陶瓷垫片在大功率电源产品中的应用

   1、引言

    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，最后给出了它在电子负载（模块电源高温老化专用负载）上的应用。

    2、陶瓷垫片的性能特点

    陶瓷垫片有以下特点：

    ⑴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)；

    ⑵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；

    ⑶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；

    ⑷符合欧盟ROHS环保标准。

    3、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 加装陶瓷垫片后的功率器件热阻模型

 [page]   4、安装工艺及安规、散热设计

    4.1、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。

    4.2、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。

    4.2.1镙钉固定方式

    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。

    ⑴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)                                (b) 
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。

    ⑵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  镙钉固定TO-220封装功率MOS管

    4.2.2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。

    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。

[page]

(a)                           (b)

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。

    4.3、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）。

    ⑴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。   

    ⑵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 双陶瓷垫片在PCB 和结构设计上的各个参数及其尺寸大小

    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。

    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（其最高工作温度为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。 

表1  电子负载在常温25℃、风冷条件下的工作温度

    6、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。■