电路保护的作用和意义

雷电的形成和危害机理
静电的形成和危害机理
电力系统中的操作过电压
雷击浪涌防护测试与设计
静电放电测试与设计

案例分析

内容

电路保护的作用及意义

20世纪80年代以来，电信事业，电力工业，交通运输业飞速发展，电 信网络，计算机网络，电力网络，汽车电子的建设与更新在如火如荼的展开，在技术上正在数字信息化，微电子化。然而数字信息化所依赖的集成电路的低电平工作特性，使得电力网络，信息网络也更容易在网络的系统部件，终端设备上被干扰和损坏，造成能量和信息的中断，堵塞，甚至系统瘫痪，产生不可估量的巨大损失。

所以，安全性，可靠性设计成为电气，电子设备及产品开发设计的重要内容，使其可以抵抗遇到的一些外界极端电磁环境，如雷电，静电等，以及电子产品自身产生的安全故障，如因用户操作不当，负载故障，元器件老化等原因形成的异常过电压，过电流。

电路保护技术与EMC

电磁兼容是指电气，电子设备在指定的电磁环境中，对外不产生过大的电子噪声，同时又能抵抗一定的外界电磁干扰的能力。

20世纪90年代，欧盟率先对进入其地区的电气电子产品强制EMC认证制 度，即CE认证，随后各国相继推出自己的标准，如美国FCC, 日本的VCCL，我国的3C等等。

而在电磁兼容性能中，电子产品抗外界雷击，静电放电等瞬态强干扰的能力是其重要的抗干扰能力指标。

如电磁兼容的国标都有明确的规定

GB/T 17626.2静电放电抗扰度

GB/T 17626.5浪涌冲击抗扰度。

GB/T 17626.4电快速瞬变脉冲群抗扰度

GB/T 17626.6射频干扰

GB/T 17626.8工磁场干扰

GB/T 17626.12阻尼震荡波

总而言之，电路保护设计与电磁兼容性能有着密切的关系， 良好的电路保护设计有助于产品电磁兼容性能的提高。

雷电的形成和危害机理

雷电的形成

雷电是人们夏季常见的一种危险而剧烈的自然现象，其形成与大气电场有密切的关系，雷雨云带电原因解释不少，如感应起电，温差起电，对流起电，破碎起电等等， 目前没有形成较为满意的一致认识。

雷电的放电过程

当云中负电荷区的电场强度积累到上百万伏/米时，含云的大气就会因气体分子的剧烈撞击而产生电离，这些电离的气体具有导电能力，进而形成自雷雨云边缘向大地延伸

的局部放电通道，并伴随气体发光现象。

雷电的形成和危害机理

雷电的工程模型

雷电的电压最高可达几兆至几百兆伏特，放电电流可达上百千安培。雷电的放电电流呈陡前沿，单极性脉冲的形状。

雷电的危害效应

直击雷：热效应，机械效应，电动力效应，高电压效应

感应雷: 架空线路的静电感应效应，雷电的磁场感应效应

静电的形成和危害机理

静电的形成

静电的形成有很多种方式，对于低压电气，电子设备来讲常见的形式有人体静电起电，元器件及机器设备的静电起电。

雷电的危害效应

静电的力学效应，静电的热效应，静电的强电场效应，静电放电的电磁脉冲效应

静电危害的特点：

隐蔽性，潜在性，随机性，复杂性

瞬变脉冲群的形成和要求

产生于感性负载的投切、继电器切点弹动的瞬间，这种干扰以共模或差模方式影响端口（电源、信号、控制端口），对操作系统产生严重的破坏性。

EFT/GB 三极标准：

u 供电端口和模拟量端口

共模抗干扰能力，峰值2KV ，波形重复频率为5KHZ差模抗干扰能力，峰值1KV ，波形重复频率为5KHZ

u I/O信号/数据和控制端口

共模抗干扰能力，峰值1KV ，波形重复频率为5KHZ差模抗干扰能力，峰值0.5KV ，波形重复频率为5KHZ

瞬变脉冲群干扰方式

 传导性耦合

 电容或电感耦合（图1&图2），解决方法，见后面。

 电磁辐射 (处理：电磁屏蔽、拉开距离、减小环路、退藕）

瞬变脉冲群测试基本要求

 根据我们对大量的数据统计：从长远稳定来看，产品的所有接口，共模EFT最小要达到峰值2KV 、 重复频率5KHZ 差模峰值1KV 、重复频率5KHZ

瞬变脉冲群改善方案

之一：电容耦合改善方法

从上分析来看，降低输入阻抗可以提高抗干扰能力，从分布参数来看，采用多层板或铺设大面积地网对于电容耦合干扰衰减较大。能做到电场屏蔽效果好。

瞬变脉冲群改善方案

之二：电感耦合改善方法 

 h代表两导线距地平面的高度

μ,和μ,分别表示空气和介质的磁导率d表示两平行导线的间距

从上分析来看，铺设大面积地和多层电路板可以增加插入衰减。减小介质磁导率也可以减小互感w。

雷击浪涌测试与设计

根据GB/T17626.5,雷击浪涌模拟器的电路原理，及使用的仪器。

雷击浪涌测试与设计

对于电源线及短距离信号互连线的端口使用1.2/50µs波形，对于连接到对称通信线的端口，应使用10/700µs组合波发生器。

8/20 µs组合波

1.2/50µs

10/700µs 5/320 µs组合波

雷击浪涌测试与设计

感应雷及浪涌电流的抑制原理

1.提高设备的绝缘耐压水平

2.利用瞬态干扰吸收电路

3.屏蔽敏感电路

4. 电气隔离

雷击浪涌测试与设计

抑制器件的使用方法

纵向横向并联设计（共差模）

差模电流 ：信号线-回流线电流 ，大小相等、方向相反；

差模电压：信号线-回流线间电压；

共模电流 ：线-大地间电流 ，方向相同；

共模电压：线-大地间电压

有用的信号都是差模的 ，骚扰可能是差模的 ，也可能是共模的。

过电压

雷击浪涌测试与设计

抑制器件的使用方法

多级防护，逐级递减

Surge voltage

Safe voltage

第一级保护，大通流被保护设备

第二级保护，精确箝位器件

雷击浪涌测试与设计

抑制器件的使用方法

寄生参数最小设计

并联的瞬态过电压抑制器在接入线路时，连线和接头要尽可能短。下面两种接法不同。

被保护设备

被保护设备

静电放电测试与设计

根据GB/T17626.2，静电放电测试的电路和测试仪

静电放电测试与设计

静电发生器的电流输出典型波形

静电仅施加于操作人员正常使用设备时可能接触的点和面上

。

静电放电测试与设计

电子设备静电放电保护原理

1. 控制静电起电，消除和减少静电；

2. 消除和中和静电

3. 选用抗静电元器件及抗干扰的软件流程；

4. 进行系统的ESD保护改善设计

静电放电测试与设计

电子设备静电放电保护设计

机壳的抗静电设计：

金属机壳，完整的良导体密封机壳可以阻止传导电流流入，也可以防止静电辐射到内部，起到防止静电放电的作用。设计时，一是尽可能保持机壳导电的连续性 , 二是对一些工作频率比较低的敏感电路采用单点接地的方式，接地线尽量短而粗，敏感电路远离机壳孔。

塑料机壳，优点是不会产生接触放电的现象，因为缝隙部分有可能会流入放电火花，可以使用减小缝隙宽度，延长缝隙深度，施加薄膜阻隔层的设计

复合材料，综合金属盒塑料的优点，一般采用金属镀绝缘层的做法。

静电放电测试与设计

电子设备静电放电保护设计

静电放电抑制电路的设计：

对于电气，电子设备来讲，电源线，信号线的输入输出端口施加防静电保护电路是非常重要的设计，由于静电放电上升时间很短，因此要求抑制器件的快速反应能力很高，一般建议小于0.2ns，常见的器件有压敏电阻，TVS，TSS等等

静电放电测试与设计

电子设备静电放电保护设计

PCB的抗静电设计：

优先选择有内嵌ESD保护电路的集成电路优先选择SMD器件；

多用上拉下拉电阻，可降低ESD对高输入阻抗电子电路的冲击。

保护器件的连线尽可能短，交叉方式。

集成电路不用的输入端不允许处于悬浮状态

布线方面，主要考虑减小印刷电路板的阻抗，缩小敏感信号的环路面积，加强屏蔽，增加静电保护环设计，包围整个功能电路，在插头处与子板的接地线连接。

电路保护技术及器件的发展情况

电路保护的历史由来已久，美国著名科学家富兰克林1752年发明的避雷针就可以看做是最早的电路保护措施，爱迪生1882年为保护纽约珍珠街全球第一所商业电站设备和系统的可靠运行发明了插塞式熔丝，可以视为最常用的电路保护器件。 19世纪末出现了放电保护间隙器，20世纪50年代出现碳化硅避雷器，70年代末出现氧化锌避雷器，到目前多种多样的电路保护器件，压敏电阻，瞬态抑制二极管 , 气体放电管，半导体放电管，PPTC等等。

