
⑷符合欧盟RoHS环保标准。
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:
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。

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。
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。
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。
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。
©导热绝缘材料厂家佳日丰泰
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.安装视图©导热绝缘材料厂家佳日丰泰
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。
©导热绝缘材料厂家佳日丰泰
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)。

图5.TO-247封装功率MOS管结构设计参数
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。

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。

