Вы могли догадаться, что моим любимым вопросом является допустимая плотность тока в проводниках. Я его очень люблю, потому что он сразу и почти однозначно может мне сказать, кто передо мной.
Начнём с того, что в одной из прошлых статей мы уже начали рассматривать этот вопрос и говорили про максимальные плотности тока, а также я упоминал, что затрагивал тему корпусирования чипов. Пора пролить свет на этот вопрос, который почти никто не задаёт, хотя следовало бы.
Ты знаешь, как выглядит ваша микросхема?
Практически любой сложный электронный компонент начинается с кристалла и системы его подключения к внешним выводам. В упрощении можно выделить два базовых подхода: wire bonding и flip chip.
Надо понимать, что исторически wire bonding — более проверенная и старая технология, а flip chip — более современная. Мы не будем разбираться в подвидах, плюсах и минусах того или иного типа, а просто кратко их опишем.
Разберём кратко каждый тип.
Wire Bonding
Проволочное соединение (wire bonding) — это классический способ подключения кристалла к выводам корпуса, при котором контактные площадки на кристалле соединяются с площадками подложки с помощью тонких металлических проводов. В качестве материалов обычно используются медь (экономичный вариант), алюминий (для силовых и термочувствительных применений) и золото (для малых шагов и высоконадежных решений).
При этом такие режимы считаются нормальными и штатными для микросхем. Это достигается за счёт короткой длины проводников, хорошего теплоотвода через корпус и контролируемых условий эксплуатации. То есть ограничением выступает не сама плотность тока как величина, а совокупность факторов — геометрия, материалы и тепловой режим.
С инженерной точки зрения wire bonding — это хороший пример того, как система может стабильно работать при плотностях тока, на порядок превышающих типовые значения, применяемые при трассировке печатных плат.
При всех достоинствах (простота, технологическая зрелость, гибкость компоновки) у такого подхода есть и ограничения. Длинные и тонкие проводники обладают заметной индуктивностью и паразитной ёмкостью, что делает их узким местом в высокоскоростных и высокочастотных приложениях.
Flip Chip
В микросхеме с перевернутым кристаллом (flip chip) кристалл монтируется лицевой стороной вниз на подложку, при этом его контактные площадки выравниваются непосредственно над соответствующими площадками на подложке. Небольшие припойные шарики наносятся на площадки кристалла во время обработки пластины. Во время сборки кристалл flip chip переворачивается так, чтобы эти шарики находились в прямом контакте с площадками подложки. Затем плата проходит процесс оплавления для затвердевания припоя.
Технология flip chip появилась в 1960-х годах, но широкое распространение она получила только в 1990-х годах, в ответ на требования к повышению производительности и миниатюризации. В отличие от проволочного соединения, в flip chip нет проводов, соединяющих кристалл с подложкой. Сигналы проходят через припойные шарики напрямую, что минимизирует как длину пути, так и электрические потери.
Основные преимущества flip chip — это гораздо более короткие электрические пути, более высокая плотность соединений и возможность распределения входных/выходных площадок по всей поверхности, а не только по периферии. Эти различия меняют подход разработчиков к использованию площади кристалла и позволяют значительно увеличить количество входов/выходов в компактных корпусах.
А теперь зададим риторический вопрос: как выглядел «сильноточный» транзистор, например, 15 лет назад? Да, именно через проволочные соединения. Справедливости ради, и сейчас такие решения встречаются. Давайте разберёмся.
Переход к плотности тока и wire bonding
Для разварки обычно используют проволоку диаметром 15–70 мкм из серебра, золота, алюминия или меди. Соответственно, мы можем оценить сопротивление и плотность тока, проходящего через такие проводники.
Для этого нужно посмотреть внутрь микросхемы и понять, какой ток проходит через проволоку. В качестве примера рассмотрим микросхему FPF2215 — переключатель нагрузки с максимальным выходным током 250 мА в корпусе MicroFET-6.
Нас интересуют выводы питания. По рентгеновскому изображению видно, что к каждому выводу подходит по две проволоки. Материал неизвестен, но для оценки примем золотую проволоку диаметром 25 мкм. Если заглянуть в datasheet мы увидим, что минимальный Current limit как раз 250 мА.
Ну и мы все знаем, теперь открываем datasheet на золотую проволоку от Stanford Advanced Materials, со следующими параметрами:
Electrical Resistivity @20℃ | 2,3 μΩ·cm |
Thermal Conductivity @20℃ | 315 W/(m·K) |
Fusing Current (10 mm x 25 μm) | 0.52 A |
Теперь начнем считать
Площадь поперечного сечения:
Предполагая равномерное распределение тока между двумя проводами (0.125 А на провод), получаем:
Как вам такие значения? Да, наверное, не очень объективно сравнивать плотность тока на плате и внутри микросхем, но все же мы явно видим, что плотность тока в разы больше той, что написана в некоторых справочниках и гайдах.