电路保护器件

A.提供高品质的保护器件 B.免费提供可靠的设计方案

C.为用户提供方案评测、探讨 D.免费提供的验证服务

过压保护系列

过流保护系列

PPTC fuse NTC

GDT SPG TSS

TVS ESD MOV

电路保护器件介绍

GDT/SPG

气体放电管是一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压惰性气体的短路型保护器件，一般分两电极和三电极两种结构。其基本的工作原理是气体放电。当极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，从而限制了极间的电压，使与气体放电管并联的其它器件得到保护。可分为二极和三极两种。

电路保护器件介绍

GDT/SPG

陶瓷气体放电管具有通流量大（KA级），漏电流小，寄生电容小等优点，缺点是其响应速度慢 (μs级），动作电压精度低，有续流现象。适用于粗保护或者初级保护。

玻璃放电管有陶瓷放电管的优点，同时响应速度较快（ ns级），但其通流量比陶瓷的小，且直流击穿电压分散性较大。

选型方法： min（UDC）≥1.25*1.15Up 1.25是安全余量，1.15是电源波动系数。

特性曲线 相关应用

电路保护器件介绍

MOV

压敏电阻的意思是“在一定的电流电压范围内电阻值随电压而改变，或者说电阻值对电压敏感 ”的电阻器。它的特性与两只背对背连接的硅稳压二极管非常相似 , 有着毫微秒级的响应速度。它对瞬变干扰的抑制是通过箝位方式来实现的，对线路有危害的这部分能量将被压敏电阻通过转化成热量的形式来吸收掉。

7D, 10D, 14D …34S等是常用的插件类压敏电阻，0805, 1206封装的是常用的贴片类压敏电阻。

电路保护器件介绍

MOV

压敏电压优点是价格便宜，通流量大，响应速度快，缺点是寄生电容大，不适合用在高频电路中。压敏电阻器广泛应用于家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。

压敏电压的选择：交流电路其最小值一般选择被保护设备电压2-3倍，直流电路选取为工作电压的1.8-2倍。

由于压敏制作时可能存在微小缺陷，或者当承受不同电流冲击，造成管芯的压敏电阻体分布不均，一些部位电阻会降低，导致漏电流增加，最终导致薄弱点微融化，最终导致老化。所以一般串接热熔点来避免。

压敏可串并联使用。

电路保护器件介绍

TVS

瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1*10-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。与普通的二极管相比，结面积大，加入了特殊材料制成的散热片。

TVS产品型号丰富，功率从200W的SMF系列到6600W的SM8系列，贴片和插件的封装都有，关断电压从5V到440V，可以满足各种需求。

电路保护器件介绍

制作简要工艺流程

PMC

高温固化

Die Attach芯片粘接

Wire Bond引线焊接

Plating电镀

Molding塑封

Test

测试

Trim & Form切筋成型

电路保护器件介绍

解剖显影图 （一）

偷工减料

正常产品

电路保护器件介绍

解剖显影图 （二 ）

电路保护器件介绍

TVS

特点：可分为单双向，响应时间快、漏电流低、击穿电压误差小、箝位电压较易控制、并且经过多次瞬变电压后，性能不下降，可靠性高，体积小、易于安装。

缺点是能承受的浪涌电流较小，且功率大的寄生电容也大，低电容的功率较小。适用于细保护或者二级保护。

选型注意，单双向，电压，功率，电容都要考虑到。

电路保护器件介绍

ESD

随着手机、数码相机、MP3播放器和PDA等手持设备低成本小体积化，集成电路设计工程师通过在减少硅片空间大小的同时提高设备的速度和性能，以此来推动这一趋势。而代价就是IC功能尺寸的减少使得器件更易受到ESD电压的损害。这种趋势对终端产品的可靠性会产生不利的影响，并且会增加故障的可能性。

目前的ESD保护器件，适用于CAN ，LAN ，485 ，232 ，USB ，HDMI等等各类情况的应用，符合IEC 61000-4-2 ，level 4认证。

ESD保护器件分为两种，一种为TVS列阵，其特点是响应时间快、钳位电压偏差小、结电容小、反向漏电流小和无寿命限制等优点，适合于信号质量要求高、线漏电要求小等接口的ESD防护，比如高速数据信号传输线、时钟线等。一种为压敏电阻，击穿电压VBR和箝位电压VC都相对高，通流能力相对强，具有更强的浪涌脉冲吸收能力，因而较适合于电源接口的ESD或浪涌防护。

电路保护器件介绍

TSS

半导体过压保护器是根据可控硅原理采用离子注入技术生产的一种新型保护器件 , 具有精确导通、快速响应（ ns级）、浪涌吸收能力较强、双向对称、可靠性高等特点。其浪涌通流能力较同尺寸的TVS管强，但开关型保护器件都有续流问题 。TSS有贴装式、直插式和轴向引线式三种封装形式。在通讯行业使用的比较多

。

电路保护器件

PPTC自恢复保险丝

PPTC采用高分子有机聚合物在高压、高温，硫化反应的条件下，搀加导电粒子材料后，经过特殊的工艺加工而成。传统保险丝过流保护，仅能保护一次，烧断了需更换，而自恢复保险丝具有过流过热保护， 自动恢复双重功能。

PPTC插件类的耐压值有6V ，16V ，30V ，60V ，72V ，250V ，600V ，电流从75mA到14A 。贴片系列的有0603 ，0805 ，1206 ，1210 ，2018 ，2920封装。

PPTC可重复多次使用，上图为其动作后电阻随时间变化示意图，电阻一般在十几秒内即可恢复到初始值1.6倍左右。

特性曲线

各类保护器件特点

100KA

10KA

1KA

100A

MOV GDT SP

案例分析

低压直流保护方案

案例分析

USB静电防护方案

RS485 保护方案

简述: RS-485是采用差分信号负逻辑，逻辑“ 1 ”以两线间的电压差为+(2~6)V 表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-(2~6)V 表示,RS-485的数据最高传输速率为10Mbps,接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

广泛用于工业传输、智能家居、安防设备的云台控，类似这些产品常常放置室外，极易受到感应雷击的破坏，从主线往支线 或支线传导到总线，接下来，讨论关于 RS485传输浪涌雷击保护方法：

保护方案拓朴 图一

方案说明： 此为两级防护，第一级用气体放电管做粗保护， 第二级用 TVS 做细保护，二级之间用 PPTC 限流耦合，也称两级协同。

器件说明：第一级 将浪涌雷击脉冲电压降低到90V 气体放电管的限制电压范围（小于1KV ，浪涌电压不同，值会有不同）。

第二级 将气体放电管残留的电压通过瞬态抑制二极管吸收，它具有动作时间快，嵌位电压低的特点。可以将电压降到10V 左右，对于 RS485接口芯片将会比较安全。

 自恢复保险丝耦合级，一般用插件250V－080或120器件；因为安装空间紧凑，可以考虑贴片 PPTC。

 1M 、102/2KV 阻容并联，有利于 EMC 的 GND 与 PE/FG 之间的解决。

 AB 差分线之间用15V 器件，主要考虑干线距离长、部份用户会将使用9V 电源供电，进差分信号放大增强。

保护方案拓朴(电力线搭接抑制型） 图二

（适合高精密电力设备、例如：电表）

方案说明： 此为两级防护，第一级用半导体放电管+CPTC 居里点正温度系数热敏电阻， 第二级用 TVS 做细保护，二级之间用 PPTC 限流耦合，也称两级协同。

器件说明： 第一级 用 CPTC+半导体放电管，半导体放电管具有动作时间快，续流电压低的特性。当有雷击浪涌通过时，器件将在 PS 级导通，将大的浪涌能量泄放被泄放点；当有电力线220V 串扰到 RS484A B 信号线上，半导体迅速导通，CPTC 电流增加，达到器件的居里温度点，从而跃变断开电路，从而起到保护后端设备的作用。

