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电子元件热管理材料——导热陶瓷垫片

电子元件热管理材料——导热陶瓷垫片

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 导热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。

陶瓷垫片性能特点

陶瓷垫片有以下特点:

  • 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);

  • 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;

  • 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;

  • 符合欧盟RoHS环保标准。

    陶瓷垫片散热路径

    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

     

    安装工艺及安规、散热设计

    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。

    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。

    1.螺钉固定方式

    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。

    (1)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)。

    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

    (2)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

    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。

    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

    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。

    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)。

    (1)双陶瓷垫片两个开孔的距离是固定的,因此在PCB 设计时要保持两个MOS 管的中心距离为19mm;结构设计时,散热器上两个MOS 管的开孔距离为19mm。

    (2)如果两个功率MOS 管功耗较大,且散热器安装在PCB 底部,MOS管的边缘距离散热器的边缘不可太近,具体要根据热仿真分析的结果来定该尺寸的大小,否则散热效果会大大打折扣。 

    图5

    陶瓷垫片在电子负载中的应用

    某电子负载(模块 电源 高温老化专用负载)共有16路,每路工作电流为10A(每路用一个功率MOS管做电子负载),每个功率MOS管的功耗高达32W,必须采取有效的散热措施来确保功率MOS管安全可靠地工作。因整个系统的功耗非常大,所以采用了4个150mmx120mm大型铝散热器(厂家无法加工一个长型铝散热器,所以用4个铝散热器替代),散热器位于PCB底部。功率MOS管选用IRFP150P(TO-247封装),将其卧倒安装在底壳散热器上,其导热材料选取了高导热性能的陶瓷垫片(普通导热垫片无法满足设计要求)。因产品无需做加强绝缘处理(内部电路对外壳电压差为10V~65V),故采取了镙钉方式固定功率MOS管,满足功能绝缘即可。

    结 语
    采用陶瓷垫片作功率器件和散热器之间的导热材料,具有导热效率高、耐高温/耐高压、受热均匀、散热快、结构简单紧凑,在大功率电源产品中具有广泛的应用前景。本文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,最后给出了在电子负载(模块电源高温老化专用负载)上的应用结果。

     

     

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