SiCer小课堂 | 碳化硅肖特基二极管器件散热设计

发表时间:2020-07-23 11:33

1、器件散热选择

为了确保碳化硅肖特基二极管(SiC JBS)的安全运行,器件结温Tj必须低于Tj(max),在进行热设计时需留有余量,以保证在额定负载或过载等状态下结温Tj在Tj(max)以下。

当SiC JBS器件在高于Tj(max)的温度下运行时,芯片可能发生热击穿损坏。选择冷却系统(散热器)时,需以芯片金属上或芯片中央正下方的温度为准。有关热损耗的详细设计,请参考下述资料:器件散热注意事项、器件安装及验证芯片温度相关内容。

2、器件散热注意事项

2.1散热器表面的平坦度
SiC JBS散热器安装位的平坦度应在50μm以下,表面粗糙度应在10μm以下。如果散热器的表面不平整有坑洼时,会导致接触热阻Rth(c-f)增加。

-50μm以下时:散热器和SiC JBS间产生间隙,散热性变差(接触热阻Rth(c-f)增加)

+50μm以上时:SiC JBS的铜基板变形,绝缘片或陶瓷片基板可能发生破裂。


2.2涂抹散热硅脂
为了降低接触热阻,在使用SiC JBS前,需在散热器和陶瓷片或绝缘片的安装面之间涂抹散热硅脂。
散热硅脂的涂抹方法:丝网印刷、滚筒。
散热硅脂可提高器件底板向散热器进行热传导的能力,自身带有热容量。如果涂抹的散热硅脂过厚,会影响向散热器的散热,导致芯片温度上升。另一方面,如果涂抹的散热硅脂过薄,散热器与SiC JBS及陶瓷片或绝缘片间可能会存在未粘合散热硅脂的部分接触热阻上升,导致芯片温度超过Tj(max),造成器件过热损坏。因此,在涂抹散热硅脂时需确保厚度均匀。
一般建议采用丝网印刷的方法涂抹散热硅脂,确保SiC JBS背面厚度均匀。将指定重量的散热硅脂通过丝网印刷涂抹至SiC JBS的金属基板表面及散热器表面固定其位置。然后将陶瓷片或绝缘片安放在散热器上涂抹散热硅脂位置,以将涂抹散热硅脂后的SiC JBS安装至散热器上方的陶瓷片或绝缘片上,按照各产品的推荐力矩紧固螺栓,即可实现散热硅脂厚度大致均匀。
推荐进口散热膏品牌:富士、道康宁、信越,国产的卡速特等。

散热硅脂厚度与散热重量的关系:

散热硅脂厚度=[散热硅脂质量(g)]/[SiC IBS基板面积(cm2)*散热硅脂密度(g/cm3)]

据公式计算出所需散热硅脂厚度(μm)对应的重量,再将该重量的散热硅脂涂抹到SiC JBS及散热器上。一般推荐散热硅脂涂抹后的厚度(散热硅脂厚度)约为100μm-200μm,标准厚度150μm。此外,散热硅脂的最佳涂抹厚度因所使用散热硅脂的特性和涂抹方法等不同,因此使用前先进行确认。

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

150μm=(散热硅脂质量)/[5(cm2) x 2.66](g/cm3)

所需硅脂质量:0.2g,因用陶瓷片做绝缘,1颗B1D20065HC所需的硅脂:0.2*2=0.4g。

3、器件安装

3.1安装至散热器的方法
安装SiC JBS器件时的螺钉紧固方法如图所示。另外,请按照规定的紧固转矩紧固螺钉。关于规定转矩及使用的螺钉规格,请参照器件规格书。
3.2禁止事项
1)螺钉啮合:螺纹牙损坏或产生金属碎屑的状态下请勿使用。
2)紧固转矩过大:螺栓发生弯曲或垫片损坏等固定件破损时请勿使用。
3)紧固转矩不足:可能会导致从器件与散热器接触不良,器件管芯温度无法外传,导致器件损坏。

4、验证芯片温度

4.1耗散功率、热阻、温度关系

Tc壳温与结温Tj的换算公式如下:

Tj- Tc=Rth(jc)* Ptot

   Tj: SiC JBS管芯的结温

Tc: SiC JBS铝基板外壳热电偶测试温度

Rth(jc): SiC JBS管芯结到铝基板外壳间的热阻

Ptot: SiC JBS在测试温度条件下通过电流时的实际耗散功率


在部分场合,比如电源整流,需要考虑耗散功率问题。耗散功率的定义为某一时刻电网元件或者全网有功输入总功率与有功输岀总功率的差值。在线性条件下,导通的耗散功率计算比较简单,Ptot=I2R或者Ptot=U2/R。在开关状态下,计算相对比较复杂。
SiC JBS二极管的耗散功率与允许的结温有关,SiC JBS二极管目前一般允许的最大结温是175℃,而Si允许最大节温150℃。半导体工作温度有一定范围,当实际的功率增大时,其结温也将变大,当结温达到175℃时,此时的功率就是最大的耗散功率。当然耗散功率与封装大小也有一定的关系,通常封装大点的器件,其最大耗散功率也相对较大,通常大功率器件拥有大体积,大面积的散热金属面。
最大耗散功率与散热条件有关,散热条件越好,耗散功率越高,热阻越小,传热能力越强;反之,热阻越大,传热能力越小;耗散功率与环境温度有关,温度越大,耗散功率越小。在设计过程中,应关注器件工作时的温度,以确保在安全的工作范围。
例如:B1D20065HC SiC JBS二极管简单的耗散功率及温度的计算。
假定Tj(max)=175℃, 考虑到瞬时热量造成热过冲,降额0.85,平均结温Tj取值150℃。则允许外壳温度Tc(max)Tc(max)=(150-Rth(jc)*Ptot)。从下图可以计算:Tc=100℃,Ptot=74W, Rth(jc)=1.02K/W。此时Tj(max)=100+74*1.02=175℃

这时候已经达到芯片结温的上限了,比较危险,应当避免,尽量不要超出平均结温点。二极管的传热方面,主要考虑Ptot和热阻Rth(jc),前者是最大耗散功率,实际工作不能超过这个数值,后者是传热阻力参量,反应不同二极管的传热能力。在使用二极管时,不但要考虑正向电流、反向耐压和开关时间,还要多考虑耗散功率。             

4.2温度的测量
选择散热器,确定SiC JBS的安装位置后,请测量各部分的温度,确认芯片的结温(Tj)。验证芯片结温是否低于Tj(max),散热设计是否达到设备装置的预期寿命周期。SiC JBS外壳温度(Tc)的正确测量方法示例如图下所示。


生产制造
碳化硅功率器件
新闻动态
关于我们
广东省深圳市南山区高新园区高新南七
道国家工程实验室大楼B座11层
总       机:0755-22670439
销售热线:0755-86713170(工业客户)
官方微信
深圳基本半导体有限公司
销售咨询
0755-86706526(汽车客户)
info@basicsemi.com inquiry@basicsemi.com(工业客户)
autobu@basicsemi.com(汽车客户)
友情链接:
|
|
投诉建议
|