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常見問題

氧化鋁陶瓷片應用

來源:http://www.kluvers.net點擊3332作者:聯騰達 發布:2017-04-27打印文本

1、引言

陶瓷墊片是一種高導熱性能的材料,主要由氧化鋁組成(氧化鋁含量高達96%以上),外觀呈純白色,質地堅硬,主要用于功率器件與散熱器之間的傳熱和電氣隔離。它與功率器件(如功率MOS管、功率三極管等)、鋁散熱器、PCB闆緊密結合後,密封性能極佳,能達到防塵、防水、導熱、絕緣的理想效果,并能适應高溫、高壓、多塵的惡劣工作環境,提高設備運行的安全性和穩定性。文中分析了陶瓷墊片的性能特點,并對它在電源産品應用中的安規、工藝、結構等設計進行了探讨,最後給出了它在電子負載(模塊電源高溫老化專用負載)上的應用。

2、陶瓷墊片的性能特點

陶瓷墊片有以下特點:

陶瓷墊片導熱系數(20℃)高達20 W/(m-K)~30W/(m-K),遠比普通導熱墊片的導熱系數高,因此在功率器件散熱要求非常苛刻的條件下得到了廣泛的應用。而目前導熱墊片的導熱系數大都在2.0 W/(m-K)以下,導熱系數較高的貝格斯Sil-Pad2000系列也隻有3.5W/(m-K)

耐高溫和高壓。陶瓷墊片的擊穿強度在10kV~12kV,允許使用的最高溫度達1600℃,能适應高溫、高壓、高磨損、強腐蝕的惡劣工作環境,滿足電源産品在各種場合的應用要求;

使用壽命較長。可以減少設備的維修次數,提高設備運行的安全性和穩定性;

符合歐盟ROHS環保标準。

3、散熱路徑

普通導熱墊片是由軟介質的材料組成,可以填充功率器件和散熱器表面之間的細小間隙,減小其接觸熱阻。而陶瓷墊片由質地堅硬的氧化鋁組成,表面有一定的粗糙度,如果直接裝配,功率器件與陶瓷墊片之間、散熱器與陶瓷墊片之間會存在很多間隙,嚴重影響散熱效率,使散熱器的性能大大打折扣,甚至無法發揮作用。因此,在采用陶瓷墊片做導熱材料時,還需要在其兩個表面塗加導熱矽脂,用于填充陶瓷墊片與散熱器、陶瓷墊片與功率器件之間的細小間隙,減小它們之間的接觸熱阻。

加裝陶瓷墊片後,功率器件到環境溫度的熱阻主要由導熱矽脂熱阻、陶瓷墊片熱阻、導熱矽脂熱阻、散熱器熱阻組成。其散熱路徑分為兩部分:

功率器件(熱源)導熱矽脂陶瓷墊片導熱矽脂散熱器(熱傳遞以傳導為主);
散熱器環境空氣(熱傳遞以對流為主)。
1給出功率器件的熱阻模型及散熱路徑。影響功率器件的熱阻因素主要有陶瓷墊片的表面平整度、陶瓷墊片和導熱矽脂的厚度、散熱器的厚度及形狀、緊固件的壓力等,而這些因素又與實際應用條件有關,所以功率器件到散熱器之間的熱阻也将取決于實際裝配條件。

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加裝陶瓷墊片後的功率器件熱阻模型


4、安裝工藝及安規、散熱設計

4.1、散熱器選型的注意事項

陶瓷墊片與導熱墊片比較有以下缺陷(散熱器選型時需注意的地方):陶瓷墊片的材質堅硬,但較脆,抗彎曲變形能力較差,在散熱器表面平整度非常差的情況下,安裝時易碎裂。所以在使用陶瓷墊片做導熱元件時,一定要求廠家控制散熱器的表面平整度,使該指标控制在允許的範圍之内。

4.2、工藝裝配方式(以功率MOS管為例進行分析)

陶瓷墊片和功率MOS管、散熱器在安裝過程中,涉及到工藝和安規問題,下面将一一介紹。

4.2.1镙釘固定方式

安裝功率MOS管後,因镙釘與功率MOS管金屬部分的爬電距離受限,所以镙釘固定方式隻能用于功能絕緣的場合(散熱器不接外殼大地),不能用于加強絕緣的場合(外殼作散熱器,安規距離要求較大),否則安規不能滿足設計要求。

采用镙釘固定TO-247封裝的功率MOS

TO-247封裝的功率MOS管隻有背面散熱部分才有金屬,其它部分都為塑料,所以在固定該功率MOS管時,不要做特殊處理,将陶瓷墊片(兩面需塗導熱矽脂)夾在功率MOS管和散熱器之間,直接用镙釘固定即可滿足功能絕緣的要求,如圖2a)、(b)所示,功率MOS管金屬部分與镙釘的爬電距離為1.3 mm ~1.5mm(由廠商的功率MOS管形狀決定)。

