連接線廣泛用于連接芯片的引線端子和半導體器件的外部引腳。連接所用導線一般由黃金制成，因為黃金能抵御氧化，并具備很高的導電性，而且用黃金可相對容易地連接IC引線端子和器件引腳。

　　用銅導線取代黃金導線的方法勢頭越來越強，因為銅具備卓越的電氣和熱特性、相對更少的金屬間化合生長和更高的機械穩定性。

　　在電源管理IC等具備大DC電流的器件中，會使用大量導線來傳導這種電流。這些額外的導線有助于改善DC壓降性能，并降低由大電流及其產生的有關熱量（焦耳生熱現象）導致的導線熔斷或融化風險。不幸的是，就給定應用而言，還沒有一種能用來估計導線數量和尺寸的方法或分析方法。所使用的導線數量或者太多，增加了芯片面積和成本，或者太少，導致可靠性風險和器件失靈。

　　本文探討一種方法，用來估計不同尺寸和類型的導線處理DC電流的能力。本文還提供一些指導原則，將有助于產品設計師估計特定的應用所需的最佳導線數量。

　　估計理論上的載流能力

　　導線熔斷的經典設計方程是由W.H. 普里斯推導出來的（1884年，稱為普里斯方程），僅適用于在自由空氣中的導線。

　　該方程揭示了熔斷電流（以安培為單位）和導線直徑（以英寸）為單位之間的關系，如下所示。

　　i=kD3/2

　　其中，i是DC或RMS電流；k是常數，其值取決于導線材料，就黃金和銅導線而言，k=10，244；D=導線直徑（單位為英寸）。

　　這個方程的限制是，它僅適用于在自由空氣中的導線。此外，它未考慮導體長度。而導線的載流能力是受長度影響的，而且會隨著長度增加而降低。

　　經過修改的普里斯方程

　　為了解決上述限制，人們對普里斯方程進行了修改，用數值更大的常數k來反映典型應用的情況，在典型應用中，導線是用基于環氧樹脂的模塑化合物密封的。這個常數k也反映了導線長度對導線載流能力的影響。導體長度≤0.040”時，黃金和銅導線的k值均為30，000，而在導體長度》 0.040”時，其k值均為20，500。

　　軍用規格（MIL-M-38510J）中提到的方程就是基于修改過的普里斯方程。

　　表1列出了用兩個版本的普里斯方程計算出的兩種類型導體的載流能力。

　　表1 基于普里斯方程計算出的載流能力

　　即使是修改過的普里斯方程，仍然存在限制：

　　1所顯示的載流能力值是與材料無關的。與黃金導線相比，銅導線的熱導率高20%，電導率高30%，這從理論上應該轉化為，銅導線能比黃金導線傳送更大的電流。

　　2 該方程沒有推斷導體長度超出0.040”（約為1mm導線長度）時導體的載流能力。大多數應用的導線長度在2～3mm范圍內，有時還會超出這一范圍。隨著導體長度的變化，導線的載流能力有很多的變化，而該方程沒有考慮這種情況。

　　鑒于上述限制，有必要尋找一種新的方法，這種方法須考慮已知幾何尺寸及材料特性信息以及典型應用造成的限制。

　　導體中的焦耳生熱現象

　　當電流流經一段非理想的、具備有限電阻的導體時，就會有熱量釋放出來，通過稱為焦耳生熱或電阻生熱的過程，將電能轉化成熱能。所釋放的熱量大小與通過導體的電流的平方以及導體的電阻成正比，3者關系如下：

　　Qgenerated=I2R

　　就一段被靜止空氣包圍的導體而言，產生的所有熱量都通過導體散出，而沒有熱量從導體表面傳導出去。當以下等式成立時，系統達到穩定狀態：

　　Qgenerated=Qdissipated

　　通過由以下等式顯示的簡單熱量傳導過程，所產生的熱量通過這段導線散出：

　　Qdissipated=kAdt/dx

　　其中，k是導線的熱傳導率；A=導線的橫截面積；dT=導線兩端的溫度差；dx=導線長度。

　　重新排列上述等式并簡化為：

　　進行進一步簡化：

　　根據上述關系，假定其他所有條件都保持相同，那么與黃金導線相比，銅導線能處理的DC或RMS電流應該大25%。

　　在大多數實際應用中，熱量不僅能通過導線傳導出去，而且還能通過環氧樹脂模塑化合物，從導線表面在徑向方向傳導出去。二者結合以后的熱傳導現象很復雜，不可能用閉環的方程準確分析。因此，人們運用具備熱電耦合物理求解程序的有限的元件建模軟件來分析不同導線參數的作用。

　　應用描述和建模

　　在由導線連接的典型封裝中，芯片上焊盤，這些焊盤用導線連接到封裝引線，導線主要是黃金或銅質的。圖1顯示了一種典型的封裝構造。

　　圖1具備重要溫度監視點的PCB上的封裝

　　商業應用將最高環境溫度限制為不超過70℃，而工業應用則將該溫度限定為85℃。大多數應用規定，芯片的最高節溫為125℃，而有些應用則規定該溫度為150℃。

　　為了估計在最壞情況下導線的載流能力，該模型假定，最高芯片節溫為125℃時的環境溫度為工業環境溫度。自然對流邊界條件適用于封裝表面，這時封裝引線溫度為100℃。

　　小量電流流經導線時，不改變整條導線的溫度曲線，導線兩端仍然保持相同的原始溫度。隨著電流的穩步增大，最高溫度不再是芯片節溫，而是導線中間某處的溫度。

　　在模塑化合物的玻璃化轉變溫度（Tg）上，材料從硬的、相對較脆的狀態轉變為軟的、類似橡膠的狀態，這時典型溫度大約為150℃。如果流經導線的電流使模塑化合物的溫度超過其Tg溫度，那么時間和溫度將使這條連接線上的環氧樹脂材料的化學鍵劣化。這不僅導致模塑化合物的熱阻增大，而且增大了材料的滲透性，使材料容易侵入潮氣和其他離子污染物。因此，在計算導線的載流能力時，假定150℃的導線-模塑化合物連接線溫度為上限溫度。

　　以此為標準，來分析導線材料的類型、導線長度和導線直徑的影響，并將分析數據與理論上的估計值進行比較。

　　圖2顯示了采用3種方法計算出的1mm長黃金導線的載流能力。利用FEM方法所得的電流值在開始時，與利用修改過的普里斯方程計算出的電流值相同，不過隨著導線直徑增大，兩條電流曲線出現了偏離。

　　圖2 用FEM方法和修改過的普里斯方程計算出的1mm長黃金導線的載流能力

　　圖3顯示了用FEM方法計算出的1mm長黃金導線及銅導線的載流能力。正如所預期的那樣，與黃金導線相比，銅導線能傳送更大的電流。

　　圖3 用FEM方法算出的1mm長黃金及銅導線的載流能力

　　圖4顯示用FEM方法計算出的3種不同長度黃金導線的載流能力。正如所預期的那樣，隨著長度增加，導線傳送電流的能力下降了。

　　圖4 用FEM方法計算出的3種不同長度黃金導線的載流能力

　　表2總結了不同導線組合的電流值（單位：安培）。

　　表2 不同導線組合的電流值（單位：安培）總結

　　總之，本文針對實際應用環境，闡明了導線材料類型、導線長度和導線直徑對導線載流能力的影響。本文還探討了用常規方法估計載流能力產生的限制。