陶瓷墊片的性能特點(diǎn)和安裝工藝

一、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(jiān)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(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。文中分析了陶瓷墊片的性能點(diǎn)，并對(duì)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(jì)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。

二、陶瓷墊片的性能特點(diǎn)

陶瓷墊片有以下特點(diǎn)：

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?？量痰臈l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(chǎng)合的應(yīng)用要求；

⑶使用壽命較長(zhǎng)。可以減少設(shè)備的維修次數(shù)，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性；

⑷符合歐盟RoHS環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

三：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(jiān)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(huì)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(wú)法發(fā)揮作用。因此，在采用陶瓷墊片做導(dǎo)熱材料時(shí)，還需要在其兩個(gè)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(duì)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(shí)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(shí)際裝配條件。

圖1 加裝陶瓷墊片后的功率器件熱阻模型

四：安裝工藝及安規(guī)、散熱設(shè)計(jì)

4.1、散熱器選型的注意事項(xiàng)

陶瓷墊片與導(dǎo)熱墊片比較有以下缺陷（散熱器選型時(shí)需注意的地方）：陶瓷墊片的材質(zhì)堅(jiān)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(shí)易碎裂。所以在使用陶瓷墊片做導(dǎo)熱元件時(shí)，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(guò)程中，涉及到工藝和安規(guī)問(wèn)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(chǎng)合（散熱器不接外殼大地），不能用于加強(qiáng)絕緣的場(chǎng)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(jì)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(shí)，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(shí)，需在鏍釘上增加一個(gè)塑料墊（如圖3所示），防止功率MOS管金屬部分通過(guò)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(shí)，主要用于對(duì)安規(guī)要求較高的場(chǎng)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(jì)要注意以下3點(diǎn)：①采用壓條固定功率MOS管時(shí)，要選擇不開(kāi)鏍釘孔的陶瓷墊片，否則會(huì)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(guò)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(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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(gè)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(jì)上的各個(gè)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(gè)開(kāi)孔的距離是固定的，因此在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)要保持兩個(gè)MOS 管的中心距離為19mm；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，散熱器上兩個(gè)MOS 管的開(kāi)孔距離為19mm。

⑵如果兩個(gè)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(lái)定該尺寸的大小，否則散熱效果會(huì)大大打折扣。

圖5 雙陶瓷墊片在PCB 和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的各個(gè)參數(shù)及其尺寸大小

五：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(gè)功率MOS管做電子負(fù)載），每個(gè)功率MOS管的功耗高達(dá)32W，必須采取有效的散熱措施來(lái)確保功率MOS管安全可靠地工作。因整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常大，所以采用了4個(gè)150mmx120mm大型鋁散熱器（廠家無(wú)法加工一個(gè)長(zhǎng)型鋁散熱器，所以用4個(gè)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(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求）。因產(chǎn)品無(wú)需做加強(qiáng)絕緣處理（內(nèi)部電路對(duì)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(shuō)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

六：結(jié)語(yǔ)

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(jiǎn)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(diǎn)，并對(duì)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(jì)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。