张琪
陕西华经微电子股份有限公司， 西安 710065
摘要：文中针对一种厚膜混合集成瞬态抑制HID灯控制模块，并对批量化持续改进过程的技术做出了总结。介绍了该产品的电路、结构以及产品特点，并进一步论证了高功率驱动电路批产化和高可靠的设计原则，同时也对行业特点及其发展方向进行了相关探讨。
关键词：瞬态抑制HID灯控制模块 ；厚膜混合集成；产品可靠性
1 概述
混合集成电路瞬态抑制HID灯控制模块，主要功能是隔离瞬态抑制功率的电子开关模块，主要用于HID灯的驱动，并有抑制短时间高电压高电流的功能，并为HID灯提供安全的工作电源。
2 主要技术指标
1.静态电流：ID≤25mA;
2.输出低电平电压：VL≤0.5V;
3.输出高电平电压：26≤VH≤30V;
4.电源电流：ICC≤20A；
5.输入高电平电压：26≤VIH≤30V;
6.输出驱动电流: IOM≥7A;
7.瞬态最大输出驱动电流:ICC≤20A
8.环境条件：工作温度-55℃～+125℃。
9.产品外形：直插式金属外壳平行缝焊封装，长×宽×高≤28mm×28mm×8.5mm。
3 工作原理
其工作原理图如图1所示：
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该电路由555振荡电路产生18KHZ左右峰值12V的交变信号，经过3倍压整流电路，使电压达到36V左右，以满足开关管驱动的需要，用一只光电耦合器和MOS管组成控制电路，控制大功率MOS管导通（工作在饱和区，3A情况下饱和压降为0.2V左右），输出额定电压，带动负载工作，当输入电压因某种原因增高时，由于加在功率MOS管栅极和地之间的控制电压为36V，即最大输出电压= 36-5（功率MOS管饱和最小控制电压）=31V，也就是说输入电压超过31V后大功率MOS管就工作在非饱和区，大功率MOS管由开关管变为调整管,使输出电压保持在31V左右,起到保护负载的作用。
整体设计方案具有电路简洁，抗干扰性强，具有瞬时功率大、驱动电流大、总静态功耗小和体积小、重量轻等特点。
3.1产品特点
1）具有隔离控制开关功能；
2）用于HID灯驱动，驱动电流大，最大可达20A（20S内）；
3）具有高压保护功能；
4）体积小（长×宽×高≤28mm×28mm×8.5mm），重量轻，使用方便。
3.2 工艺设计
瞬态抑制HID灯控制模块在研制过程中主要解决的关键工艺技术问题，就是封装结构和厚膜混合集成工艺。
1）金属封装结构工艺
结构设计要考虑与电路内部材料的匹配性、引线传导电流的能力、壳体导热性及散热面积是否满足要求、安装的可靠性及环境适应性，同时封装后要有良好的密封性，以确保产品整体可靠性。由于本项目电流大，因此在底座的制作，引线的尺寸和材料，大直径引线绝缘子的烧结，密封性等等，都要做大量的材料、工艺摸索实验和研究，既要能够通过大电流，又要保证密封性能等使用环境的要求。最终选用全金属封装陶瓷绝缘子外壳，引线镀金，表面镀镍，适于抗耐湿、防盐雾要求，同时保证屏蔽性，防止外界干扰影响精度。并且采用非对称引脚排列方式，标注1脚标识，防误插损伤设计，保证了产品使用。
2）厚膜混合集成工艺
电路采用厚膜混合集成电路集成工艺，电阻连同导带用平面厚膜印刷、烧结，激光调阻，使电阻阻值的精度和稳定性、一致性得到保证；基片表面非焊区部分采用表面钝化保护；集成块采用裸芯片粘接后金丝压焊，电容采用再流焊技术；关键器件功率MOS管采用再流焊后进行铝丝键合，可靠性更高。
考虑到体积小功率大的要求，电路承载基片选用了96%的AL2O3陶瓷基片，并通过再流焊技术将其焊接到底座上，减少了热阻，使所产生的热量从容扩散出去，大大减小了由于热效应对产品产生的老化作用，从而延长产品的使用寿命，提高了可靠性。