Давайте теперь посмотрим на предельные значения для проволоки относительно datasheet, а именно 0,5А. Такие значения соответствуют режимам, близким к границе допустимого, и не являются рабочими. Я осознано пренебрегу длинной самой проволоки, так как уже полный тепловой расчет вести будет трудно и сейчас в этом нет смысла. Хотя, скажем сразу, что как минимум в данном вопросе длинна влияет причем чем больше тем хуже. По результатам расчета, мы получим число в 1018,4 А/мм²!!!
В литературе можно встретить значения 1,5 × 10⁵ А/см² (или 1500 А/мм²), что бьется с полученными значениями. Неожиданно?
Стоит сразу тут оговорится эти значения не означают, что такие плотности безопасны «сами по себе». В данном случае мы говорим именно про DC режим, так как при коротких импульсах порог плотности тока допустим, как минимум на один порядок выше. Так же сильно влияет материал проволоки, длинна и конфигурация корпуса и так далее.
«Пищевая» цепочка питания
Мы примерно разобрались со значениями плотности тока внутри микросхем. Давайте теперь проследим весь маршрут. Попробуем составить схему плотности тока на каждом этапе с примерными «общепринятыми» значениями.
Значения для выводов микросхемы получены путём вычисления поперечного сечения выводов и использования того же тока, что и для проволоки, для корпусов SOT-23 и MicroFET-6 (подробные расчёты здесь приводить не буду).
Возникает вопрос: откуда берутся цифры для PCB, если IPC не регламентирует чёткие значения? Например, HyperLynx «из коробки» выставляет DRC по этому параметру на уровне 30 А/мм². Если пересчитать зависимости IPC-2221 в плотность тока, то для внешних слоёв при нагреве порядка 10 °C получаются значения около 40 А/мм² (почему это некорректно, я уже писал ранее). Опрос коллег по отрасли показывает примерно такую же картину, с некоторым разбросом.
Можно заметить, что на уровне проволоки плотность тока достигает максимальных значений в цепочке. Более того, эти значения считаются допустимыми и нормальными.
Если бы плотность тока являлась фундаментальным ограничением, она бы одинаково ограничивала все уровни — от кристалла до печатной платы и обратно. На практике этого не происходит: допустимые значения различаются на порядки. Это означает, что плотность тока не задаёт физический предел сама по себе, а лишь отражает конкретные условия — геометрию, материалы и теплоотвод.
Немного больше о «сильноточный» транзистор
Я думаю, справедливый вопрос мог быть мне задан, а с каких это пор 200 мА — это большой ток? И вы будете правы, но, к сожалению, другого рентгена микросхемы у меня не было, но сейчас я исправлюсь.
Ранее мы рассмотрели только wire bonding, но технологии давно шагнули вперёд. Существуют Clip‑Bond, Cu Sinterconnect и различные комбинированные типы соединений. Эти технологии начали активно развиваться в 2010-х годах и сейчас получили широкое распространение.
Возьмём типичную публикацию по корпусированию (например, про лазерную разварку), где указано, что в микросхемах с током порядка 35 А используется алюминиевая проволока диаметром 500 мкм. Да, она значительно больше, чем в предыдущем примере, но при пересчёте получаются значения порядка 180 А/мм².
Чтобы восстановить баланс, рассмотрим решения компании Nexperia и их семейство корпусов LFPAK..
Основной особенностью является то, что вместо проволок диаметром 500 мкм используется Clip‑Bond (медная пластина, соединяющая выводы и кристалл). Это уменьшает сопротивление, снижает плотность тока и улучшает теплоотвод.
При этом в некоторых вариантах используются три проволоки диаметром 500 мкм, обеспечивающие ток до 120 А. Повторив расчёты, получаем значение порядка 200 А/мм², что согласуется с предыдущими оценками.
Вывод
Если кратко: ПРЕКРАТИТЕ СМОТРЕТЬ ПЛОТНОСТЬ ТОКА ДЛЯ АНАЛИЗА PI, А ТЕМ БОЛЕЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ! Спасибо!
Плотность тока сама по себе не является универсальным критерием, который можно применять без контекста, что мы ещё раз подтвердили. Одни и те же численные значения могут быть допустимыми или недопустимыми в зависимости от множества параметров в каждой части цепочки распределения питания.
Примеры из микросхем и корпусов показывают, что высокие плотности тока используются повсеместно и при соблюдении условий эксплуатации (температуры, теплового режима и так далее) работают штатно. Это не означает, что аналогичные значения автоматически допустимы для печатной платы, но даёт лучшее понимание масштабов.
В целом этой статьёй хотелось бы напомнить, что иногда полезно выходить за пределы своего «информационного пузыря» и изучать смежные области. Это помогает взглянуть на привычные вещи под другим углом.
И, как всегда, передаю «привет» тем, кто продолжает безоговорочно верить в гайды, особенно на позициях старших проектировщиков, со словами: «Ну не глупые люди это всё придумали, да? Так ведь?»
Литература