第二级 将气体放电管残留的电压通过瞬态抑制二极管吸收，它具有动作时间快，嵌位电压低的特点。可以将电压降到10V 左右，对于 RS485接口芯片将会比较安全。

 自恢复保险丝耦合级，一般用插件250V－080或120器件；因为安装空间紧凑，可以考虑贴片 PPTC。

 1M 、102/2KV 阻容并联，有利于 EMC 的 GND 与 PE/FG 之间的解决。

AB 差分线之间用 15V 器件，主要考虑干线距离长、部份用户会将使用 9V 电源供电，进差分信号放大增强。

USB3.0 —— 也被认为是 SuperSpeedUSB——为那些与 PC 或音频/高频设备相连接的各种设备提供了一个标准接口。新的 USB 3.0在保持与 USB 2.0的兼容性的同时，还提供了下面的几项增强功能：

● 极大提高了带宽——高达5Gbps全双工（USB2.0则为480Mbps半双工）

● 实现了更好的电源管理

● 能够使主机为器件提供更多的功率，从而实现 USB——充电电池、LED照明和迷你风扇等应用。

● 能够使主机更快地识别器件

● 新的协议使得数据处理的效率更高

针对USB3.0 5G速率的要求，YINT公司设计

ESD0524P DFN-10-2.5x1.0x0.6-0.5 封装， 电容量在0.6PF，超小空间特性,可以满足4路线保护。符合：

如有更合理方案，敬请联系探讨！

ESD0524P与 ESDSR05 应用典型方案

ESD0524P 器件1脚与10脚之间，铜铂下面是实线，保护是1脚与GND之间的，这样有利于高速数据的信号不容易失真。

管脚Pin 的1 、2 、4 、5 是输入线

管脚Pin 的6 、7 、9 、10是输出线，无内部逻辑连接。

管脚Pin 的3 、8是地线

ESDSR05 器件1脚接GND ，4脚接USB电源VBUS 2脚和3脚分别接D－ 和 D+。

Layout 实际效果图：

ESD0524P

ESDSR05

3000PCS/Reel

3000PCS/Reel

IEC6100-4-2 ：静电放电 及 IEC61000-4-5 电气过载

国际电工委员会制定此份标准的目标是模拟静电放电，适用于设备的带电金属物件，由接触或通过空气静电造成的破坏 . 附下是测试方法及相关模拟波形，音特产品全部符合标准要求。

 IEC 6100-4-2：

接触放电模型

静电放电波形

 IEC 61000-4-5：

电气过载

接触放电模型 Contact discharge model

四个级别规定，与静电波形电压和电流值如下：

静电放电波形 ESD discharge waveform IEC 6100-4-2：

PUBLICATION RELEASE DATE: MARCH 2006 REVISION B2

电气过载 Electrical overstress surge IEC 61000-4-5：要求

过载波形 EOS waveform

脉冲发生电路 EOS surge generator

机顶盒保护方案

机顶盒（Set Top Box, 简称 STB），是一个连接电视机与外部信号源的设备。它可以将压缩的数字信号转成电视内容，并在电视机上显示出来。从最初只是接收数字电视信号的简单功能机顶盒到如今功能繁多的各种机顶盒高清播放器，随着机顶盒技术的发展，如今的机顶盒在数据支持上能完成诸多高清，交互，多模，多格式的解码。而在接口方面，为获得更多的数据来源，设备普遍也能够提供许多种类的选择，一般都能够支持 USB、HDMI、以太网接口、硬盘接口等。

不同类型接口的支持，使得如今的高清播放器的娱乐功能日益强大，但是也带来了诸多对不同接口保护的要求。我们知道各种数据类型的接口在热插拔的过程中都容易受到过压过流静电等许多故障状态的影响，机顶盒和高清播放器的厂家必须在产品的设计过程中考虑到不同的意外因素，而在接口的输入端增加相对应的保护，这样才能减少产品的返修率，并给客户提供良好的使用体验。我们接下来将会针对于这些在机顶盒上常见的接口来看一下使用什么保护器件能够很好的保护设备。

首先是 USB 的接口，无论是 USB2.0 还是目前逐渐普及的 USB3.0，USB 接口是我们最常见并且使用最广泛的数据接口。在便捷的使用过程中，我们也会经常遇到一些故障状态，其中比较常见的就是由于 USB 从设备短路故障而导致的 USB 主设备的损伤，使用 PolySwitch PPTC（正温度系数热敏电阻）器件是一个高性价比的防护方案，在短路故障状态下，PPTC 器件能够快速的动作从低阻态转为高阻态，从而限制电流保护 USB 的设备。另一种 USB 常见的故障是由静电噪音带来的，在热插拔的过程中，静电的影响非常的明显，为减少静电给电路带来的影响，我们可以使用 SESD (硅基 ESD 保护器件)，SESD 器件电容低、钳位电压低、ESD 抵抗能量高、封装尺寸小，是 USB 接口静电防护的理想选择。下图 1 是在 USB 端口上使用 PPTC器件与 SESD 器件保护的典型应用。

HDMI 也是如今非常流行的一种多媒体信号接口，类似于 USB 的接口，HDMI 接口在使用过程中也容易受到短路过流，静电等各种故障状态，同样我们可以使用 PPTC 器件与 SESD 器件来保护接口免受故障的侵扰。如图 2，在 HDMI 端口的电源线上使用 PPTC 进行过流保护，在其他的信号线上使用多通道的 SESD 防护静电。

1

许多机顶盒设备会有直流电源输入端口，需要使用 AC/DC 适配器供电，而我们的生活中有太多的设备需要类似的适配器供电，不同的适配器可能有不同的供电电压，功率，甚至于电源的正负极性，适配器的错误使用会给设备带来严重的损坏，另外在适配器插拔过程中形成的尖峰噪音也会给负载电路带来伤害。对于类似电源口的保护，音特电路保护部的 PPTC 和 TVS 系列器件，作为一种表面贴装的独立器件，能够同时完成过压，过流，电源误接，电源逆接等多方位的保护。小体积的设计使其十分适用于空间狭小的薄型紧凑型环境，在故障状态时，瞬态抑制二极管能快速有效的钳位电压并分流故障电流，而 PPTC 组件则可以继而快速的关断过大的电流，从而帮助保护瞬态抑制二极管和下游电子组件。下图3描述了 直流输入端口保护的典型应用。

对于机顶盒设备上的 RJ45 端口，同样考虑到因为频繁插拔时由于静电而导致的设备损害，在端口也可以增加上 SESD 器件来保护静电干扰。图4分别展示了在 10/100baseT 及 1G Ethernet 上使用 SESD 器件进行保护的应用。

对于机顶盒上的 xDSL 端口，可以考虑使用气体放电管 (GDT) 器件与 PPTC 器件组合的电路来保护设备。GDT 器件可以在电路的一级保护中使用，在雷击保护中可以起到暂态的过电流和限制过电压的作用，而PPTC 器件可以在电力线碰触保护中，对过流故障起到很好的保护作用。图5电路是使用 PPTC 与 GDT 器件进行雷击及电力线碰触保护的典型应用。

2

综上所诉，当今的机顶盒已经能够提供各种各样的多媒体娱乐功能，而在同时我们也关注到，设备需要支持多种数据接口来帮助获得各种多媒体的数据资源，怎样更好的提供这些接口的保护是设备是否能给客户提供良好使用体验的关键。TE 公司的电路保护部门能够提供 PPTC, SESD, PolyZen, GDT 等多种电路保护器件，给不同的电源与数据接口带来完善的综合保护。

3

半导体封装形式介绍

摘 要：半导体器件有许多封装型式，从 DIP 、SOP 、QFP 、PGA 、BGA 到 CSP 再到 SIP，技术指标一代比一代先进，这些都是前人根据当时的组装技术和市场需求而研制的。总体说来，它大概有三次重大的革新：第一次是在上世纪 80 年代从引脚插入式封装到表面贴片封装，极大地提高了印刷电路板上的组装密度；第二次是在上世纪 90 年代球型矩正封装的出现，它不但满足了市场高引脚的需求，而且大大地改善了半导体器件的性能；晶片级封装、系统封装、芯片级封装是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装减到最小。每一种封装都有其独特的地方，即其优点和不足之处，而所用的封装材料，封装设备，封装技术根据其需要而有所不同。驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。

关键词：半导体； 芯片级封装； 系统封装； 晶片级

1 半导体器件封装概述

电子产品是由半导体器件(集成电路和分立器件)、印刷线路板、导线、整机框架、外壳及显示等部分组成，其中集成电路是用来处理和控制信号，分立器件通常是信号放大，印刷线路板和导线是用来连接信号，整机框架外壳是起支撑和保护作用，显示部分是作为与人沟通的接口。所以说半导体器件是电子产品的主要和重要组成部分，在电子工业有“工业之米" 的美称。