3.5 可靠性设计
该产品协议要求执行GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》，对质量可靠性要求很高。因此在可靠性设计方面，我们从每一种元器件，从底座、外壳、陶瓷基片，到电容、集成电路和功率MOS管及二极管等我们都作了精心的选取，包括元件的尺寸，性能，自身的稳定性等，同时采用厚膜混合集成电路工艺，严格按GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》和《质量保证大纲》要求进行控制，贯军标线生产，能满足产品的质量可靠性要求。
可靠性设计贯穿于整个产品设计的始终。在线路设计方面、元器件选用方面多做综合考虑，简化线路，减少元器件数量，增强元器件性能的余量设计。
产品鉴定试验中，稳态寿命1000h试验，以及一系列相关试验，全部合格，满足GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》对产品的可靠性要求。
根据GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的相关规定，我们对产品的可靠性进行理论计算和预计。预计该产品平均故障间隔时间约为5.15×104小时，根据计算的预计结果，产品的质量等级符合H级要求。
4 关键技术攻关情况
4.1瞬态高压抑制
瞬态高压（脉冲干扰），在供电系统中普遍存在，解决不好可能会对后级电路造成损坏，瞬态抑制HID控制模块,就针对瞬态高压设计了抑制电路，采用一只光电耦合器和MOS管组成控制电路，控制大功率MOS管导通，输出额定电压，带动负载工作，当输入电压因某种原因增高时，由于加在功率MOS管栅极和地之间的控制电压为36V，即最大输出电压= 36-5（功率MOS管饱和最小控制电压）=31V，也就是说输入电压超过31V后大功率MOS管就工作在非饱和区，大功率MOS管由开关管变为调整管,使输出电压保持在31V左右,起到保护负载的作用。
这部分电路简洁、可靠，经过多次实验，优化参数，能够抑制s级瞬态高压（一般产品只能抑制μs或ms级干扰）。较好的解决了此问题。
4.2体积和可靠性
由于在厚膜基片上进行二次集成，其有效面积小，可靠性指标要求高。整个电路的平面化成了关键的问题，具有很大难度，其间采取了以下措施：板图设计要确保整体导通电阻最小，它包含从电源到功率器件的连接线保持尽可能粗且短，功率器件本身的导通电阻最小，器件与基板、导带的连接电阻最小，同时功率器件到基板到产品底座的连接热阻也最小。在实际产品上，我们采用镀银线将引脚包住焊接，再焊接至相应MOS管输出焊盘上，保证其连接线粗且端。同时在平面布图过程中，综合考虑线路特点、工艺特点和批量生产的要求、尽量避免二次导带和介质布图；同时还要考虑元件尺寸、布局，尽量缩小布图面积，合理分布元件的平面及空间布局，充分利用基片的有效面积。严格按照以上措施进行设计后，达到了可靠性指标要求。
5产品的应用情况
该产品将技术攻关的结果应用到正样和鉴定批生产中，各项试验筛选都很稳定，用户使用也很满意，并通过的鉴定试验。该产品具有较高的可靠性和稳定性等特点。在军用设备驱动系统使用方面，该产品具有一定的通用性。
6 结语
文中所述的瞬态抑制HID灯控制模块，按小型化、批产化和高可靠的设计原则，为HID灯提供安全的工作电源，具有抑制短时间高电压高电流的保护功能，具有广阔的应用前景。
参考文献：
〈1〉童诗白 《模拟电子技术基础》北京：高等教育出版社，2010
〈2〉方佩敏 《最新集成电路应用指南》北京：电子工业出版社，1996
作者简介
张琪（1980-），男。研究方向：厚膜混合集成电路，DC/DC电源研发。E-mail:67149308@qq.com