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2020-01-17

芯片焊前锡膏清洗剂合明科技分享:IC芯片内部是什么结构?详细讲解一颗芯片的内部设计原理和结构

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:251

芯片焊前锡膏清洗剂合明科技分享:IC芯片内部是什么结构?详细讲解一颗芯片的内部设计原理和结构


作为一名电源研发工程师,自然经常与各种芯片打交道,可能有的工程师对芯片的内部并不是很了解,在应用新的芯片时直接翻到Datasheet的应用页面,按照推荐设计搭建外围。如此一来即使应用没有问题,却也忽略了更多的技术细节,对于自身的技术成长并没有积累到更好的经验。今天以一颗DC/DC降压电源芯片LM2675为例,尽量详细讲解一颗芯片的内部设计原理和结构。

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打开LM2675的DataSheet,首先看看框图

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这个图包含了电源芯片的内部全部单元模块,BUCK结构我们已经理解,这个芯片的主要功能是实现对MOS管的驱动,并通过FB脚检测输出状态来形成环路控制PWM驱动功率MOS管,实现稳压或者恒流输出。这是一个非同步模式电源,即续流器件为外部二极管,而不是内部MOS管。下面我们一起来分析各个功能是怎么实现的。


01

基准电压


类似于板级电路设计的基准电源,芯片内部基准电压为芯片其他电路提供稳定的参考电压。这个基准电压要求高精度、稳定性好、温漂小。芯片内部的参考电压又被称为带隙基准电压,因为这个电压值和硅的带隙电压相近,因此被称为带隙基准。这个值为1.2V左右,如下图的一种结构。

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这里要讲到公式,PN结的电流和电压公式。



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可以看出是指数关系,Is是反向饱和漏电流(即PN结因为少子漂移造成的漏电流)。这个电流和PN结的面积成正比!即Is->S。

如此就可以推导出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !

回到上图,由运放分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,这样可得:I1=△Vbe/R1,而且因为M3和M4的栅极电压相同,因此电流I1=I2,所以推导出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1)  N是Q1、Q2的PN结面积之比!

这样我们最后得到基准Vref=I2*R2+Vbe2。

关键点:I1是正温度系数的,而Vbe是负温度系数的,再通过N值调节一下,可是实现很好的温度补偿!得到稳定的基准电压。N一般业界按照8设计,要想实现零温度系数,根据公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT,所以大概在1.2V左右的,目前在低压领域可以实现小于1V的基准,而且除了温度系数还有电源纹波抑制PSRR等问题,限于水平没法深入了。

最后的简图就是这样,运放的设计当然也非常讲究。


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如图温度特性仿真。

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振荡器OSC和PWM


我们知道开关电源的基本原理是利用PWM方波来驱动功率MOS管,那么自然需要产生振荡的模块,原理很简单,利用电容的充放电形成锯齿波和比较器来生成占空比可调的方波。

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最后详细的电路设计图。

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这里有个技术难点是在电流模式下的斜坡补偿,针对的是占空比大于50%时为了稳定斜坡,额外增加了补偿斜坡,有兴趣可以详细了解。


03

误差放大器


误差放大器的作用是为了保证输出恒流或者恒压,对反馈电压进行采样处理。从而来调节驱动MOS管的PWM。

如图

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驱动电路


最后的驱动部分结构很简单,就是很大面积的MOS管,电流能力强。

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其他模块电路


这里的其他模块电路是为了保证芯片能够正常和可靠的工作,虽然不是原理的核心,却实实在在的在芯片设计中占据重要位置。


具体说来有几种功能:


  启动模块



启动模块的作用自然是来启动芯片工作的,因为上电瞬间有可能所有晶体管电流为0并维持不变,这样没法工作。启动电路的作用就是相当于“点个火”,然后再关闭。如图:

上电瞬间,S3自然是打开的,然后S2打开可以打开M4、Q1等,就打开了M1、M2,右边恒流源电路正常工作,S1也打开了,就把S2给关闭了,完成启动。如果没有S1、S2、S3,瞬间所有晶体管电流为0。

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过压保护模块OVP



很好理解,输入电压太高时,通过开关管来关断输出,避免损坏,通过比较器可以设置一个保护点。

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过温保护模块OTP



温度保护是为了防止芯片异常高温损坏,原理比较简单,利用晶体管的温度特性,通过比较器设置保护点来切断输出。


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过流保护模块OCP



在譬如输出短路的情况下,通过检测输出电流来反馈控制输出管的状态,可以关断或者限流。如图的电流采样,利用晶体管的电流和面积成正比来采样,一般采样管Q2的面积会是输出管面积的千分之一,然后通过电压比较器来控制MOS管的驱动。