我国在上世纪 60 年代自行研制和生产了第一台计算机，其占用面积大约为 100 m2 以上，现在的便携式计算机只有书包大小，而将来的计算机可能只与钢笔一样大小或更小。计算机体积的这种迅速缩小而其功能越来越强大就是半导体科技发展的一个很好的佐证，其功劳主要归结于： (1)半导体芯片集成度的大幅度提高和晶圆制造(Wafer fabrication)中光刻精度的提高，使得芯片的功能日益强大而尺寸反而更小； (2)半导体封装技术的提高从而大大地提高了印刷线路板上集成电路的密集度，使得电子产品的体积大幅度地降低。

半导体组装技术(Assemblytechnology)的提高主要体现在它的封装型式(Package)不断发展。通常所指的组装(Assembly)可定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片(Chip)和框架(Leadframe)或基板(Sulbstrate)或塑料薄片(Film)或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具有电路连接，物理支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，散热，尺寸过度和标准化的作用。从三极管时代的插入式封装以及 20世纪 80 年代的表面贴装式封装，发展到现在的模块封装，系统封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可能要用到新材料，新工艺或新设备。

驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。电子市场的最终客户可分为 3 类：家庭用户、工业用户和国家用户。家庭用户最大的特点是价格便宜而性能要求不高；国家用户要求高性能而价格通常是普通用户的几十倍甚至几千倍，主要用在军事和航天等方面；工业用户通常是价格和性能都介于以上两者之间。低价格要求在原有的基础上降低成本，这样材料用得越少越好，一次性产出越大越好。高性能要求产品寿命长，能耐高低温及高湿度等恶劣环境。半导体生产厂家时时刻刻都想方设法降低成本和提高性能，当然也有其它的因素如环保要求和专利问题迫使他们改变封装型式。

2 封装的作用

封装(Package)对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有：

(1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，保护芯片表面以及连接引线等，使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响；同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力，从而可防止芯片损坏失效。基于散热的要求，封装越薄越好，当芯片功耗大于 2W 时，在封装上需要增加散热片或热沉片，以增强其散热冷却功能；5～1OW 时必须采取强制冷却手段。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。

(2)电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距，调整到实装基板的尺寸间距，从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0．1 3μm 以下)为特征尺寸的芯片，到以 10μm 为单位的芯片焊点，再到以 100μm 为单位的外部引脚，最后剑以毫米为单位的印刷电路板，都是通过封装米实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的变换作用，从而可使操作费用及材料费用降低，而且能提高工作效率和可靠性，特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻，寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度。

(3)标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格，既便于加工，又便于与印刷电路板相配合，相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便，而且便于标准化。相比之下，裸芯片实装及倒装目前尚不具备这方面的优势。由于组装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印刷电路板(PCB)的设计和制造，对于很多集成电路产品而言，组装技术都是非常关键的一环。

3 封装的分类

半导体(包括集成电路和分立器件)其芯片的封装已经历了好几代的变迁，从 DIP 、SOP 、QFP 、PGA 、BGA 到 MCP 再到SIP ，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于 1 ，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。封装(Package)可谓种类繁多，而且每一种封装都有其独特的地方，即它的优点和不足之处，当然其所用的封装材料、封装设备、封装技术根据其需要而有所不同。

3．1 根据材料分类

根据所用的材料来划分半导体器件封装形式有金属封装、陶瓷封装、金属一陶瓷封装和塑料封装。

3．1．1 金属封装

金属封装始于三极管封装，后慢慢地应用于直插式扁平式封装，基本上乃是金属-玻璃组装工艺。由于该种封装尺寸严格、精度高、金属零件便于大量生产，故其价格低、性能优良、封装工艺容易灵活，被广泛应用于晶体管和混合集成电路如振荡器、放大器、鉴频器、交直流转换器、滤颇器、继电器等等产品上，现在及将来许多微型封装及多芯片模块(MCM)也采用此金属封装。 金属封装的种类有光电器件封装包括带光窗型、带透镜型和带光纤型；分妒器件封装包括 A 型、B 型和 C 型；混合电路封装包括双列直插型和扁平型；特殊器件封装包括矩正型、多层多窗型和无磁材料型。

3．1．2 陶瓷封装

早期的半导体封装多以陶瓷封装为主，伴随着半导体器件的高度集成化和高速化的发展，电子设备的小型化和价格的降低，陶瓷封装部分地被塑料封装代替，但陶瓷封装的许多用途仍具有不可替代的功能，特别是集成电路组件工作频率的提高，信号传送速度的加快和芯片功耗的增加，需要选择低电阻率的布线导体材料，低介电常数，高导电率的绝缘材料等。陶瓷封装的种类有 DIP 和SIP；对大规模集成电路封装包括 PGA ，PLCC ，QFP 和 BGA。

3．1．3 金属一陶瓷封装

它是以传统多层陶瓷工艺为基础，以金属和陶瓷材料为框架而发展起来的。最大特征是高频特性好而噪音低而被用于微波功率器件，如微波毫米波二极管、微波低噪声三极管、微波毫米波功率三极管。正因如此，它对封装体积大的电参数如有线电感、引线电阻、输出电容、特性阻抗等要求苛刻，故其成品率比较低；同时它必须很好地解决多层陶瓷和金属材料的不同膨胀系数问题，这样才能保证其可靠性。金属一陶瓷封装的种类有分立器件封装包括同轴型和带线型；单片微波集成电路(MMIC)封装包括载体型、多层陶瓷型和金属框架一陶瓷绝缘型。

3．1．4 塑料封装

塑料封装由于其成本低廉、工艺简单，并适于大批量生产，因而具有极强的生命力，自诞生起发展得越来越快，在封装中所占的份额越来越大。目前塑料封装在全世界范围内占集成电路市场的 95％以上。在消费类电路和器件基本上是塑料封装的天下；在工业类电路中所占的比例也很大，其封装形式种类也是最多。塑料封装的种类有分立器件封装，包括 A 型和 F 型；集成电路封装包括 SOP 、DIP 、QFP 和 BGA 等。

3．2 根据密封性分类

按封装密封性方式可分为气密性封装和树脂封装两类。他们的目的都是将晶体与外部温度、湿度、空气等环境隔绝，起保护和电气绝缘作用；同时还可实现向外散热及缓和应力。其中气密性封装可靠性较高，但价格也高，目前由于封装技术及

材料的改进，树脂封占绝对优势，只是在有些特殊领域，尤其是国家级用户中，气密性封装是必不可少的。气密性封装所用到的外壳可以是金属、陶瓷玻璃，而其中气体可以是真空、氮气及惰性气体。

3．3 根据外形、尺寸、结构分类

按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装。

3．3．1 插入式封装

引脚插入式封装(Through-Hole Mount) 。此封装形式有引脚出来，并将引脚直接插入印刷电路板(PWB)中，再由浸锡法进行波峰焊接，以实现电路连接和机械固定。由于引脚直径和间距都不能太细，故印刷电路板上的通孔直径，间距乃至布线都不能太细，而且它只用到印刷电路板的一面，从而难以实现高密度封装。它又可分为引脚在一端的封装(Singleended)，引脚在两端的封装(Double ended)禾口弓 I 胜 9 矩正封装(Pin Grid Array)。

引脚在一端的封装(Single ended)又可分为三极管封装和单列直插式封装(Single In-line Package)。

引脚在两端的封装(Double ended)又可分为双列直插式封装， Z 形双列直插式封装和收缩型双列直插式封装等。

双列直插式封装(DIP：Dual In-line Package)。它是 20 世纪 70 年代的封装形式，首先是陶瓷多层板作载体的封装问世，后来Motorola和 Fairchild开发出塑料封装。绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过 100。 DIP 封装的芯片有两排引脚，分布于两侧，且成直线平行布置，引脚直径和间距为 2 ．54 mm(100 mil) ，需要插入到具有DIP 结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。此封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。此封装具有以下特点： (1)适合在印刷电路板(PCB)上穿孔焊接，操作方便； (2)芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大； (3)除其外形尺寸及引脚数之外，并无其它特殊要求，但由于引脚直径和间距都不能太细，故： PWB 上通孔直径、间距以及布线间距都不能太细，故此种 PKG 难以实现高密度封装，且每年都在衰退。

Z 形双列直插式封装(ZIP：Zigzag In-line Package)与 DIP 并无实质上的区别，只是引脚呈 Z 状排列，其目的是为了增加引脚的数量，而引脚的间距仍为 2 ．54 mm。陶瓷 Z 形双列直插式封装 CZIP(Ceramic Zag-Zag Package)它与 ZIP 外形一样，只是用陶瓷材料封装。

