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1、引言 陶瓷墊片是一種高導(dǎo)熱性能的材料，主要由氧化鋁組成（氧化鋁含量高達(dá)96%以上），外觀呈純白色，質(zhì)地堅硬，主要用于功率器件與散熱器之間的傳熱和電氣隔離。它與功率器件（如功率MOS管、功率三極管等）、鋁散熱器、PCB板緊密結(jié)合后，密封性能極佳，能達(dá)到防塵、防水、導(dǎo)熱、絕緣的理想效果，并能適應(yīng)高溫、高壓、多塵的惡劣工作環(huán)境，提高設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性。文中分析了陶瓷墊片的性能特點，并對它在電源產(chǎn)品應(yīng)用中的安規(guī)、工藝、結(jié)構(gòu)等設(shè)計進(jìn)行了探討，最后給出了它在電子負(fù)載（模塊電源高溫老化專用負(fù)載）上的應(yīng)用。 2、陶瓷墊片的性能特點 陶瓷墊片有以下特點： ⑴陶瓷墊片導(dǎo)熱系數(shù)（20℃）高達(dá)20 W/(m-K)"30W/(m-K)，遠(yuǎn)比普通導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)高，因此在功率器件散熱要求非常苛刻的條件下得到了廣泛的應(yīng)用。而目前導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)大都在2.0 W/(m-K)以下，導(dǎo)熱系數(shù)較高的貝格斯Sil-Pad2000系列也只有3.5W/(m-K)； ⑵耐高溫和高壓。陶瓷墊片的擊穿強(qiáng)度在10kV"12kV，允許使用的最高溫度達(dá)1600℃，能適應(yīng)高溫、高壓、高磨損、強(qiáng)腐蝕的惡劣工作環(huán)境，滿足電源產(chǎn)品在各種場合的應(yīng)用要求； ⑶使用壽命較長。可以減少設(shè)備的維修次數(shù)，提高設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性； ⑷符合歐盟ROHS環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。 3、散熱路徑 普通導(dǎo)熱墊片是由軟介質(zhì)的材料組成，可以填充功率器件和散熱器表面之間的細(xì)小間隙，減小其接觸熱阻。而陶瓷墊片由質(zhì)地堅硬的氧化鋁組成，表面有一定的粗糙度，如果直接裝配，功率器件與陶瓷墊片之間、散熱器與陶瓷墊片之間會存在很多間隙，嚴(yán)重影響散熱效率，使散熱器的性能大大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。因此，在采用陶瓷墊片做導(dǎo)熱材料時，還需要在其兩個表面涂加導(dǎo)熱硅脂，用于填充陶瓷墊片與散熱器、陶瓷墊片與功率器件之間的細(xì)小間隙，減小它們之間的接觸熱阻。 加裝陶瓷墊片后，功率器件到環(huán)境溫度的熱阻主要由導(dǎo)熱硅脂熱阻、陶瓷墊片熱阻、導(dǎo)熱硅脂熱阻、散熱器熱阻組成。其散熱路徑分為兩部分： ⑴功率器件（熱源）→導(dǎo)熱硅脂→陶瓷墊片→導(dǎo)熱硅脂→散熱器（熱傳遞以傳導(dǎo)為主）； ⑵散熱器→環(huán)境空氣（熱傳遞以對流為主）。 圖1給出功率器件的熱阻模型及散熱路徑。影響功率器件的熱阻因素主要有陶瓷墊片的表面平整度、陶瓷墊片和導(dǎo)熱硅脂的厚度、散熱器的厚度及形狀、緊固件的壓力等，而這些因素又與實際應(yīng)用條件有關(guān)，所以功率器件到散熱器之間的熱阻也將取決于實際裝配條件。 圖1 加裝陶瓷墊片后的功率器件熱阻模型 4、安裝工藝及安規(guī)、散熱設(shè)計 4.1、散熱器選型的注意事項 陶瓷墊片與導(dǎo)熱墊片比較有以下缺陷（散熱器選型時需注意的地方）：陶瓷墊片的材質(zhì)堅硬，但較脆，抗彎曲變形能力較差，在散熱器表面平整度非常差的情況下，安裝時易碎裂。所以在使用陶瓷墊片做導(dǎo)熱元件時，一定要求廠家控制散熱器的表面平整度，使該指標(biāo)控制在允許的范圍之內(nèi)。 4.2、工藝裝配方式（以功率MOS管為例進(jìn)行分析） 陶瓷墊片和功率MOS管、散熱器在安裝過程中，涉及到工藝和安規(guī)問題，下面將一一介紹。 4.2.1鏍釘固定方式 安裝功率MOS管后，因鏍釘與功率MOS管金屬部分的爬電距離受限，所以鏍釘固定方式只能用于功能絕緣的場合（散熱器不接外殼大地），不能用于加強(qiáng)絕緣的場合（外殼作散熱器，安規(guī)距離要求較大），否則安規(guī)不能滿足設(shè)計要求。 ⑴采用鏍釘固定TO-247封裝的功率MOS管 TO-247封裝的功率MOS管只有背面散熱部分才有金屬，其它部分都為塑料，所以在固定該功率MOS管時，不要做特殊處理，將陶瓷墊片（兩面需涂導(dǎo)熱硅脂）夾在功率MOS管和散熱器之間，直接用鏍釘固定即可滿足功能絕緣的要求，如圖2（a）、（b）所示，功率MOS管金屬部分與鏍釘?shù)呐离娋嚯x為1.3 mm "1.5mm（由廠商的功率MOS管形狀決定）。 (a) (b) 圖2 (a)TO-247封裝的功率MOS管背面圖； (b) 鏍釘固定TO-247封裝的功率MOS管。 ⑵采用鏍釘固定TO-220封裝的功率MOS管 在固定TO-220封裝的功率MOS管時，需在鏍釘上增加一個塑料墊（如圖3所示），防止功率MOS管金屬部分通過鏍釘與散熱器接觸，造成短路。增加塑料墊后，功率MOS管金屬部分與鏍釘?shù)呐离娋嚯x≥1mm。陶瓷墊片同樣需要兩面涂導(dǎo)熱硅脂，減小其接觸熱阻。 圖3 鏍釘固定TO-220封裝功率MOS管 4.2.2壓條固定方式 采用壓條固定功率MOS管時，主要用于對安規(guī)要求較高的場合。它有兩種固定方式：橫壓和豎壓。圖4（a）給出采用豎壓方式固定功率MOS管（TO-220或TO-247封裝）的示意圖，圖4（b）給出采用橫壓方式固定功率MOS管（TO-220或TO-247封裝）的示意圖。 (a) (b) 圖4 (a)采用豎壓方式固定功率MOS管示意圖； (b) 采用橫壓方式固定功率MOS管示意圖。 工藝設(shè)計要注意以下3點：①采用壓條固定功率MOS管時，要選擇不開鏍釘孔的陶瓷墊片，否則會大大減小功率MOS管到散熱器的爬電距離；②陶瓷墊片的尺寸必須滿足功率MOS管到散熱器的爬電距離要求；③由于壓條通過鏍釘直接與散熱器連接，所以壓條必須加裝絕緣套管，增加功率MOS管到散熱器的爬電距離。 4.3、熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項 常用的陶瓷墊片類型有單片、雙片等。雙陶瓷墊片主要用于兩個功率MOS 管并聯(lián)安裝使用。圖5給出了雙陶瓷墊片在PCB 和結(jié)構(gòu)設(shè)計上的各個參數(shù)及其尺寸大小（以TO-247封裝功率MOS管為例）。 ⑴雙陶瓷墊片兩個開孔的距離是固定的，因此在PCB 設(shè)計時要保持兩個MOS 管的中心距離為19mm；結(jié)構(gòu)設(shè)計時，散熱器上兩個MOS 管的開孔距離為19mm。 ⑵如果兩個功率MOS 管功耗較大，且散熱器安裝在PCB 底部，MOS 管的邊緣距離散熱器的邊緣不可太近，具體要根據(jù)熱仿真分析的結(jié)果來定該尺寸的大小，否則散熱效果會大大打折扣。 圖5 雙陶瓷墊片在PCB 和結(jié)構(gòu)設(shè)計上的各個參數(shù)及其尺寸大小 5、陶瓷墊片在電子負(fù)載中的應(yīng)用 某電子負(fù)載（模塊電源高溫老化專用負(fù)載）共有16路，每路工作電流為10A（每路用一個功率MOS管做電子負(fù)載），每個功率MOS管的功耗高達(dá)32W，必須采取有效的散熱措施來確保功率MOS管安全可靠地工作。因整個系統(tǒng)的功耗非常大，所以采用了4個150mmx120mm大型鋁散熱器（廠家無法加工一個長型鋁散熱器，所以用4個鋁散熱器替代），散熱器位于PCB底部。功率MOS管選用IRFP150P（TO-247封裝），將其臥倒安裝在底殼散熱器上，其導(dǎo)熱材料選取了高導(dǎo)熱性能的陶瓷墊片（普通導(dǎo)熱墊片無法滿足設(shè)計要求）。因產(chǎn)品無需做加強(qiáng)絕緣處理（內(nèi)部電路對外殼電壓差為10V"65V），故采取了鏍釘方式固定功率MOS管，滿足功能絕緣即可。 表1給出了該電子負(fù)載在常溫25℃、風(fēng)冷條件下的工作溫度。從表1中的數(shù)據(jù)得出：功率MOS管的工作溫度在45.3℃"66.3℃之間。該電子負(fù)載要求在高溫65℃的條件下工作，則要再加上40℃的溫升，可得出功率MOS管的工作溫度在85.3℃"100.3℃之間，所有功率MOS管（其最高工作溫度為160℃）的溫升都在允許范圍內(nèi)。說明陶瓷墊片的導(dǎo)熱性能非常優(yōu)異，能滿足大功率電源產(chǎn)品的散熱要求。 表1 電子負(fù)載在常溫25℃、風(fēng)冷條件下的工作溫度 6、結(jié)語 采用陶瓷墊片作功率器件和散熱器之間的導(dǎo)熱材料，具有導(dǎo)熱效率高、耐高溫/耐高壓、受熱均勻、散熱快、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在大功率電源產(chǎn)品中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文分析了陶瓷墊片的性能特點，并對它在電源產(chǎn)品應(yīng)用中的安規(guī)、工藝、結(jié)構(gòu)等設(shè)計進(jìn)行了探討，最后給出了在電子負(fù)載（模塊電源高溫老化專用負(fù)載）上的應(yīng)用結(jié)果。 |