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恒流源和电流镜


在IC内部,如何来设置每一个晶体管的工作状态,就是通过偏置电流,恒流源电路可以说是电路的基石,带隙基准也是因此产生的,然后通过电流镜来为每一个功能模块提供电流,电流镜就是通过晶体管的面积来设置需要的电流大小,类似镜像。

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小结


以上就是一颗DC/DC电源芯片LM2675的内部结构。当然,这只是原理上的基本架构,具体设计时还要考虑诸多参数特性,需要作大量的分析和仿真,而且必须要对半导体工艺参数有很深的理解,因为制造工艺决定了晶体管的很多参数和性能,一不小心出来的芯片就有缺陷,甚至根本没法应用。整个芯片设计也是一个比较复杂的系统工程,要求很好的理论知识和实践经验。


来源:ittbank



合明科技:芯片封装之SIPPOPIGBT水基清洗工艺技术浅析

 

关键词导读:

SIP系统级芯片封装、POP堆叠芯片组装、IGBT功率半导体模块、精密电子封装、水基清洗技术

前言

SIP系统级芯片封装、POP堆叠芯片组装、IGBT功率半导体模块工艺制程中,需要用到锡膏、焊膏进行精密的焊接制程,自然在焊接后会存留下锡膏和焊膏的助焊剂残留物,为了保证器件和组件的电器功能和可靠性技术要求,须将这些助焊剂残留彻底清除。此类制程非常成熟,也非常有必要。水基清洗在业内得到越来越广泛的应用,取代原来熟知的溶剂型清洗方式,从而获得了安全、环保、清洁的工作环境等等。与溶剂型清洗剂清洗精密组件和器件不同,水基清洗剂在业内的认知度还不是很高,掌握度还不是很到位,在此为了给大家提供更好的参考,列举了水基清洗制程所需要考虑的几方面重要因素

一、SIPPOPIGBT精密器件所需要的洁净度技术指标

首先要关注到所生产的SIP、POP或IGBT精密器件所需要的洁净度技术指标,根据洁净度的要求来做清洗的工艺选择。所从事的产品类别不同,应用场景不同,使用条件和环境不同,对器件洁净度的要求也有所不同,根据器件的各项技术要求来决定洁净度指标。包括外观污染物残留允许量和表面离子污染度指标水平,才能准确定义器件工艺制程中所要达到的洁净度要求。避免可能的电化学腐蚀和化学离子迁移失效现象。

二、器件制程工艺所存在的污染物

既然是要清洗制程中的污染物,就需要关注器件制程工艺所存在的污染物,比如:焊膏残留、锡膏残留等其他的污染物,评价污染物对器件造成可靠性的影响,比如:电化学腐蚀,化学离子迁移和金属迁移等等,这样就能对所有污染物做一个全面的认知,确定哪些污染物需要通过清洗的方式去除,从而保障器件的最终技术要求。污染物可清洗性决定了清洗工艺和设备选择,免洗锡膏还是水溶性锡膏,锡膏的类型不同,残留物的可清洗性特征也不同,清洗的工艺方式和清洗剂的选择也随之不同。识别和确定SIP、POP、IGBT工艺制程中污染物是做好清洗的重要前提。

三、水基清洗的工艺和设备配置选择

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要,一旦选定,就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。通常会选用批量式清洗工艺和通过式清洗工艺。批量式清洗工艺比较适合产量不太稳定,时有时无,时大时小,品种变化比较多,这样有利于根据生产线流量配置进行灵活操作,降低设备的消耗和清洗剂的消耗,降低成本而达到工艺技术要求。通过式清洗工艺往往适合产量稳定,批量大,能够连续不断的进行清洗流量的安排,实现高速高效率的产品生产,保证清洗质量。根据产品的结构形式和器件材料承受物理力的耐受程度,选择超声波工艺方式或喷淋工艺方式。

四、水基清洗剂类型品种和特征的选择

针对拥有的设备工艺条件和器件洁净度指标要求,选择合适的水基清洗剂是我们要考虑的重点。一般来说,水基清洗剂具有很好的安全特征,不可燃,不易挥发,环保特征满足欧盟REACH环境物资规范要求,达到对大气人体的安全保障。在此之外,根据工艺,设备条件,所使用的水基清洗剂需要能够彻底干净地去除残留物,同时又能保证在SIP、POP、IGBT组件上所有的金属材料、化学材料、非金属材料等物资兼容性要求。用一句通俗的语言来表达,既要把污染物清洗干净,又要保证物质材料的安全性,无腐蚀,无变色,完全符合器件功能特性要求。

五、小结

SIP、POP、IGBT水基清洗所需要考虑的因素还有许多,具体的工艺参数和选择涉及面广且技术关联性强,在此仅对最重要的部分做简要阐述,供业内人士参考。



以上一文,仅供参考!

 

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【阅读提示】

以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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