收缩型双列直插式封装(SKDIP：Shrink Dual In-line Package)形状与 DIP 相同，但引脚中心距为 1 ．778 mm(70 mil)小于DIP(2 ．54mm)，引脚数一般不超过 100 ，材料有陶瓷和塑料两种。

引脚矩正封装( PGA Pin Grid Array)。它是在 DIP 的基础上，为适应高速度，多引脚化(提高组装密度)而出现的。此封装的引脚不是单排或双排，而是在整个平面呈矩正排布，如图 1 所示。在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，与 DIP 相比，在不增加引脚间距的情况下，可以按近似平方的关系提高引脚数。根据引脚数目的多少，可以围成 2～5 圈，其引脚的间距为 2．54 mm ，引脚数量从几十到几百个。PGA 封装具有以下特点：

(1)插拔操作更方便，可靠性高；(2)可适应更高的频率；(3)如采用导热性良好的陶瓷基板，还可适应高速度．大功率器件要求；(4)由于此封装具有向外伸出的引脚， 一般采用插入式安装而不宜采用表面安装； (5)如用陶瓷基板，价格又相对较高，因此多用于较为特殊的用途。它又分为陈列引脚型和表面贴装型两种。

有机管引脚矩正式封装 OPGA(Organic pin grid Array)这种封装的基底使用的是玻璃纤维，类似印刷电路板上的材料。此种封装方式可以降低阻抗和封装成本。 OPGA 封装拉近了外部电容和处理器内核的距离，可以更好地改善内核供电和过滤电流杂波。

3．3．2 尺寸贴片封装(SOP)

表面贴片封装(Surface Mount) 。它是从引脚直插式封装发展而来的，主要优点是降低了 PCB 电路板设计的难度，同时它也大大降低了其本身的尺寸。我们需要将引脚插片封装的集成电路插入 PCB 中，故需要在 PCB 中根据集成电路的引脚尺寸(FootPrint)做出专对应的小孔，这样就可将集成电路主体部分放置在．PCB 板的一面，同时在 PCB 的另一面将集成电路的引脚焊接到 PCB 上以形成电路的连接，所以这就消耗了 PCB 板两面的空间，而对多层的 PCB 板而言，需要在设计时在每一层将需要专孔的地方腾出。而表面贴片封装的集成电路只须将它放置在 PCB 板的一面，并在它的同一面进行焊接，不需要专孔，这样就降低了 PCB 电路板设计的难度。表面贴片封装的主要优点是降低其本身的尺寸，从而加大了： PCB 上 IC 的密集度。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。表面贴片封装根据引脚所处的位置可分为：Single-ended(引脚在一面)、Dual(引脚在两边) 、Quad(引脚在四边)、Bottom(引脚在下面) 、BGA(引脚排成矩正结构)及其它。

Single-ended(引脚在一面)：此封装型式的特点是引脚全部在一边，而且引脚的数量通常比较少，如图 2 所示。它又可分为：导热型(Therinal-enhanced)，象常用的功率三极管，只有三个引脚排成一排，其上面有一个大的散热片；COF(Chip on Film)是将芯片直接联贴在柔性线路板上(现有的用 Flip—chip 技术)，再经过颦料包封而成，它的特点是轻而且很薄，所以当前被广泛用在液晶显示器(LCD)上以满足 LCD 分辨率增加的需要。其缺点是 Film 的价格很贵，其二是贴片机的价格也很贵。

Dual(引脚在两边)，如图 3 所示。此封装型式的特点是引脚全部在两边，而且引脚的数量不算多。它的封装型式比较多，义可细分为：SOT(Small outlineTransistor) 、 SOP(Small Outline Package)、SOJ(Small 0utline Package J-bent lea(1)、 SS()P(Shrink Small 0utline Package) 、HSOP(Heat-sink Small Outline Package)及其它。

SOT 系列主要有SOT-23 、SOT-223 、SOT-25 、SOT-26 、SOt323 、SOT-89等。当电子产品尺寸不断缩小时，其内部使用的半导体器件也必须变小。所以更小的半导体器件使得电子产品能够更小、更轻、更便携，相同尺寸包含的功能更多。对于半导体器件，其价值最好的体现在：PCB 占用空间和封装总高度上，优化了这些参数才能在更小的：PCB 上更紧凑地布局。 SOT 封装既大大降低了高度，又显著减小了 PCB 占用空间。如 SOT883 被广泛应用在比较小型的日常消费电器中如手机、照相机和 MP3 等等。

小尺寸贴片封装(SOP：Small 0utline Package)。荷兰皇家飞利浦公司在上世纪 70 年代就开发出小尺寸贴片封装 SOP，以后逐渐派生出 SOJ(J 型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SS()P(缩小型 SOP)、TSSOP(薄的缩小型 SOP)及 SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。SOP 典型引线间距是 1．27 mm，引脚数在几十之内。

薄型小尺寸封装(TSOP：Thin Small Out-Line Package)是在 20 世纪 80 年代出现的 TSOP 封装，它与 SOP 的最大区别在于其厚度很薄只有 1 mm，是 SOJ 的 1 ／3；由于外观上轻薄且小的封装，适合高频使用，以较强的可操作性和较高的可靠性征服了业界。大部分的 SDRAM内存芯片都是采用此封装方式。 TSOP 内存封装的外形呈长方形，且封装芯片的周围都有 I ／O 引脚。在 TSOP 封装方式中，内存颗粒是通过芯片引脚焊在 PCB 板上的，焊点和 PCB 板的接触面积较小，使得芯片向 PCB 板传热相对困难。而且 TSOP 封装方式的内存在超过 150MHz 后，会有很大的信号干扰和电磁干扰。

J 形引脚小尺寸封装 SOJ(Small Out-Line J-Leaded Package) 。引脚从封装主体两侧引出向下呈 J 字形，直接粘贴在印刷电路板的表面，通常为塑料制品，多数用于： DRAM 和SRAM等内存 LSI 电路，但绝大部分是 DRAM。用 SOJ 封装的DRAM 器件很多都装配在 SIMM 上。引脚中心距 1 ．27 mm，引肚 4 数为20-40。

3．3．3 表面贴片 QFP 封装

四边引脚扁平封装 (QFP：Plastic Quad Flat Pockage) 。QFP 是由 SOP 发展而来，其外形呈扁平状，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型，如图4 所示。鸟翼形引脚端子的一端由封装本体引出，而另一端沿四边布置在同一平面上。它在印刷电路板(PWB)上不是靠引脚插入 PWB 的通孔中，所以不必在主板上打孔，而是采用 SMT 方式即通过焊料等贴附在 PWB上，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点，将封装各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。因此， PWB两面可以形成不同的电路，采用整体回流焊等方式可使两面上搭载的全部元器件一次键合完成，便于自动化操作，实装的可靠性也有保证。这是目前最普遍采用的封装形成。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

此种封装引脚之间距离很小、管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装型式。其引脚数一般从几十到几百，而且其封装外形尺寸较小、寄生参数减小、适合高频应用；该封装主要适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线。

但是由于 QFP 的引线端子四周边布置，且伸出 PKG 之外，若引线间距过窄，引线过细，则端子更为柔嫩，难免制造及实装过程中发生变形等。当端子数超过几百个， 端了间距等于或小于 O ．3mm 时，要精确地搭载在电路图形上并与其占电路组件一起采用再流焊一次完成实装，难度极大，需要采用专用自动搭载以及高超的技能，致使价格剧增，而且还存在可靠性及成品率方面的问题。采用 J 字型引线端子的 PLCC 等可以缓解一些矛盾，但不能从根本上解决 QFP 的上述问题。由 QFP 衍生出来的封装型式还有 LCCC ，PLCC 以及 TAB 等。

此封装的基材有陶瓷、金属和塑料 3 种。从数量上看，塑料封装占绝大部分。当没有特别表示出材料时，多数情况为塑料 QFP。塑料 QFP 是最普及的多引脚 LSI 封装。不仅用于微处理器，门陈列等数字逻辑 LSI 电路，而且也用于 VTR 信号处理、音响信号处理等模拟 LSI 电路。引脚中心距有 1．0 mm、0．8 mm 、O．65 mm、0．5 mm、0．4 mm、0．3 mm等多种规格。 0．65 mm 中心距规格中最多引脚数为 304。通常不根据引脚中心距来划分，而是根据封装本体厚度分为 QFP(2 ．0～3 ．6mm 厚)、小型四边引脚扁平封装LQFP(Low Profile Quad Flat Package ，1 ．4mm 厚)和薄型四边引脚扁平封装 TQmin Quad Flat ．Package ，1 ．0 mm 厚)3 种。另外，有的 LSI 厂家把引脚中心距为 0．5 mm 的 QFP 专门称为收缩型 QFP 或 SQFP 、VQFP。但有的厂家把引脚中心距为 0．65mm 及 0．4 mm 的 QFP 也称为 SQFP。在逻辑LSI 方面，不少开发品和高可靠品都封装在多层陶瓷 QFP 里。引脚中心距最小为 0．4mm、引脚数最多为 348 脚的产品也已问世。此外，也有用玻璃密封的陶瓷 QFP 。QFP 封装的缺点是，当引脚中心距小于 0．65 mm 时，引脚容易弯曲。为了防止引脚变形，现已出现了几种改进的 QFP 品种。

