【经验】高功率CVD钻石电阻器和CVD钻石负载应用及使用说明

时间： 2018-07-26 来源：EMC RFLABS

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本文主要探讨EMC RFLABS高功率CVD钻石电阻器和CVD钻石负载的应用及使用说明

一般说明：

射频设计中有许多应用需要吸收大量的射频功率。为了有效地吸收大量的功率，电阻和终端必须在具有高导热系数的材料上构建。高功率电阻和终端常用的衬底是铍和氮化铝，其次是氮化硼和碳化硅。虽然这些材料拥有良好的热性能，但其热导率远不如CVD钻石（EMC公司生产的CT0505D,CT1310D等）。例如，虽然铍和氮化铝分别具有285和185W/m-K的热导率，但CVD钻石的热导率高达1000到1800W/m-K。导热系数的增加使得射频元件设计师能够生产更小的RF元件，如电阻、终端、衰减器、功率分配器和耦合器等，可以在更高的频率下工作。通常可以为26.5 GHz及以上的指定功率级别器件提供卓越的RF性能。

除了拥有杰出的热性能外，CVD钻石也是一种非常稳定的材料，它在低于300℃的温度下基本上是化学惰性的。在空气中，CVD钻石可在高达600℃的温度下稳定，而在真空或还原气体条件下，它不受1200℃的高温影响。这无疑是高可靠性和空间应用的首选材料。

安装说明：

由EMC技术公司生产的CT0505D,CT1310D等CVD钻石组件可使用传统的安装技术，该器件的背面接地层溅射镀有可焊金属，并用约150nm（5.9微英寸）纯金制成。

将设备连接到合适的散热器的最简单方法是用Sn96焊料（96.5％锡/3.5％银）焊接设备。这是一种熔点在221℃（430°F）的共晶合金，允许将CVD设备瞬间加热到300℃并保持10秒钟以下，以确保表面有足够熔化。

设备也可以使用传统的金锡共晶模结合技术进行安装，共晶合金可在280ºC时熔化，CVD设备的温度应保持在300ºC或更低，时间不应超过10秒。

散热：

尽管其尺寸非常小，但在钻石基板上制造的电阻器和终端具有快速散热的能力。因此，散热器应由高导热性材料（如铜）制成，并根据良好的热管理规范进行调整。散热器的尺寸与耗散相同热能量的传统设备大致相同。此外，还可以使用铝散热片，但铝的导热率约为铜的一半。在需要考虑重量的情况下，可将CT0505D,CT1310D等CVD钻石装置安装在铜散热器上，再连接到铝散热器上。

对于要求特别苛刻的应用，绝缘或导电钻石散热器可用于将来自CVD设备的热量有效地转移到外部底盘或隔板来进一步去除。

良好的散热应用：

图1显示了安装在铜散热器上的CVD设备的典型热路径。

连接界面上的热阻对器件的性能有重大影响。例如，在50瓦的情况下，只有0.002英寸厚的Sn96焊接界面上的温差，对于测量为50密耳平方的器件来说大约为39℃。这大于相同功率水平下整个CVD钻石衬底上的温差。因此，将焊料的厚度保持在1至3密耳之间非常重要。焊料厚度每增加1密耳，器件的温度将增加约20℃，从而降低其吸收功率的能力。

图1：CVD设备的典型热路径

当将CVD钻石器件焊接到散热器上时，避免在器件和散热器之间引入小的空气和助焊剂，称为焊剂空隙。为了最大限度地提高器件的功率处理能力，必须尽可能地减少或消除焊剂空隙。即使很小的焊剂空隙也会显着降低散热效率，从而导致器件比正常运行时更热。

焊接连接的热完整性可以通过测量设备顶部表面的温度，并将其与计算数据进行比较来确定。例如，对于以50瓦运行的50密耳方形电阻器，器件的顶部表面通常测量的温度比散热片温度高大约60℃至70℃。如果器件温度远远高于此温度，则应考虑焊接界面，并检查其是否存在空洞或不连续处。

银填充环氧树脂可以提供非常高强度的机械结合，但由于它的热性能通常较低，所以应该谨慎使用。请向环氧树脂制造商咨询正确的固化特性。根据固化方式的不同，环氧树脂的热导率可能会有很大的变化。当使用环氧树脂时，将CVD钻石器件的最大额定功率降低50％。

温差：

根据一般经验，不管是焊料还是环氧树脂，连接材料上的温差在器件的最大额定功率下都不应超过40℃。它可以通过以下表达式来计算：

其中：

ΔT=以℃为单位的温差

t =以cm为单位的界面厚度

P =以W为单位的功率

A =以cm²为单位的面积

K =以W/mK为单位的导热系数

法兰安装：

安装钻石电阻和终端以获得良好散热性能的便捷方式是首先将设备焊接到铜制法兰上，然后将法兰拧到合适的散热片上，法兰/散热器接口之间的少量导热油脂将确保良好的热接触，这种组装方法不必将整个散热器升至焊接温度。此外，它允许使用现有的外壳或外壳代替专用散热器作为散热表面，从而节省空间和重量。

倒装芯片安装：

安装钻石电阻器和端子的优先方法是将芯片底部牢固地连接到尺寸合适的散热器上，以确保有最大的功耗。但当RF性能或对地电容等其他考虑因素至关重要时，可以考虑倒装芯片安装。当使用倒装芯片安装时，大部分热能将通过电触点传导而消散，少量的热量也会从对流和辐射中消散。因此，器件的最大额定功率应根据周围电路的物理几何尺寸降额。

例如，一个CR0505D 50欧姆的电阻连接到倒装芯片配置的微带线上。该器件被提交到不同的功率水平，并监测芯片温度。图2中的图表显示了顶部的实际测量温度。

图2：芯片实际测量温度示意图

输入连接：

顶端连接可使用约2.5微米（99微英寸）的溅射金在专用可焊金属上完成。这些电气触点被设计成焊接或引线连接到外部电路。

当引线键合时，推荐使用传统的超声波和热压楔形键合技术。附件线可以是1密耳直径的金线或1x3密耳的金带，应使用多根导线来减小输入电感并增加连接的电流能力。

也可以使用通常可用的焊料将标签连接到输入焊盘上，标签尺寸通常介于10密耳和63密耳之间，长度可达0.5英寸。

图3：CVD钻石电阻和终端样品示意图

总结：

EMC的CVD钻石高功率电阻和CVD钻石负载（CT0505D,CT1310D等）拥有良好的热性能以及稳定性，热导率高达1000到1800 W / m-K。通常可以为26.5 GHz及以上的指定功率级别器件提供卓越的RF性能，是高可靠性和空间应用的首选材料。

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胖哥 Lv8. 研究员 2020-01-02

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人到中年 Lv7. 资深专家 2018-09-19

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