估计电源管理 IC 的连接线载流能力

连接线广泛用于连接芯片的引线端子和半导体器件的外部引脚。连接所用导线一般由黄金制成，因为黄金能抵御氧化，并具备很高的导电性，而且用黄金可相对容易地连接IC引线端子和器件引脚。

用铜导线取代黄金导线的方法势头越来越强，因为铜具备卓越的电气和热特性、相对更少的金属间化合生长和更高的机械稳定性。

在电源管理IC等具备大DC电流的器件中，会使用大量导线来传导这种电流。这些额外的导线有助于改善DC压降性能，并降低由大电流及其产生的有关热量（焦耳生热现象）导致的导线熔断或融化风险。不幸的是，就给定应用而言，还没有一种能用来估计导线数量和尺寸的方法或分析方法。所使用的导线数量或者太多，增加了芯片面积和成本，或者太少，导致可靠性风险和器件失灵。

本文探讨一种方法，用来估计不同尺寸和类型的导线处理DC电流的能力。本文还提供一些指导原则，将有助于产品设计师估计特定的应用所需的最佳导线数量。

估计理论上的载流能力

导线熔断的经典设计方程是由W.H.普里斯推导出来的（1884年，称为普里斯方程），仅适用于在自由空气中的导线。

该方程揭示了熔断电流（以安培为单位）和导线直径（以英寸）为单位之间的关系：

i=kD3/2

其中，i是DC或RMS电流；k是常数，其值取决于导线材料，就黄金和铜导线而言，k=10244；D=导线直径（单位为英寸）。

这个方程的限制是，它仅适用于在自由空气中的导线。此外，它未考虑导体长度。而导线的载流能力是受长度影响的，而且会随着长度增加而降低。

经过修改的普里斯方程

为了解决上述限制，人们对普里斯方程进行了修改，用数值更大的常数k来反映典型应用的情况，在典型应用中，导线是用基于环氧树脂的模塑化合物密封的。这个常数k也反映了导线长度对导线载流能力的影响。导体长度≤0.040英型时，黄金和铜导线的k值均为30000，而在导体长度>0.040英寸时，其k值均为20500。

军用规格（MIL-M-38510J）中提到的方程就是基于修改过的普里斯方程。

表1列出了用两个版本的普里斯方程计算出的两种类型导体的载流能力。

即使是修改过的普里斯方程，仍然存在限制：

为了估计在最坏情况下导线的载流能力，该模型假定，最高芯片节温为125℃时的环境温度为工业环境温度。自然对流边界条件适用于封装表面，这时封装引线温度为100℃。

小量电流流经导线时，不改变整条导线的温度曲线，导线两端仍然保持相同的原始温度。随着电流的稳步增大，最高温度不再是芯片节温，而是导线中间某处的温度。

在模塑化合物的玻璃化转变温度（Tg）上，材料从硬的、相对较脆的状态转变为软的、类似橡胶的状态，这时典型温度大约为150℃。如果流经导线的电流使模塑化合物的温度超过其Tg温度，那么时间和温度将使这条连接线上的环氧树脂材料的化学键劣化。这不仅导致模塑化合物的热阻增大，而且增大了材料的渗透性，使材料容易侵入潮气和其他离子污染物。因此，在计算导线的载流能力时，假定150℃的导线-模塑化合物连接线温度为上限温度。

以此为标准，来分析导线材料的类型、导线长度和导线直径的影响，并将分析数据与理论上的估计值进行比较。

图2显示了采用3种方法计算出的1mm长黄金导线的载流能力。利用FEM方法所得的电流值在开始时，与利用修改过的普里斯方程计算出的电流值相同，不过随着导线直径增大，两条电流曲线出现了偏离。

图3显示了用FEM方法计算出的1mm长黄金导线及铜导线的载流能力。正如所预期的那样，与黄金导线相比，铜导线能传送更大的电流。

图4显示用FEM方法计算出的3种不同长度黄金导线的载流能力。正如所预期的那样，随着长度增加，导线传送电流的能力下降了。

表2总结了不同导线组合的电流值（单位：安培）。

总之，本文针对实际应用环境，阐明了导线材料类型、导线长度和导线直径对导线载流能力的影响。本文还探讨了用常规方法估计载流能力产生的限制。