塑料四边引脚扁平封装(PQFP：Plastic QUad Flat Package) 。芯片的四周均有引脚，其引脚数一般都在 100 以上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装型式。用这种型式封装的芯片必须采用表面安装设备技术(SMT)将芯片边上的引脚与主板焊接起来。 PQFP 封装适用于 SMT 表面安装技术在： PCB 上安装布线，适合高频使用，它具有操作方便、可靠性高、芯片面积与封装面积比值较小等优点。QFP 封装具有的特点：适用于 SMT

表面安装技术在 PCB 电路板上安装布线；适合高频使用；操作方便，可靠性高；芯片面积与封装面积之间的比值较小。带引脚的塑料芯片载体(PLCC：Plastic Leaded Chip Carrier)。它与 LCC 相似，只是引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形，是塑料制品。美国得克萨斯仪器公司首先在 64 k 位 DRAM 和 256kDRAM 中采用，现在已经普及用于逻辑 LSI、 DLD(或程逻辑器件)等电路。引脚中心距 1．27 mm，引脚数从 18 到 84 脚。J 形引脚不易变形，比 QFP 容易操作，但焊接后的外观检查较为困难。它与 LCC 封装的区别仅在于前者用塑料，后者用陶瓷，但现在已经出现用陶瓷制作的 J 形引脚封装和用塑料制作的无引脚封装。

无引脚芯片载体(LCC：Leadless Chip Carrier)或四侧无引脚扁平封装(QFN：Quad Flat NonLeaded Package) 。指陶瓷基板的 4 个侧面只有电极接触而无引脚的表面贴装型封装。由于无引脚，贴装占有面积比 QFP 小，高度比 QFP 低，它是高速和高频 IC 用封装。但是，当印刷基板与封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解。因此电极触点难于作到 QFP 的引脚那样多，一般从 14 到 1OO 左右：封装本体厚度为 1 ．O 、0．9 、0．85 和 0．8 mm ，电极触点中心距1 ．27 mm ；材料有陶瓷和塑料两种，当有 LCC 标记时基本上都是陶瓷 QFN，塑料 QFN 是以玻璃环氧树脂印刷基板基材的一种低成本封装，电极触点中心距除 1 ．27 mm 外，还有 0．65mm 和 0．5．mm 两种。

3．3．4 表面贴片 BGA 封装

球型矩正封装(BGA：Ball Grid Array)，见图 5。日本西铁城(CitiZell)公司于1987年着手研制塑料球型矩正封装，而后摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发 BGA 的行列。其后摩托罗拉率先将球型矩正封装应用于移动电话，同年康柏公司也在工作站、个人计算机上加以应用，接着 Intel 公司在计算机 CPU 中开始使用 BGA。虽然日本公司首先研发球型矩正封装，但当时日本的一些半导体公司想依靠其高超的操作技能固守 QFP 不放而对 BGA 的兴趣不大，而美国公司对：BGA应用领域的扩展，对 BGA 的发展起到了推波助澜的作用。 BGA 封装经过十几年的发展已经进入实用化阶段，目前 BGA已成为最热门封装。

随着集成电路技术的发展，对其封装要求越来越严格。这是因为封装关系到产品的性能，当 IC 的频率超过 100 MHz 时，传统封装方式可能会产生所谓的交调噪声“Cross-Talk Noise”现象，而且当 IC 的管脚数大于 208 脚时，传统的封装方式有其困难。因此，除使用 QFP 封装方式外，现今大多数的高脚数芯片皆转而使用 BGA 封装。 BGA 一出现便成为 CPU，高引脚数封装的最佳选择。 BGA 封装的器件绝大多数用于手机、网络及通讯设备、数码相机、微机、笔记本计算机、 PAD和各类平板显示器等高档消费市场。

BGA 封装的优点有： (1)输入输出引脚数大大增加，而且引脚间距远大于 QFP ，加上它有与电路图形的自动对准功能，从而提高了组装成品率； (2)虽然它的功耗增加，但能用可控塌陷芯片法焊接，它的电热性能从而得到了改善；对集成度很高和功耗很大的芯片，采用陶瓷基板，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作； (3)封装本体厚度比普通 QFP 减少 1／2 以上，重量减轻 3／4 以上；(4)寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高； (5)组装可用共面焊接，可靠性高。

BGA 封装的不足之处： BGA 封装仍与 QFP 、PGA 一样，占用基板面积过大；塑料 BGA 封装的翘曲问题是其主要缺陷，即锡球的共面性问题。共面性的标准是为了减小翘曲，提高 BGA 封装的特性，应研究塑料、粘片胶和基板材料，并使这些材料最佳化。 同时由于基板的成本高，致使其价格很高。

BGA 封装按基板所用材料可分有机材料基板 PBGA(Plastic BGA)、陶瓷基板 CBGA(CeramicB-GA)和基板为带状软质的TBGA(TapeBGA)，另外还有倒装芯片的 FCBGA(FilpChipBGA)和中央有方型低陷的芯片区的 CDPBGA(Cavity Down

PBGA) 。PBGA 基板：一般为 2～4 层有机材料构成的多层板，Intel 系列 CPU 中，Pentium II 、III 、IV 处理器均采用这种封装形式。CBGA 基板是陶瓷基板，芯片与基板问的电气连接通常采用倒装芯片(Flip Chip)的安装方式，又可称为 FCBGA； Intel 系列 CPU 中，Pentium I 、II 、Pentium Pro 处理器均采用过这种封装形式。 TBGA 基板为带状软质的 1～2 层 PCB电路板。

小型球型矩正封装 Tinv-BGA(Tinv Ball Grid Array) 。它与 BGA 封装的区别在于它减少了芯片的面积，可以看成是超小型的 BGA 封装，但它与 BGA 封装比却有三大进步：(1)由于封装本体减小，可以提高印刷电路板的组装密集度；(2)囚为芯片与基板连接的路径更短，减小了电磁干扰的噪音，能适合更高的工作频率； (3)更好的散热性能。

微型球型矩正封装 mBGA(micro Ball Grid Array)。它是。 BGA 的改进版，封装本体呈正方形，占用面积更小、连接短、电气性能好、也不易受干扰，所以这种封装会带来更好的散热及超频性能，尤其适合工作于高频状态下的 Direct RDRAM，但制造成本极高。

3．3．5 高级封装

晶片级封装 CSP(Chip Scale Package) 。几年之前以上所有的封装其封装本体面积与芯片面积之比通常都是几倍到几十倍，但近几年来有些公司在 BGA 、TSOP 的基础上加以改进而使得封装本体面积与芯片面积之比减小到接近 1 的水平，所以就在原来的封装名称下冠以芯片级封装以用来和以前封装的区别。就目前来看，人们对芯片级封装还没有一个统一的定义，有些公司将封装本体面积与芯片面积之比小于 2 的定为 CSP ，而有些公司将封装本体面积与芯片面积之比小于 1．

4 或 1 ．2 的定为 CSP。目前开发应用最为广泛的是 FBGA 和 QFN 等，主要用于内存件和逻辑器件。就目前来看 CSP的引脚数还不可能太多，从几十到一百以上。这种高密度、小巧、扁薄的封装非常适用于设计小巧的掌上型消费类电子装置，如个人信息工具、手机、摄录一体机、以及数码相机等。

CSP 封装具有以下特点：解决了 IC 裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题；封装面积缩小到 BGA 的 1／4～1 / 1 0，延迟时间缩小到极短； CSP 封装的内存颗粒不仅可以通过 PCB 板散热还可以从背面散热，且散热效率良好。 就封装型式而言，它属于已有封装型式的派生品，因此可直接按照现有封装型式来分为 4 类：框架封装型式(Lead Frame Type)、硬质基板封装型式(Rigid Substrate Type)、软质基板封装型式(Flexible Substrate Type)和芯片级封装(Wafer Level Package)。

