碳化硅肖特基二极管(Silicon Carbide Schottky Diode)是一种高性能半导体器件,具有低开启电压、高速开关、高温性能等优点,广泛应用于电源、驱动、逆变器、电动汽车等领域。
它使用的是一种全新的技术,可为硅提供出色的开关性能和更高的可靠性。
无反向恢复电流、温度独立的开关特性和出色的热性能,使碳化硅成为下一代功率半导体。
系统优势包括极高能效、更快的工作频率、更高的功率密度、更低的 EMI 和更低的系统尺寸和成本。
本期将跟大家分享的是半导体内绝缘型TO-220封装碳化硅肖特基二极管产品。
该产品在内部集成一个陶瓷片用于绝缘和导热,可简化生产步骤,提高生产质量和整机的长期可靠性,有效解决产业界痛点问题。
内绝缘TO-220封装外形跟普通铁封TO-220产品基本一致,但其背面散热器不再是二极管的阴极,属于悬浮电位。
一、 全塑封及铁封TO-220优缺点对比产业界使用TO-220F(全塑封)已有较长历史,其优点是全塑封外壳绝缘,在安装时涂上导热硅脂可直接打螺丝,不用垫绝缘布,节省工时。
而其缺点也很明显,Rthjc(结-壳热阻)比铁封(TO-220)热阻大,导致电流输出能力仅铁封的30~40%,芯片电流利用率较低。
相对应的,铁封二极管产品的优势在于背板与晶片直接焊接,Rthjc(结-壳热阻)较小,电流输出能力比TO-220F(全塑封)更强;缺点是其金属外壳与阴极相连,在安装时需使用锁螺丝或压条方式固定,还需使用绝缘硅胶布、硅胶垫、硅胶套或者陶瓷垫片材料用于绝缘及导热,安装工艺复杂,工时消耗较大。
在设计过程中,需特别注意材料长期应用的可靠性问题:比如绝缘子在高温及温度循环的作用下会出现老化形变的情况,同样硅胶布在高温及温度循环的作用下也会老化。
绝缘子被污染物覆盖,表面出现爬电现象,导致电源损坏。
内绝缘TO-220产品的出现提供了一个新的可能,下面具体介绍全塑封、铁封和内绝缘封装的安装工艺。
二、TO-220二极管的安装工艺对比TO-220二极管主要有螺丝和压条两种工艺路线,以解决绝缘和导热的问题,设计时可综合考虑效率、质量、成本这几个因素选择适合的工艺。
铁封TO-220采用硅胶布或者陶瓷垫片,再配合绝缘子、螺丝安装。
该工艺简单,工时少,治具要求低,精度要求低。
但是绝缘子和陶瓷片弱点在于质量及可靠性,陶瓷片工艺需要2次涂硅脂。
内绝缘TO-220加螺丝工艺只需在器件背面涂一次硅脂,不使用绝缘子,无耐压风险,绝缘由内部陶瓷片完成,省工时,一次性通过率最高。
全塑封TO-220加螺丝工艺也只需在器件背面涂一次硅脂,不使用绝缘子,无耐压风险。
压条工艺采用硅胶垫、硅胶布或者硅胶套,配合压条使用。
压条工艺可省掉涂硅脂环节,爬电的处理比较好,回避了污染问题。
但对治具要求高,精度要求高,工时高,热阻大(电流能力损失大),维修时比较麻烦。
由上表内容可以看出,内绝缘TO-220省工时,可靠性高, 安装增加的热阻小。
三、 内绝缘封装三大应用优势1、简化生产工艺及缩短工时内绝缘封装把导热与绝缘两个任务都集成到器件内部,简化了生产工艺,省了工时。
例如普通TO-220+陶瓷垫片工艺需经过陶瓷垫片背面涂导热硅脂、压散热器、器件背面涂导热硅脂、压陶瓷垫片和螺丝套绝缘子后锁在散热器5个步骤,内绝缘器件安装只需器件背面涂导热硅脂、压散热器和螺丝锁在散热器上3个步骤。
2、提高生产质量和长期可靠性内绝缘封装有助于提升电源产品生产质量,因为陶瓷片易碎裂,会导致人工成本增加,工时更长,耐压测试易失败,影响生产通过率;由于陶瓷垫片易碎,为保证产品质量,设计时需增加陶瓷垫片厚度,但其厚度会导致热阻上升。
内绝缘封装使整机长期可靠性提高,回避了绝缘子造成的可靠性薄弱环节:绝缘子的可靠性较差,长期高温会老化,此外因绝缘子较薄,粉尘污染后有爬电的风险。
3、内绝缘封装热阻优势明显对比基本半导体三种TO-220封装的(10A晶片)热阻参数,可发现内绝缘封装比全塑封封装热阻更低,铁封封装因需在外部装陶瓷片或硅胶布,最后的系统热阻更高,与内绝缘封装系统热阻差距不明显。
四、热导率、热阻计算式及常用导热材料的热导率1、热阻的计算式(d:材料的厚度,单位:m ;λ:材料的热导率,单位:W/m*K ;A:材料的面积,单位:m2)。
表1.常用导热材料的热导率材料热导率λ(W/m∙K)铜395普通导热硅胶垫2.53M导热硅胶垫6普通导热硅脂(75元/kg)1.5高级导热硅脂(620元/kg)6Al2O3 导热陶瓷24-29AlN 导热陶瓷190-260根据热阻计算公式,可以估算出陶瓷垫片及导热硅脂的热阻(不精确)1)陶瓷垫片的热阻:厚度假设为1mm,λ=24W/m*K,尺寸=15mm*10mm(TO-220背板尺寸):2、导热硅脂的热阻厚度假设为10um,λ=1.5W/m*K,尺寸=15mm*10mm(TO-220背板尺寸):使用不同材料的垫片都会或多或少增加热阻,TO-220内绝缘封装无需垫片,减少了不必要热阻的增加。
总结一下总之,碳化硅肖特基二极管是一种高性能半导体器件,而行业中推出的内绝缘型TO-220封装碳化硅肖特基二极管产品,更是从优化安装工艺、提升产品质量、减少热阻等方面很好地解决了绝缘和导热痛点,将在未来的高效能电子器件中扮演重要角色,为人类创造更加美好的生活。
-----END-----免责声明:本文为作者独立观点,不代表作者本人立场。
如因作品内容、版权等存在问题或者其他任何异议,欢迎联系处理。