【产品】破解绝缘和导热痛点!基本半导体力推内绝缘型TO-220封装碳化硅肖特基二极管

2020-08-19 基本半导体
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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。

图1. TO-220内绝缘的结构示意图

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。

图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。

图3


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。

图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。


四、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


表1. 常用导热材料的热导率

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(注意是估算,并不完全精确)

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多少增加热阻,TO-220内绝缘封装无需垫片,减少了不必要热阻的增加。


五、总结

基本半导体推出的内绝缘型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、减少热阻等方面很好地解决了绝缘和导热痛点。 



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  • 鹏鹏 Lv7. 资深专家 2020-10-26
    学习,下载
  • 薛雨 Lv8. 研究员 2020-10-09
    学习了
  • 微波器件 Lv5. 技术专家 2020-09-28
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  • 我是小兵 Lv6. 高级专家 2020-09-03
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  • otsuka Lv9. 科学家 2020-09-01
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  • 用户73971939 Lv7. 资深专家 2020-08-28
    学习一下
  • Le Lv6. 高级专家 2020-08-28
    这个设计很好
  • 用户56731903 Lv9. 科学家 2020-08-20
    学习一下!!!
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VRRM
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IFSM
VF
Ptot
QC
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650V
2A
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1.4V
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