SiCer小課堂 | 碳化硅肖特基二極管器件散熱設計

發表時間:2020-07-23 11:33

1、器件散熱選擇

為了確保碳化硅肖特基二極管(SiC JBS)的安全運行,器件結溫Tj必須低于Tj(max),在進行熱設計時需留有余量,以保證在額定負載或過載等狀態下結溫Tj在Tj(max)以下。

當SiC JBS器件在高于Tj(max)的溫度下運行時,芯片可能發生熱擊穿損壞。選擇冷卻系統(散熱器)時,需以芯片金屬上或芯片中央正下方的溫度為準。有關熱損耗的詳細設計,請參考下述資料:器件散熱注意事項、器件安裝及驗證芯片溫度相關內容。

2、器件散熱注意事項

2.1散熱器表面的平坦度
SiC JBS散熱器安裝位的平坦度應在50μm以下,表面粗糙度應在10μm以下。如果散熱器的表面不平整有坑洼時,會導致接觸熱阻Rth(c-f)增加。

-50μm以下時:散熱器和SiC JBS間產生間隙,散熱性變差(接觸熱阻Rth(c-f)增加)

+50μm以上時:SiC JBS的銅基板變形,絕緣片或陶瓷片基板可能發生破裂。


2.2涂抹散熱硅脂
為了降低接觸熱阻,在使用SiC JBS前,需在散熱器和陶瓷片或絕緣片的安裝面之間涂抹散熱硅脂。
散熱硅脂的涂抹方法:絲網印刷、滾筒。
散熱硅脂可提高器件底板向散熱器進行熱傳導的能力,自身帶有熱容量。如果涂抹的散熱硅脂過厚,會影響向散熱器的散熱,導致芯片溫度上升。另一方面,如果涂抹的散熱硅脂過薄,散熱器與SiC JBS及陶瓷片或絕緣片間可能會存在未粘合散熱硅脂的部分接觸熱阻上升,導致芯片溫度超過Tj(max),造成器件過熱損壞。因此,在涂抹散熱硅脂時需確保厚度均勻。
一般建議采用絲網印刷的方法涂抹散熱硅脂,確保SiC JBS背面厚度均勻。將指定重量的散熱硅脂通過絲網印刷涂抹至SiC JBS的金屬基板表面及散熱器表面固定其位置。然后將陶瓷片或絕緣片安放在散熱器上涂抹散熱硅脂位置,以將涂抹散熱硅脂后的SiC JBS安裝至散熱器上方的陶瓷片或絕緣片上,按照各產品的推薦力矩緊固螺栓,即可實現散熱硅脂厚度大致均勻。
推薦進口散熱膏品牌:富士、道康寧、信越,國產的卡速特等。

散熱硅脂厚度與散熱重量的關系:

散熱硅脂厚度=[散熱硅脂質量(g)]/[SiC IBS基板面積(cm2)*散熱硅脂密度(g/cm3)]

據公式計算出所需散熱硅脂厚度(μm)對應的重量,再將該重量的散熱硅脂涂抹到SiC JBS及散熱器上。一般推薦散熱硅脂涂抹后的厚度(散熱硅脂厚度)約為100μm-200μm,標準厚度150μm。此外,散熱硅脂的最佳涂抹厚度因所使用散熱硅脂的特性和涂抹方法等不同,因此使用前先進行確認。

例如:基板尺寸20*25(B1D20065HC),采用信越產的G-746硅脂。

150μm=(散熱硅脂質量)/[5(cm2) x 2.66](g/cm3)

所需硅脂質量:0.2g,因用陶瓷片做絕緣,1顆B1D20065HC所需的硅脂:0.2*2=0.4g。

3、器件安裝

3.1安裝至散熱器的方法
安裝SiC JBS器件時的螺釘緊固方法如圖所示。另外,請按照規定的緊固轉矩緊固螺釘。關于規定轉矩及使用的螺釘規格,請參照器件規格書。
3.2禁止事項
1)螺釘嚙合:螺紋牙損壞或產生金屬碎屑的狀態下請勿使用。
2)緊固轉矩過大:螺栓發生彎曲或墊片損壞等固定件破損時請勿使用。
3)緊固轉矩不足:可能會導致從器件與散熱器接觸不良,器件管芯溫度無法外傳,導致器件損壞。

4、驗證芯片溫度

4.1耗散功率、熱阻、溫度關系

Tc殼溫與結溫Tj的換算公式如下:

Tj- Tc=Rth(jc)* Ptot

   Tj: SiC JBS管芯的結溫

Tc: SiC JBS鋁基板外殼熱電偶測試溫度

Rth(jc): SiC JBS管芯結到鋁基板外殼間的熱阻

Ptot: SiC JBS在測試溫度條件下通過電流時的實際耗散功率


在部分場合,比如電源整流,需要考慮耗散功率問題。耗散功率的定義為某一時刻電網元件或者全網有功輸入總功率與有功輸岀總功率的差值。在線性條件下,導通的耗散功率計算比較簡單,Ptot=I2R或者Ptot=U2/R。在開關狀態下,計算相對比較復雜。
SiC JBS二極管的耗散功率與允許的結溫有關,SiC JBS二極管目前一般允許的最大結溫是175℃,而Si允許最大節溫150℃。半導體工作溫度有一定范圍,當實際的功率增大時,其結溫也將變大,當結溫達到175℃時,此時的功率就是最大的耗散功率。當然耗散功率與封裝大小也有一定的關系,通常封裝大點的器件,其最大耗散功率也相對較大,通常大功率器件擁有大體積,大面積的散熱金屬面。
最大耗散功率與散熱條件有關,散熱條件越好,耗散功率越高,熱阻越小,傳熱能力越強;反之,熱阻越大,傳熱能力越??;耗散功率與環境溫度有關,溫度越大,耗散功率越小。在設計過程中,應關注器件工作時的溫度,以確保在安全的工作范圍。
例如:B1D20065HC SiC JBS二極管簡單的耗散功率及溫度的計算。
假定Tj(max)=175℃, 考慮到瞬時熱量造成熱過沖,降額0.85,平均結溫Tj取值150℃。則允許外殼溫度Tc(max)Tc(max)=(150-Rth(jc)*Ptot)。從下圖可以計算:Tc=100℃,Ptot=74W, Rth(jc)=1.02K/W。此時Tj(max)=100+74*1.02=175℃

這時候已經達到芯片結溫的上限了,比較危險,應當避免,盡量不要超出平均結溫點。二極管的傳熱方面,主要考慮Ptot和熱阻Rth(jc),前者是最大耗散功率,實際工作不能超過這個數值,后者是傳熱阻力參量,反應不同二極管的傳熱能力。在使用二極管時,不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關時間,還要多考慮耗散功率。             

4.2溫度的測量
選擇散熱器,確定SiC JBS的安裝位置后,請測量各部分的溫度,確認芯片的結溫(Tj)。驗證芯片結溫是否低于Tj(max),散熱設計是否達到設備裝置的預期壽命周期。SiC JBS外殼溫度(Tc)的正確測量方法示例如圖下所示。


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