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(a) (b)
2 (a)TO-247封裝的功率MOS管背面圖; (b) 镙釘固定TO-247封裝的功率MOS管。


采用镙釘固定TO-220封裝的功率MOS

在固定TO-220封裝的功率MOS管時,需在镙釘上增加一個塑料墊(如圖3所示),防止功率MOS管金屬部分通過镙釘與散熱器接觸,造成短路。增加塑料墊後,功率MOS管金屬部分與镙釘的爬電距離≥1mm。陶瓷墊片同樣需要兩面塗導熱矽脂,減小其接觸熱阻。

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镙釘固定TO-220封裝功率MOS


4.2.2壓條固定方式

采用壓條固定功率MOS管時,主要用于對安規要求較高的場合。它有兩種固定方式:橫壓和豎壓。圖4a)給出采用豎壓方式固定功率MOS管(TO-220TO-247封裝)的示意圖,圖4b)給出采用橫壓方式固定功率MOS管(TO-220TO-247封裝)的示意圖。

工藝設計要注意以下3點:采用壓條固定功率MOS管時,要選擇不開镙釘孔的陶瓷墊片,否則會大大減小功率MOS管到散熱器的爬電距離;陶瓷墊片的尺寸必須滿足功率MOS管到散熱器的爬電距離要求;由于壓條通過镙釘直接與散熱器連接,所以壓條必須加裝絕緣套管,增加功率MOS管到散熱器的爬電距離。

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(a) (b)
4 (a)采用豎壓方式固定功率MOS管示意圖; (b) 采用橫壓方式固定功率MOS管示意圖。


4.3、熱設計和結構設計注意事項

常用的陶瓷墊片類型有單片、雙片等。雙陶瓷墊片主要用于兩個功率MOS 管并聯安裝使用。圖5給出了雙陶瓷墊片在PCB 和結構設計上的各個參數及其尺寸大小(以TO-247封裝功率MOS管為例)。
雙陶瓷墊片兩個開孔的距離是固定的,因此在PCB 設計時要保持兩個MOS 管的中心距離為19mm;結構設計時,散熱器上兩個MOS 管的開孔距離為19mm

如果兩個功率MOS 管功耗較大,且散熱器安裝在PCB 底部,MOS 管的邊緣距離散熱器的邊緣不可太近,具體要根據熱仿真分析的結果來定該尺寸的大小,否則散熱效果會大大打折扣。

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雙陶瓷墊片在PCB 和結構設計上的各個參數及其尺寸大小


5、陶瓷墊片在電子負載中的應用

某電子負載(模塊電源高溫老化專用負載)共有16路,每路工作電流為10A(每路用一個功率MOS管做電子負載),每個功率MOS管的功耗高達32W,必須采取有效的散熱措施來确保功率MOS管安全可靠地工作。因整個系統的功耗非常大,所以采用了4150mmx120mm大型鋁散熱器(廠家無法加工一個長型鋁散熱器,所以用4個鋁散熱器替代),散熱器位于PCB底部。功率MOS管選用IRFP150PTO-247封裝),将其卧倒安裝在底殼散熱器上,其導熱材料選取了高導熱性能的陶瓷墊片(普通導熱墊片無法滿足設計要求)。因産品無需做加強絕緣處理(内部電路對外殼電壓差為10V~65V),故采取了镙釘方式固定功率MOS管,滿足功能絕緣即可。

1給出了該電子負載在常溫25℃、風冷條件下的工作溫度。從表1中的數據得出:功率MOS管的工作溫度在45.3℃~66.3℃之間。該電子負載要求在高溫65℃的條件下工作,則要再加上40℃的溫升,可得出功率MOS管的工作溫度在85.3℃~100.3℃之間,所有功率MOS管(其最高工作溫度為160℃)的溫升都在允許範圍内。說明陶瓷墊片的導熱性能非常優異,能滿足大功率電源産品的散熱要求。

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電子負載在常溫25、風冷條件下的工作溫度


6、結語

采用陶瓷墊片作功率器件和散熱器之間的導熱材料,具有導熱效率高、耐高溫/耐高壓、受熱均勻、散熱快、結構簡單緊湊,在大功率電源産品中具有廣泛的應用前景。本文分析了陶瓷墊片的性能特點,并對它在電源産品應用中的安規、工藝、結構等設計進行了探讨,最後給出了在電子負載(模塊電源高溫老化專用負載)上的應用結果。


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