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

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。



(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。

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。