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陶瓷垫片在大功率电源产品中的应用(1)

放大字体  缩小字体 发布日期:2011-01-13  来源:《电源世界》  浏览次数:1021
1、引言

    陶瓷垫片是一种高导热性能的材料,主要由氧化铝组成(氧化铝含量高达96%以上),外观呈纯白色,质地坚硬,主要用于功率器件与散热器之间的传热和电气隔离。它与功率器件(如功率MOS管、功率三极管等)、铝散热器、PCB板紧密结合后,密封性能极佳,能达到防尘、防水、导热、绝缘的理想效果,并能适应高温、高压、多尘的恶劣工作环境,提高设备运行的安全性和稳定性。文中分析了陶瓷垫片的性能特点,并对它在电源产品应用中的安规、工艺、结构等设计进行了探讨,最后给出了它在电子负载(模块电源高温老化专用负载)上的应用。

    2、陶瓷垫片的性能特点

    陶瓷垫片有以下特点:

    ⑴陶瓷垫片导热系数(20℃)高达20 W/(m-K)~30W/(m-K),远比普通导热垫片的导热系数高,因此在功率器件散热要求非常苛刻的条件下得到了广泛的应用。而目前导热垫片的导热系数大都在2.0 W/(m-K)以下,导热系数较高的贝格斯Sil-Pad2000系列也只有3.5W/(m-K);

    ⑵耐高温和高压。陶瓷垫片的击穿强度在10kV~12kV,允许使用的最高温度达1600℃,能适应高温、高压、高磨损、强腐蚀的恶劣工作环境,满足电源产品在各种场合的应用要求;

    ⑶使用寿命较长。可以减少设备的维修次数,提高设备运行的安全性和稳定性;

    ⑷符合欧盟ROHS环保标准。

    3、散热路径

    普通导热垫片是由软介质的材料组成,可以填充功率器件和散热器表面之间的细小间隙,减小其接触热阻。而陶瓷垫片由质地坚硬的氧化铝组成,表面有一定的粗糙度,如果直接装配,功率器件与陶瓷垫片之间、散热器与陶瓷垫片之间会存在很多间隙,严重影响散热效率,使散热器的性能大大打折扣,甚至无法发挥作用。因此,在采用陶瓷垫片做导热材料时,还需要在其两个表面涂加导热硅脂,用于填充陶瓷垫片与散热器、陶瓷垫片与功率器件之间的细小间隙,减小它们之间的接触热阻。

   加装陶瓷垫片后,功率器件到环境温度的热阻主要由导热硅脂热阻、陶瓷垫片热阻、导热硅脂热阻、散热器热阻组成。其散热路径分为两部分:

    ⑴功率器件(热源)→导热硅脂→陶瓷垫片→导热硅脂→散热器(热传递以传导为主);
    ⑵散热器→环境空气(热传递以对流为主)。
    图1给出功率器件的热阻模型及散热路径。影响功率器件的热阻因素主要有陶瓷垫片的表面平整度、陶瓷垫片和导热硅脂的厚度、散热器的厚度及形状、紧固件的压力等,而这些因素又与实际应用条件有关,所以功率器件到散热器之间的热阻也将取决于实际装配条件。


 
图1 加装陶瓷垫片后的功率器件热阻模型
4、安装工艺及安规、散热设计

    4.1、散热器选型的注意事项

    陶瓷垫片与导热垫片比较有以下缺陷(散热器选型时需注意的地方):陶瓷垫片的材质坚硬,但较脆,抗弯曲变形能力较差,在散热器表面平整度非常差的情况下,安装时易碎裂。所以在使用陶瓷垫片做导热元件时,一定要求厂家控制散热器的表面平整度,使该指标控制在允许的范围之内。

    4.2、工艺装配方式(以功率MOS管为例进行分析)

    陶瓷垫片和功率MOS管、散热器在安装过程中,涉及到工艺和安规问题,下面将一一介绍。

    4.2.1镙钉固定方式

    安装功率MOS管后,因镙钉与功率MOS管金属部分的爬电距离受限,所以镙钉固定方式只能用于功能绝缘的场合(散热器不接外壳大地),不能用于加强绝缘的场合(外壳作散热器,安规距离要求较大),否则安规不能满足设计要求。

    ⑴采用镙钉固定TO-247封装的功率MOS管

    TO-247封装的功率MOS管只有背面散热部分才有金属,其它部分都为塑料,所以在固定该功率MOS管时,不要做特殊处理,将陶瓷垫片(两面需涂导热硅脂)夹在功率MOS管和散热器之间,直接用镙钉固定即可满足功能绝缘的要求,如图2(a)、(b)所示,功率MOS管金属部分与镙钉的爬电距离为1.3 mm ~1.5mm(由厂商的功率MOS管形状决定)。


        
(a)                                (b)
图2  (a)TO-247封装的功率MOS管背面图; (b) 镙钉固定TO-247封装的功率MOS管。

    ⑵采用镙钉固定TO-220封装的功率MOS管

    在固定TO-220封装的功率MOS管时,需在镙钉上增加一个塑料垫(如图3所示),防止功率MOS管金属部分通过镙钉与散热器接触,造成短路。增加塑料垫后,功率MOS管金属部分与镙钉的爬电距离≥1mm。陶瓷垫片同样需要两面涂导热硅脂,减小其接触热阻。


 
图3  镙钉固定TO-220封装功率MOS管

    4.2.2压条固定方式

    采用压条固定功率MOS管时,主要用于对安规要求较高的场合。它有两种固定方式:横压和竖压。图4(a)给出采用竖压方式固定功率MOS管(TO-220或TO-247封装)的示意图,图4(b)给出采用横压方式固定功率MOS管(TO-220或TO-247封装)的示意图。

    工艺设计要注意以下3点:①采用压条固定功率MOS管时,要选择不开镙钉孔的陶瓷垫片,否则会大大减小功率MOS管到散热器的爬电距离;②陶瓷垫片的尺寸必须满足功率MOS管到散热器的爬电距离要求;③由于压条通过镙钉直接与散热器连接,所以压条必须加装绝缘套管,增加功率MOS管到散热器的爬电距离。

 


(a)                                                                               (b)

图4 (a)采用竖压方式固定功率MOS管示意图; (b) 采用横压方式固定功率MOS管示意图。

    4.3、热设计和结构设计注意事项

    常用的陶瓷垫片类型有单片、双片等。双陶瓷垫片主要用于两个功率MOS 管并联安装使用。图5给出了双陶瓷垫片在PCB 和结构设计上的各个参数及其尺寸大小(以TO-247封装功率MOS管为例)。

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