高可靠DC/DC变换器模块设计

3 产品的可靠性设计

由于要求该产品的质量等级为H级，因此，产品不仅要通过鉴定QCI检验，还要通过QML检验。试验条件按GJB548A－96和GJB2438A－2002要求进行。QML的主要试验条件如表1所列。

由表1可见，本产品所经受的试验相当严酷。由于要求产品在全温范围(－55℃～＋125℃)内长期可靠地工作，所以，无论从电路设计还是工艺结构上，都要考虑到可靠性设计。

3.1 可靠性优化设计

首先，从设计上考虑，电路结构要尽量简化，既要实现电路性能，又要简化元器件的品种与数量，减小因元器件的失效造成可靠性的降低。其次，初步设计完成后还要采用可靠性综合分析软件进行分析和验证，发现不足之处，再进行改进和提高。最后合理设计各项参数，使产品工作在最佳状态。

3.2 降额设计

元器件的电应力包括电流应力及电压应力。元器件的降额设计能有效提高产品的可靠性。降额系数一般为0.5～0.8倍。如输入电压为1 6～40V，采用的输入电容器的额定电压为50V，且应具有2.5倍的耐压能力；输出电压为5V，采用的整流二极管反向耐压为45 V；输出电压为10 V，所选用的整流二极管的反向耐压为100 V等。

3.3 热设计

由于DC/DC变换器为功率模块，产品又要在125℃下长期可靠工作，因此，热设计至关重要。设计时可采用热分析软件及红外热像仪进行分析、设计、改进。其具体技术措施如下：

(1)输入/输出滤波回路可采用可靠性较高的片状独石电容器来取代传统的钽电容，以避免钽电容在高温下失效；

(2)尽量提高产品的效率。可选用低功耗的元器件，变压器的合理化设计可有效减小产品的内部功耗，同时减少产品的温升。产品在小型化设计时，在布局上，热源要均匀分布(如VMOS管、整流管等热源)，以避免热量集中于产品的某一局部；

(3)热源与基片、基片与外壳间要充分地接触，可采用载流焊方式，而不要采用粘接方式，这样可减少热阻，避免产品的热积累；

3.4 工艺上的可靠性设计

为了满足产品各种应力试验的要求，可通过以下几方面来进行工艺设计：

(1)工艺上可采用厚膜多层布线工艺，布线层数在三层以上，线宽与线间距可在200μm，电路中的电阻一般应选用膜层电阻，并采用激光修调技术使阻值达到电路设计要求。

(2)由于该产品是高壳温(125℃)产品，水汽含量的控制是一个难点。通过对相关设备的改造和工艺研究，以及对真空烘烤工艺参数进行的反复实验，可以得到合适的数据，以有效地控制封口时的气氛，使水气含量小于5000 pm；氧含量小于2000 pm，从而确保产品长期使用的可靠性。

(3)在DC/DC变换器的内部结构中，基板与外壳、基板与元器件之间均存在一定的温度应力。为了满足产品的H级要求，需对应力集中点和抗机械强度进行分析。通过基板表面金属化设计和对基板表面膜层厚度进行控制，基板与底座之间可以满足上述应力条件。通过对相关元器件的合理选型以及对体积较大器件采用合理的焊接工艺，也可有效地解决元件与基板之间的粘接强度问题。 在DC/DC变换器的内部结构中，体积最大、重量最重的元器件就是变压器和电感，由于其磁性材料脆性大、易碎，它与A12O3基板之间的热膨胀系数相差也较大，因此，在设计上，内部结构可采用基板对称分布，来把变压器和电感直接粘接在底座上。这样一来可避免温度应力带来的开裂；二来可缩小基片面积，从而避免在基板局部形成不平衡的重力点而导致基板在机械冲击中开裂：三来也对变压器的散热有好处。

(4)通过选用合适的导电胶和环氧胶，以便对工艺参数、操作程序和各种胶与粘接元件之间的匹配特性进行研究和优化，也可以达到高可靠粘接的目的；例如针对变压器来说，选用一种合适的粘接胶来粘接变压器，不仅会有一定的抗拉强度，还具备一定的韧性，其温度特性与磁罐材料相匹配也能确保磁罐在温度循环中不开裂。

(5)优化焊接和键合技术。应对不同型号的焊膏，焊锡丝的组成成分、强度特性和温度系数进行对比和分析，以确定最佳的焊接材料，从而确保焊接元件的高可靠性；对25μm Au和200μmA1丝工艺进行试验，可以确定以固化，同时也可以避免金铝丝键合的失效。

4 验证结果

目前，该产品已顺利通过信息产业部五所的直接QML检验，并已通过鉴定。其产品的主要技术指标和实测指标比较如表2所列。

5 结束语

本文从电路、工艺和可靠性设计等方面详细介绍了H级DC/DC电源模块的设计思想，以期对同类产品的设计起到借鉴的作用。