多晶片模块 MCM(Multi Chip M0dule) 。20 世纪 80 年代初发源于美国，为解决单一晶片封装集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的晶片，在高密度多层互联基板上组成多种多样的电子模块系统，从而出现多晶片模块系统。它是把多块裸露的 IC 晶片安装在一块多层高密度互连衬底上，并组装在同一个封装中。它和 CSP 封装一样属于已有封装形式的派生品，是一种先进的封装技术。多芯片模块具有以下特点：封装密度更高，电性能更好，与等效的单芯片封装相比体积更小，是促使电路系统向小型化过渡的最好形式。如果采用传统的单个芯片封装的形式分别焊接在印刷电路板上，则芯片之间布线引起的信号传输延迟就显得非常严重，尤其是在高频电路中，而此封装最大的优点就是缩短芯片之间布线长度，而达到缩短延迟时间，易于实现模块高速化；缩小整机／模块的封装尺寸和重量；系统可靠性大大提高。 WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package)。此封装不同于传统的先切割晶圆，再组装测试的做法，而是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后再切割，如图 6 所示。它有着更明显的优势：首先是工艺工序大大优化，晶圆直接进入封装工序，而传统工艺在封装之前还要对晶圆进行切割、分类；所有集成电路一次封装，刻印工作直接在晶圆上进行，设备测试一次完成，有别于传统组装工艺；生产周期和成本大幅下降，它的生产周期已经缩短到 1 天半；使芯片所需引脚数减少，提高了集成度；引脚产生的电磁干扰几乎被消除，采用此封装的内存可以支持到 800 MHz 的频率，最大容量可达 1GB，所以它号称是封装的未来主流；它的不足之处是：签片得不到足够的保护。

防雷 / 过电压 / 电流 / ESD

电子电路保护器件专业提供商

针对POE取电, 国际IEEE 802.3标准说明 及两种取电方式

www.yint.com.cn 本文为音特公司技术人员经验总结，如有更合理方案，敬请联系探讨！

使用音特电子INT.P0640SCL+PPTC 保护POE取电装置.注:PPTC 选择要根据 IEEE 802.3标准 功率!

对TVS二极管效果与半导体放电管(俗称:晶闸管或Thyristor)

防雷 / 过电压 / 电流 / ESD

电子电路保护器件专业提供商

LED工程灯的电源防雷保护简述

引言:

随着全球化的节能减排趋势，LED技术的不断革新；从传统的白炽灯到灯丝上涂了一些电子粉的节能灯，到现在的LED节能灯；世界各大半导体厂商均在不断改进LED器件的能耗、使用寿命、散热问题等等技术；实质上，整个LED照明系统的损坏主要为驱动器的损坏，而现实中众多厂家对驱动电源的稳定性似乎考虑的不够充分！

LED节能产品已经广泛用于工业厂房照明，城市景观、城市照明、窗外广告照明、隧道照明等等！我司结合众多的项目经验，对于目前LED驱动电源的保护做一些简要的介绍：

主要涉及标准: IEC61000-4-5 / GB/T17626.5

综合波 8/20US 1.25/50US 低电电网源阻抗,使用等效输入2Ω试验等级:

第一部分：室外照明（不分恒流或恒压介绍）

特点：室外照明系统的工作环境非常恶劣，容易受到雷电浪涌干扰；驱动电源的损坏，维护成本较高昂。

电气特性：要求宽输入电压范围、恒流精度要求高、电流波动小

方案1

优点：它使用了共、差模全方位保护，并且在共差模线上均和放电管串接；正常情况没有漏电流，同时也会延长压敏电阻的使用寿命；一般情况，当压敏电阻发现失效时为开路或爆裂，也不免有特殊情况，压敏电阻短路失效时，放电管将会开路保护电路，否则会引起电路总线跳闸。

它在线上串接了抑制浪涌电流的热敏电阻，这种有利于当电源开关（ON/OFF）切换时，吸收浪涌电流，减少因开关过程的电火花产生，使得恒流精度更高、更稳定。也有利于后级整流稳压电路的器件寿命延长。

缺点：成本相对较高，占一定的空间

方案3

优点：性价比一般、它使用了差模保护，在差模线上和放电管串接；正常情况LN线之间没有漏电流，同时也会延长压敏电阻的使用寿命，它适合很多没有接PE保护地线的项目实施。

它在线上串接了抑制浪涌电流的热敏电阻，这种有利于当电源开关（ON/OFF）切换时，吸收浪涌电流，减少因开关过程的电火花产生，使得恒流精度更高、更稳定。也有利于后级整流稳压电路的器件寿命延长。缺点：浪涌电压仅靠器件吸收，没有合适泄放能量的地。

方案2

优点：它使用了共、差模全方位保护，在共模线上和放电管串接入PE保护地；正常情况线与PE线之间没有漏电流，同时也会延长压敏电阻的使用寿命。

它在线上串接了抑制浪涌电流的热敏电阻，这种有利于当电源开关（ON/OFF）切换时，吸收浪涌电流，减少因开关过程的电火花产生，使得恒流精度更高、更稳定。也有利于后级整流稳压电路的器件寿命延长。

缺点：差模线上压敏电阻发生短路失效，增加跳闸的机率

方案4

优点：性价比高、它使用了差模保护，在差模线上仅用压敏电阻；PCBLayout 不占空间,适合小功率紧凑型电路。

它在线上串接了抑制浪涌电流的热敏电阻，这种有利于当电源开关（ON/OFF）切换时，吸收浪涌电流，减少因开关过程的电火花产生，使得恒流精度更高、更稳定。也有利于后级整流稳压电路的器件寿命延长。

缺点：对于压敏电阻要求比较高，对机壳的阻燃性要求相对较高。

器件选择（110V电源 电压波动20%）：

器件选择（220V电源 电压波动20%）

第二部分：室内照明（不分恒流或恒压介绍）

特点：室内照明系统的工作环境相对较发，不容易受到雷电浪涌干扰；但容易受室内的电气设备的影响，需要充份考虑成本。

电气特性：要求输入电压范围适用、恒流精度要求一般

器件选择（110V电源 电压波动20%）：

器件选择（220V电源 电压波动20%）

方案说明:

1.以上器件选型,针对一般的电路设计,针对特定条件下的产品，做相应调整.

2.电流抑制热敏电阻的选择，还需要根据电源输入端的电容量选择，效果才能达到最佳,可参考我司《功率热敏电阻选型说明》。

第三部份： 国际部份安全及电磁兼容标准

目的：

电涌顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压，其来源分为外部来源（雷电和电网中开关操作等在电力线路上产生的过电压）和内部来源（空调、电梯、电焊机、空气压缩机和其它感应性负荷），根据统计，在美国：由于电涌给各行业造成的停产、时间的损失、设备维修、过早地更换设备等直接损失每年高达 260 亿美金，在中国，据有关统计，在保修期内出现问题的电气产品中，有 63%是由于电涌产生的。我司依据 GB/T17626.5 IEC61000-4-5对浪涌（冲击）抗扰度试验，对低压直流防雷保护方案做了一些整理和测试，以供大家参考。

1. 通用的低压直流保护方案

特点：

压敏电阻做粗保护，TVS瞬态抑制二极管做细保护，用电感或者PPTC自恢复保险丝耦合，浪涌的残压很低，温度保险丝 F 是为了让压敏电阻或者 TVS 短路失效后脱落电路，以防止短路电流过大造成火灾。

如果没有地线，可在“+”“-”间使用一个压敏电阻14D820K 和一个气体放电管做初级保护，中间用电感或者 PPTC自恢复保险丝做耦合，次级使用 TVS瞬态抑制二极管做细保护。

以上方案满足： IEC61000-4-5 10/700US 6KV /150A，1.2/50US&8/20US6KV /3KA

音特研发组：（www,yint,com.cn）

音特电子TVS、ESD、MOV、GDT等产品，主要应用于工业与仪器仪表领域的以下方面：

其中部分产品的应用列表为：

欢迎与音特技术工程师探讨，以及申请免费样品！

继电器广泛应用于消费电子产业和工业设备中，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种"自动开关".故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器可能因为过流或者过压而损害，继电器由一对或者几对触点和绕组组成。当绕组中有电流流过时，触点便会打开或者闭合。当继电器把流到感性负载的电流中断时，会出现电压尖脉冲，这是一个常见的问题。严重时，电压尖脉冲会超过继电器触点的额定电压，从而损坏触点。可能会突然损坏而且很严重，或者非常缓慢，要在多年后才能体现。

此外，当触点断开、电流中断时，如果在继电器触点中流过的电流过大，也会造成损坏。电流过大、电压过高还会损坏继电器的绕组。如果继电器绕组是设计成在正常工作的情况下只在短时间里有电流流过的话，在意外地有电流长时间流过时，电流虽然是在正常工作的范围之内，最终也会把绕组烧坏。

