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破解绝缘和导热痛点!基本半导体力推内绝缘型碳化硅肖特基二极管

近期,基本半导体推出内绝缘型的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。

1. TO-220内绝缘的结构示意图


01

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。
2. TO-220F全塑封安装示意图

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。

02

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。


03

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务都集成到器件内部,简化了生产工艺,省了。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螺丝锁在散热器上3个步骤。

4. TO-220铁封配合陶瓷垫片的剖面示意图

图5. TO-220内绝缘的剖面示意图

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


04

热导率、热阻计算式及常用导热材料的热导率

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)。
1. 常用导热材料的热导率

材料
热导率λ(W/m?K)
395
普通导热硅胶垫
2.5
3M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)
6
Al2O3 导热陶瓷
24-29
AlN 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。

05

总结

基本半导体推出的内绝缘TO-220封装碳化硅肖特基二极管产品,从优化安装工艺、提升产品质量、减少热阻方面很好地解决了绝缘和导热痛点。

*:under development


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