設(shè)備系統(tǒng)中尤為重要。無(wú)論是單獨(dú)使用還是一起使用，幾個(gè)IC封裝屬性[6-10]都可以提高可靠性，包括引腳排列，可潤(rùn)濕的側(cè)面引腳，引腳間隙和板級(jí)可靠性。在本文中，我將特別關(guān)注可靠性和引腳排列。

圖1給出了汽車(chē)混合動(dòng)力集群應(yīng)用[3-5]的系統(tǒng)框圖，其中電池外配電網(wǎng)絡(luò)以紅色突出顯示?？紤]到支持復(fù)雜且可重新配置的內(nèi)容（包括來(lái)自各種來(lái)源的媒體選擇，3D導(dǎo)航，駕駛員監(jiān)視系統(tǒng)，前后視攝像頭以及來(lái)自信息娛樂(lè)主機(jī)的內(nèi)容）的授權(quán)，這些系統(tǒng)的負(fù)載電流要求趨于更高。與眾多高清顯示器無(wú)縫融合。考慮到安全性的重要性，在這種汽車(chē)環(huán)境中，可靠性至為重要，尤其是在向自動(dòng)駕駛系統(tǒng)迅速演進(jìn)的背景下。

圖1具有信息圖形支持的基于微控制器的混合集群的系統(tǒng)框圖

圖2顯示了雙輸出降壓穩(wěn)壓器[11]的原理圖，其采用了德州儀器（TI）LM5143-Q1，這是一種汽車(chē)級(jí)寬VIN降壓控制器，用于電池外電源子系統(tǒng)，以將電池電壓轉(zhuǎn)換為集群使用的各種電壓域。

圖2雙路輸出同步降壓控制器和功率級(jí)原理圖

降壓調(diào)節(jié)器輸出提供3.3V和5V中壓軌，為集群電源子系統(tǒng)中的其他下游電源供電。電池外的汽車(chē)環(huán)境尤其具有挑戰(zhàn)性，其瞬態(tài)電壓嚴(yán)重，工作溫度波動(dòng)較大。

IC引腳定義和布置

通常，電源管理IC引腳分配的目標(biāo)是避免高阻抗信號(hào)引腳靠近高壓電源引腳，以高頻率和高轉(zhuǎn)換速率電壓（dv / dt）進(jìn)行開(kāi)關(guān)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅可以減少噪聲耦合，還可以減少由殘留焊劑引起的寄生電阻和電容路徑的影響，以及印刷電路板（PCB）制造過(guò)程中產(chǎn)生的污染物。在高環(huán)境溫度和高濕度的工作條件下，與PCB污染物有關(guān)的問(wèn)題可能更明顯。

通過(guò)仔細(xì)的引腳分配，在高壓電源引腳和低壓精密模擬信號(hào)引腳之間建立明顯的分隔對(duì)于高壓汽車(chē)應(yīng)用尤為重要。例如，在瞬態(tài)負(fù)載突降事件中，12V汽車(chē)電池供電軌產(chǎn)生的電壓偏差超過(guò)40V。

如圖3所示，該控制器具有針對(duì)每個(gè)降壓調(diào)節(jié)器通道的對(duì)稱(chēng)引腳結(jié)構(gòu)。與功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器（LO1 / 2，HO1 / 2）相關(guān)的引腳位于封裝的一側(cè)，靠近MOSFET的放置位置。這些柵極驅(qū)動(dòng)器引腳與負(fù)責(zé)控制和補(bǔ)償?shù)男⌒盘?hào)模擬引腳（SS1 / 2，F(xiàn)B1 / 2，COMP1 / 2，CS1 / 2）在物理上隔離。電源引腳組被相鄰的具有數(shù)字功能（PG1 / 2）或施加了直流電壓（VIN，VCCX）的引腳與關(guān)鍵信號(hào)引腳隔離。