1.电路保护方案

保护继电器的方法有很多种，自恢复保险丝 PPTC 是常用的过流保护器件,它的特点是电路在正常工作时 PPTC 的电阻很小，对电路几乎没有影响，而当有过电流出现时，PPTC 的阻值迅速增大，使流经的电流降低到很低的水平。只有当电路切断，并排除故障，PPTC 重新冷却，才会恢复到低阻态的状态。PPTC 最大的优势是具有可复位功能，有助于降低维护成本，提高客户满意度。

 而压敏电阻 MOV 是一种常用的过压保护器件，它的特点是，在一定电流电压范围内电阻值随着电压的变化而变化，电气特性与两只背对背连接的硅稳压二极管非常相似，有着毫微秒级的响应速度， 当电路电压正常时，MOV 的阻值很高，相当于断路，而当有尖峰电压时，他提供非线性的电流导通通道，将电压限制在一定范围内，从而达到保护电路的目的。MOV 选型时，注意的参数主要是压敏电压和通流量的选择，具体请咨询音特电子。

下图给出一种典型的继电器保护电路，PPTC 与继电器线圈，继电器触点串联，在故障和意外过载时可限制电流，PPTC 的选择，首先考虑 PPTC 的耐压，还有继电器工作的最大稳态电流，还有动作时间，温度等等问题，详情可咨询音特电子。MOV 与触点并联，可有效的防止触点的。

继电器始终是会失效的，我们做保护，主要是希望延长继电器的使用时间，因为触点始终会积碳， 老化，其表面不如最初那样清洁。在继电器寿命临近后期时，其接触电阻会迅速增大。

关注公众号：音特电子，轻松了解。

关键词：继电器的过流过压保护、PPTC自恢复保险丝、压敏电阻。

音特电子解决方案：www.yint.com.cn

几乎没有一个物理量像温度一样，如此频繁地进行测量；通过红外线测量温度有各种可能性。除了传统的温度计之外，高温计（也称为激光测温仪或红外测温仪）用作温度测量仪已被有效验证。应用广泛，如钢铸造、炉温、机器零件、玻璃及室温、体温等各种物体表面温度的测量，针对特殊应用场景， 我司均有集约化的产品配合此类产品，满足各种需求。

一．产品应用优势：

1.1.延长测试枪使用寿命，具有过流保护和过压保护

1.2.有助于减少测试的干扰，提高稳定性、提高产品 EMC 性能

1.3.提高类似 MLX90614 芯片的 ASSP 性能

1.4.符 合 IEC 61000-4-2 (ESD）Air discharge: ±15kV Contact discharge: ±8kV

1.5.IEC61000-4-4 (EFT) 40A (5/50ns)

1.6.IEC61000-4-5 (Lightning) 12A (8/20μs)

二．典型应用产品：

三．应用拓扑：

四．器件与工作电压选择：

我司有多种封装形式可供选择,如：SOD523/SOD-923/DFN1006

五．应用说明：

5.1.过流保护的必要性，正常设备在使用过程，用户在更换外部电池或电源过程；很容易产生尖峰电流，对于红外芯片 A/D 采集器件是致命；更是关键的设计，红外传感内部设计齐纳二极管，当二极管 PN 结短路失效，导致电池短路；在石油化工行业将会导致火灾现象，造成更大的损失！

5.2.ESD 静电保护的必需性，此类产品的使用环境很恶劣，主要是人体的静电转移产生的瞬间宽脉冲的电压；还有在特殊工况场景，环境的影响更是不可控制。

六．产品特性：

6.1.防护器件大量用于汽车，工业品产品，具有高性能！

6.2.器件体积集约化，贴片 SMT 式

6.3.低寄生电容

6.4.ROHS 材 料

7．电气参数（Ta：25℃)：

ESDSR05:

关注公众号：音特电子，轻松了解。

关键词：红外温枪防护方案、PPTC自恢复保险丝、ESD静电二极管。

注：音特电子研发组（www.yint.com.cn）

防雷电路主要是为了吸收电路浪涌和瞬变产生的尖峰电压和抑制过电压，以保护变频器主回路。

通用的电路1：

使用较少的器件，4个压敏电阻和保险丝的组合，压敏电阻使用20D102K；保险丝使用10A慢断的保险丝，保险丝的主要作用是在压敏电阻老化短路失效后，使其和主电路脱离，防止火灾。

通用电路2：

使用的器件较多，6个压敏加上3个保险丝，共差模全防护，压敏电阻使用20D102K，保险丝使用10A慢断保险丝。

如果有浪涌的具体要求，或者耐压方面的要求，方案需更改，具体可联系我们技术人员。

目的：

电涌顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压，其来源分为外部来源（雷电和电网中开关操作等在电力线路上产生的过电压）和内部来源（空调、电梯、电焊机、空气压缩机和其它感应性负荷），根据统计，在美国：由于电涌给各行业造成的停产、时间的损失、设备维修、过早地更换设备等直接损失每年高达260亿美金，在中国，据有关统计，在保修期内出现问题的电气产品中，有63%是由于电涌产生的。我司依据GB/T17626.5  IEC61000-4-5对浪涌（冲击）抗扰度试验，对低压直流防雷保护方案做了一些整理和测试，以供大家参考。

测试波形：

    开路电压波形1.2/50μs      T1=1.2μs    T2=50μs

短路电流波形8/20μs     T1=8μs    T2=20μs

客户要求：

直流供电电压5V,供电电流常规2A，峰值可达5A，浪涌等级暂定为2KV。

低压直流保护方案：

特点：

压敏电阻或者气体放电管（大通流器件）做粗保护，TVS做细保护，用电感退耦，因为TVS的响应速度比压敏或者气体放电管快，使用电感的目的是当大浪涌出现时，使大部分能量通过压敏或者气体放电管泄放，剩余的小部分残压，通过TVS再次抑制，最终将浪涌削弱到EUT能承受的水平。最前端保险丝的作用是当后面压敏出现老化失效或者TVS出现异常时，能够及时断开电路，推荐使用慢断的保险丝。

由于客户电源的电流较大，空心电感可能比较难找，如果能够只使用压敏或者气体放电管，浪涌的残压后面电路能够承受，则只需使用压敏或者气体放电管。以下是，只使用压敏或者气体放电管，电路的残压：

供电电压 5V

测试仪器 8/20综合波浪涌发生器如下：

测试电压2KV:

将压敏或者气体放电管直接并在“+”“-”线上，打浪涌通过示波器查看残压。

压敏电阻14D820K的残压：

   压敏电阻14D的残压：

气体放电管1812-091的残压：

由于气放管的响应速度最慢，所以他抑制后的峰值电压最高，但是由于它是开关型器件，所以他的残压还是比较低的。

关键词：TVS二极管、压敏电阻14D820K、气体放电管1812-091。

如有问题，可联系技术人员快速为您解决：       

  （https://www.yint.com.cn）

  12V直流电源保护方案：

特点：

使用气体放电管（大通流器件）做粗保护，当有接地线时，推荐使用3pin的气放管3R090L（M）-8，但没有地线时，使用2pin的气放管2R090L（M）-8。TVS做细保护，用电感退耦，因为TVS的响应速度比气体放电管快，使用电感的目的是当大浪涌出现时，使大部分能量通过气体放电管泄放，剩余的小部分残压，通过TVS再次抑制，最终将浪涌削弱到EUT能承受的水平。

最前端保险丝的作用是TVS出现异常时，能够及时断开电路，根据客户电路的电流选择保险丝，保险丝选择时要注意，当浪涌测试时，瞬间电流很大，有几千安培，此时保险丝不能断开，需要保险丝抗浪涌能力强，一般推荐使用慢断的保险丝。

浪涌测试波形：

开路电压波形1.2/50μs  T1=1.2μs T2=50μs   

短路电流波形8/20μs     T1=8μs    T2=20μs

客户要求：

防雷电路能承受6KV-8KV的浪涌。

测试器件以及仪器：3R090L-8,150uH空心电感2个，SMDJ15CA，8/20综合波浪涌发生器，直流电源，示波器。如下所示：

测试电压差模±6KV各测试5次：

然后通过示波器查看TVS输出端的电压，如下所示：

从±6KV的测试结果来看，经过放浪涌电路后，浪涌残压很低，一般都能满足客户EUT的要求。从器件选型上来看，气体放电管最高能承受瞬间电流20KA，完全能够满足客户8KV浪涌的要求。

   关键词：气体放电管3R090L-8、TVS二极管SMDJ15CA、保险丝。

   如有问题，可联系技术人员

（https://www.yint.com.cn）