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电子元件热管理材料—— 导热硅脂 导热陶瓷垫片应用

Time:2022-01-03Number:1242

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[敏感词],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。

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陶瓷垫片性能特点
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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[敏感词]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
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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。



安装工艺及安规、散热设计
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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,[敏感词]将一一介绍。

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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)。

(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。


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。

(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。 



陶瓷垫片在电子负载中的应用
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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。

表1给出了该电子负载在常温25℃、风冷条件下的工作温度。从表1中的数据得出:功率MOS管的工作温度在45.3℃~66.3℃之间。该电子负载要求在高温65℃的条件下工作,则要再加上40℃的温升,可得出功率MOS管的工作温度在85.3℃~100.3℃之间,所有功率MOS管(其[敏感词]工作温度为160℃)的温升都在允许范围内。说明陶瓷垫片的导热性能非常优异,能满足 大功率 电源产品的散热要求。 

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