圖3雙通道降壓控制器引腳排列圖

特別是，高壓開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW1 / 2）和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器電源自舉（HB1 / 2）引腳的位置減輕了耦合到相鄰敏感節(jié)點(diǎn)的可能性，無(wú)法以高壓擺率和高頻進(jìn)行開(kāi)關(guān)。每個(gè)通道的專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)器電源（VCC）和接地（PGND）引腳減少了通道串?dāng)_和干擾的可能性，從而最大限度地提高了魯棒性和可靠性，特別是當(dāng)兩個(gè)通道異相交錯(cuò)180度時(shí)，在占空比為50％的情況下尤其如此。

可潤(rùn)濕的后齒

通過(guò)典型的四方扁平無(wú)引線（QFN）和小尺寸無(wú)引線（SON）封裝組裝操作，單個(gè)IC的封裝主體通過(guò)鋸切操作被切單，從而為每個(gè)終端留有裸露的銅側(cè)壁。這些側(cè)壁的氧化幾乎在暴露于環(huán)境條件時(shí)立即發(fā)生。當(dāng)將IC焊接到PCB上時(shí)，這些側(cè)壁的焊接不一致，從而限制了光學(xué)或X射線檢查以評(píng)估焊接過(guò)程的有效性的適用性。

可潤(rùn)濕的側(cè)面引腳設(shè)計(jì)[6-9]解決了無(wú)鉛包裝的側(cè)鉛潤(rùn)濕問(wèn)題?？蓾?rùn)濕側(cè)翼銷(xiāo)的主要目的是在外部側(cè)翼區(qū)域上提供可焊性的可視指示器。在穩(wěn)固的可濕性切單邊緣的存在下，焊點(diǎn)的穩(wěn)固性也會(huì)提高。

在PCB組裝過(guò)程中，焊點(diǎn)從焊盤(pán)的底側(cè)向上延伸到側(cè)壁，從而在IC引腳和PCB焊盤(pán)之間形成了增強(qiáng)的腳趾圓角（在參考文獻(xiàn)12的圖1中可以看到腳趾圓角的寬度C）。 。組裝后的自動(dòng)光學(xué)檢查（AOI）可以評(píng)估設(shè)備各個(gè)側(cè)面上可靠的焊點(diǎn)的存在，從而減少檢查時(shí)間和制造成本，并且不需要昂貴的X射線檢查設(shè)備。

圖4顯示了在封裝組裝，模制和固化過(guò)程之后通過(guò)應(yīng)用部分鋸切操作在銅端子處建立的具有小臺(tái)階特征的可潤(rùn)濕側(cè)面QFN的圖[9]。分割前的最后一步是在裸露的銅端子上鍍上可焊接的錫表面，以利于在回流焊錫連接過(guò)程中潤(rùn)濕焊錫。結(jié)果是IC封裝和PCB之間形成了完整的焊接點(diǎn)，該焊接點(diǎn)滿(mǎn)足了汽車(chē)制造商為滿(mǎn)足對(duì)高可靠性，安全性和魯棒性的要求而嚴(yán)格的100％AOI要求。

圖4：采用階梯切割工藝的可潤(rùn)濕側(cè)面QFN封裝的側(cè)視圖（a）和底部（b）。側(cè)面（c）和傾斜（d）的可潤(rùn)濕側(cè)面焊針的側(cè)面圖，其光學(xué)檢查可靠，焊接點(diǎn)[7]

對(duì)于更大的QFN封裝，其引腳數(shù)量更多或引線框架厚度更大（大于0.2 mm），另一種可濕潤(rùn)的側(cè)面形成方法是使用帶有空心凹槽的引線框架，從而產(chǎn)生開(kāi)槽的引腳。在對(duì)銅引線框架陣列進(jìn)行化學(xué)蝕刻或壓印工藝之后，第二化學(xué)蝕刻工藝形成了淺凹的凹陷或“凹痕”，在最終的切單操作中，鍍層保持完整[9]。通常由引線框供應(yīng)商在凹坑上鍍鎳-鈀-金以及底部焊盤(pán)。在被蝕刻的凹坑中心的兩個(gè)相鄰封裝之間的一點(diǎn)上完成器件的分離。

