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    破解絕緣和導熱痛點!基本半導體力推內絕緣型碳化硅肖特基二極管

    近期,基本半導體推出內絕緣型的TO-220封裝碳化硅肖特基二極管產品。該產品在內部集成一個陶瓷片用于絕緣和導熱,可簡化生產步驟,提高生產質量和整機的長期可靠性,有效解決產業界痛點問題。內絕緣TO-220封裝外形跟普通鐵封TO-220產品基本一致,但其背面散熱器不再是二極管的陰極,屬于懸浮電位。

    1. TO-220內絕緣的結構示意圖


    01

    全塑封及鐵封TO-220優缺點對比

    產業界使用TO-220F(全塑封)已有較長歷史,其優點是全塑封外殼絕緣,在安裝時涂上導熱硅脂可直接打螺絲,不用墊絕緣布,節省工時。而其缺點也很明顯,Rthjc(結-殼熱阻)比鐵封(TO-220)熱阻大,導致電流輸出能力僅鐵封的30~40%,芯片電流利用率較低。
    2. TO-220F全塑封安裝示意圖

    相對應的,鐵封二極管產品的優勢在于背板與晶片直接焊接,Rthjc(結-殼熱阻)較小,電流輸出能力比TO-220F(全塑封)更強;缺點是其金屬外殼與陰極相連,在安裝時需使用鎖螺絲或壓條方式固定,還需使用絕緣硅膠布、硅膠墊、硅膠套或者陶瓷墊片材料用于絕緣及導熱,安裝工藝復雜,工時消耗較大。
    在設計過程中,需特別注意材料長期應用的可靠性問題:比如絕緣子在高溫及溫度循環的作用下會出現老化形變的情況,同樣硅膠布在高溫及溫度循環的作用下也會老化。絕緣子被污染物覆蓋,表面出現爬電現象,導致電源損壞。
    內絕緣TO-220產品的出現提供了一個新的可能,下面具體介紹全塑封、鐵封和內絕緣封裝的安裝工藝。

    02

    TO-220二極管的安裝工藝對比

    TO-220二極管主要有螺絲和壓條兩種工藝路線,以解決絕緣和導熱的問題,設計時可綜合考慮效率、質量、成本這幾個因素選擇適合的工藝。

    鐵封TO-220采用硅膠布或者陶瓷墊片,再配合絕緣子、螺絲安裝。該工藝簡單,工時少,治具要求低,精度要求低。但是絕緣子和陶瓷片弱點在于質量及可靠性,陶瓷片工藝需要2次涂硅脂。

    內絕緣TO-220加螺絲工藝只需在器件背面涂一次硅脂,不使用絕緣子,無耐壓風險,絕緣由內部陶瓷片完成,省工時,一次性通過率最高。

    全塑封TO-220加螺絲工藝也只需在器件背面涂一次硅脂,不使用絕緣子,無耐壓風險。

    壓條工藝采用硅膠墊、硅膠布或者硅膠套,配合壓條使用。壓條工藝可省掉涂硅脂環節,爬電的處理比較好,回避了污染問題。但對治具要求高,精度要求高,工時高,熱阻大(電流能力損失大),維修時比較麻煩。

    由上表內容可以看出,內絕緣TO-220省工時,可靠性高, 安裝增加的熱阻小。


    03

    內絕緣封裝三大應用優勢

    1、簡化生產工藝及縮短工時

    內絕緣封裝把導熱與絕緣兩個務都集成到器件內部,簡化了生產工藝,省了。例如普通TO-220+陶瓷墊片工藝需經過陶瓷墊片背面涂導熱硅脂壓散熱器器件背面涂導熱硅脂壓陶瓷墊片螺絲套絕緣子后鎖在散熱器5個步驟,內絕緣器件安裝只需器件背面涂導熱硅脂壓散熱器螺絲鎖在散熱器上3個步驟。

    4. TO-220鐵封配合陶瓷墊片的剖面示意圖

    圖5. TO-220內絕緣的剖面示意圖

    2、提高生產質量和長期可靠性
    內絕緣封裝有助于提升電源產品生產質量。因為陶瓷片易碎裂,會導致人工成本增加,工時更長,耐壓測試易失敗,影響生產通過率;由于陶瓷墊片易碎,為保證產品質量,設計時需增加陶瓷墊片厚度,但其厚度會導致熱阻上升
    內絕緣封裝使整機長期可靠性提高,回避了絕緣子造成的可靠性薄弱環節:絕緣子的可靠性較差,長期高溫會老化,此外因絕緣子較薄,粉塵污染后有爬電的風險
    3、內絕緣封裝熱阻優勢明顯
    對比基本半導體三種TO-220封裝的(10A晶片)熱阻參數,可發現內絕緣封裝比全塑封封裝熱阻更低,鐵封封裝因需在外部裝陶瓷片或硅膠布,最后的系統熱阻更高,與內絕緣封裝系統熱阻差距不明顯


    04

    熱導率、熱阻計算式及常用導熱材料的熱導率

    熱阻的計算式:

    d:材料的厚度,單位:m ;λ:材料的熱導率,單位:W/m*K ;A:材料的面積,單位:m2)。
    1. 常用導熱材料的熱導率

    材料
    熱導率λ(W/m?K)
    395
    普通導熱硅膠墊
    2.5
    3M導熱硅膠墊
    6
    普通導熱硅脂(75元/kg)
    1.5
    高級導熱硅脂(620元/kg)
    6
    Al2O3 導熱陶瓷
    24-29
    AlN 導熱陶瓷
    190-260

    根據熱阻計算公式,可以估算出陶瓷墊片及導熱硅脂的熱阻(不精確)
    1)陶瓷墊片的熱阻:
    厚度假設1mm,λ=24W/m*K,尺寸=15mm*10mm(TO-220背板尺寸):

    2)導熱硅脂的熱阻:
    厚度假設為10um,λ=1.5W/m*K,尺寸=15mm*10mm(TO-220背板尺寸):
    使用不同材料的墊片都會或多或少增加熱阻,TO-220內絕緣封裝無需墊片,減少了不必要熱阻的增加。

    05

    總結

    基本半導體推出的內絕緣TO-220封裝碳化硅肖特基二極管產品,從優化安裝工藝、提升產品質量、減少熱阻方面很好地解決了絕緣和導熱痛點。

    *:under development


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