例如，考慮LM5143-Q1降壓控制器。圖5顯示了該器件的40引腳VQFN封裝圖。細(xì)節(jié)A和細(xì)節(jié)B的放大圖顯示了引腳上的凹痕，這些凹痕有助于在回流焊之后進(jìn)行光學(xué)檢查。圖6展示了此開(kāi)槽引腳功能的側(cè)視圖和仰視圖。

圖6是具有可浸入式側(cè)面引腳的QFN封裝的側(cè)視圖和仰視圖，該引腳采用電鍍的凹痕引線框架設(shè)計(jì)。

為了基于對(duì)腳趾圓角的檢測(cè)正確評(píng)估銷(xiāo)的潤(rùn)濕性，銷(xiāo)的側(cè)面和銷(xiāo)的底部都必須在一個(gè)電鍍步驟中沉積相同類(lèi)型的電鍍。然后，檢測(cè)到腳趾圓角可自動(dòng)確認(rèn)在針腳下方已發(fā)生潤(rùn)濕。

創(chuàng)新的DC / DC電源管理IC封裝技術(shù)可以在幫助從事大批量汽車(chē)應(yīng)用的設(shè)計(jì)工程師滿(mǎn)足對(duì)高可靠性，安全性和魯棒性的要求并通過(guò)強(qiáng)制性的裝配后光學(xué)檢查方面發(fā)揮重大作用。盡管標(biāo)準(zhǔn)QFN封裝通常不提供可在生產(chǎn)流程中輕松檢查的可焊接引腳，但采用階梯切割或開(kāi)槽引腳技術(shù)的可濕潤(rùn)側(cè)面引腳設(shè)計(jì)可使焊料形成可靠的腳趾圓角，可通過(guò)光學(xué)檢查方便地對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。此外，通過(guò)戰(zhàn)略性地定義IC引腳排列以將電源與敏感模擬部分分開(kāi)，可為高性能汽車(chē)應(yīng)用提供更魯棒和可靠的電池外電源設(shè)計(jì)。

Timothy Hegarty是德州儀器（TI）電源產(chǎn)品解決方案部門(mén)的系統(tǒng)和應(yīng)用工程師。

參考

• “設(shè)計(jì)包裝革命”視頻，德州儀器（Texas Instruments）。
• “DC-DC轉(zhuǎn)換器中EMI的工程師指南，” Timothy Hegarty，how2power.com EMI指南
• 汽車(chē)儀表板應(yīng)用，德州儀器（TI）參考設(shè)計(jì)。
• “徹底改變汽車(chē)駕駛艙”，Cyril Clocher，德州儀器，2017年6月。
• “為汽車(chē)顯示屏提供動(dòng)力，以創(chuàng)造交互式駕駛體驗(yàn)，” Arthi Krishnamurthy等人，德州儀器，2018年1月。
• “IC封裝特性可提高汽車(chē)和通信設(shè)備系統(tǒng)的可靠性，”德州儀器（TI）的蒂莫西·赫加蒂（Timothy Hegarty），2019年2月。
• “借助帶有可潤(rùn)濕側(cè)面的包裝，使自動(dòng)光學(xué)檢查變得容易，”戴夫·史努克（David Snook），TI車(chē)輪背后博客，2018年1月。
• “先進(jìn)的自動(dòng)包裝”，TI培訓(xùn)視頻，2016年5月。
• “可濕面：在高可靠性電子控制單元的批量生產(chǎn)中使用底部端接組件的促成因素”，Udo Welzel等人，Circuit Insight，2018年5月。
• IPC-9592BPCB走線間距計(jì)算器，www.smps.us。
• LM5143-Q1-EVM21002.1 MHz雙路輸出同步降壓控制器EVM，德州儀器（TI）。
• 使用AOI驗(yàn)證IPC符合性，EDN的Malachy Rice博士，2004年11月1日