【博主簡介】本人“愛在七夕時”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當之處，還請大家海涵。當前在各網(wǎng)絡(luò)平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

碳化硅肖特基二極管（Silicon Carbide Schottky Diode）是一種高性能半導(dǎo)體器件，具有低開啟電壓、高速開關(guān)、高溫性能等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電源、驅(qū)動、逆變器、電動汽車等領(lǐng)域。它使用的是一種全新的技術(shù)，可為硅提供出色的開關(guān)性能和更高的可靠性。無反向恢復(fù)電流、溫度獨立的開關(guān)特性和出色的熱性能，使碳化硅成為下一代功率半導(dǎo)體。系統(tǒng)優(yōu)勢包括極高能效、更快的工作頻率、更高的功率密度、更低的 EMI 和更低的系統(tǒng)尺寸和成本。

本期將跟大家分享的是半導(dǎo)體內(nèi)絕緣型TO-220封裝碳化硅肖特基二極管產(chǎn)品。該產(chǎn)品在內(nèi)部集成一個陶瓷片用于絕緣和導(dǎo)熱，可簡化生產(chǎn)步驟，提高生產(chǎn)質(zhì)量和整機的長期可靠性，有效解決產(chǎn)業(yè)界痛點問題。內(nèi)絕緣TO-220封裝外形跟普通鐵封TO-220產(chǎn)品基本一致，但其背面散熱器不再是二極管的陰極，屬于懸浮電位。

一、 全塑封及鐵封TO-220優(yōu)缺點對比

產(chǎn)業(yè)界使用TO-220F（全塑封）已有較長歷史，其優(yōu)點是全塑封外殼絕緣，在安裝時涂上導(dǎo)熱硅脂可直接打螺絲，不用墊絕緣布，節(jié)省工時。而其缺點也很明顯，Rthjc（結(jié)-殼熱阻）比鐵封（TO-220）熱阻大，導(dǎo)致電流輸出能力僅鐵封的30~40%，芯片電流利用率較低。

相對應(yīng)的，鐵封二極管產(chǎn)品的優(yōu)勢在于背板與晶片直接焊接，Rthjc（結(jié)-殼熱阻）較小，電流輸出能力比TO-220F（全塑封）更強；缺點是其金屬外殼與陰極相連，在安裝時需使用鎖螺絲或壓條方式固定，還需使用絕緣硅膠布、硅膠墊、硅膠套或者陶瓷墊片材料用于絕緣及導(dǎo)熱，安裝工藝復(fù)雜，工時消耗較大。在設(shè)計過程中，需特別注意材料長期應(yīng)用的可靠性問題：比如絕緣子在高溫及溫度循環(huán)的作用下會出現(xiàn)老化形變的情況，同樣硅膠布在高溫及溫度循環(huán)的作用下也會老化。絕緣子被污染物覆蓋，表面出現(xiàn)爬電現(xiàn)象，導(dǎo)致電源損壞。

內(nèi)絕緣TO-220產(chǎn)品的出現(xiàn)提供了一個新的可能，下面具體介紹全塑封、鐵封和內(nèi)絕緣封裝的安裝工藝。

二、TO-220二極管的安裝工藝對比

TO-220二極管主要有螺絲和壓條兩種工藝路線，以解決絕緣和導(dǎo)熱的問題，設(shè)計時可綜合考慮效率、質(zhì)量、成本這幾個因素選擇適合的工藝。

鐵封TO-220采用硅膠布或者陶瓷墊片，再配合絕緣子、螺絲安裝。該工藝簡單，工時少，治具要求低，精度要求低。但是絕緣子和陶瓷片弱點在于質(zhì)量及可靠性，陶瓷片工藝需要2次涂硅脂。

內(nèi)絕緣TO-220加螺絲工藝只需在器件背面涂一次硅脂，不使用絕緣子，無耐壓風(fēng)險，絕緣由內(nèi)部陶瓷片完成，省工時，一次性通過率最高。

全塑封TO-220加螺絲工藝也只需在器件背面涂一次硅脂，不使用絕緣子，無耐壓風(fēng)險。

壓條工藝采用硅膠墊、硅膠布或者硅膠套，配合壓條使用。壓條工藝可省掉涂硅脂環(huán)節(jié)，爬電的處理比較好，回避了污染問題。但對治具要求高，精度要求高，工時高，熱阻大（電流能力損失大），維修時比較麻煩。

由上表內(nèi)容可以看出，內(nèi)絕緣TO-220省工時，可靠性高， 安裝增加的熱阻小。

三、 內(nèi)絕緣封裝三大應(yīng)用優(yōu)勢

1、簡化生產(chǎn)工藝及縮短工時

內(nèi)絕緣封裝把導(dǎo)熱與絕緣兩個任務(wù)都集成到器件內(nèi)部，簡化了生產(chǎn)工藝，省了工時。例如普通TO-220+陶瓷墊片工藝需經(jīng)過陶瓷墊片背面涂導(dǎo)熱硅脂、壓散熱器、器件背面涂導(dǎo)熱硅脂、壓陶瓷墊片和螺絲套絕緣子后鎖在散熱器5個步驟，內(nèi)絕緣器件安裝只需器件背面涂導(dǎo)熱硅脂、壓散熱器和螺絲鎖在散熱器上3個步驟。

2、提高生產(chǎn)質(zhì)量和長期可靠性

內(nèi)絕緣封裝有助于提升電源產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，因為陶瓷片易碎裂，會導(dǎo)致人工成本增加，工時更長，耐壓測試易失敗，影響生產(chǎn)通過率；由于陶瓷墊片易碎，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計時需增加陶瓷墊片厚度，但其厚度會導(dǎo)致熱阻上升。內(nèi)絕緣封裝使整機長期可靠性提高，回避了絕緣子造成的可靠性薄弱環(huán)節(jié)：絕緣子的可靠性較差，長期高溫會老化，此外因絕緣子較薄，粉塵污染后有爬電的風(fēng)險。

3、內(nèi)絕緣封裝熱阻優(yōu)勢明顯

對比基本半導(dǎo)體三種TO-220封裝的（10A晶片）熱阻參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)絕緣封裝比全塑封封裝熱阻更低，鐵封封裝因需在外部裝陶瓷片或硅膠布，最后的系統(tǒng)熱阻更高，與內(nèi)絕緣封裝系統(tǒng)熱阻差距不明顯。

四、熱導(dǎo)率、熱阻計算式及常用導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率

1、熱阻的計算式

（d：材料的厚度，單位：m ；λ：材料的熱導(dǎo)率，單位：W/m*K ；A：材料的面積，單位：m2）。

表1.常用導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率

根據(jù)熱阻計算公式，可以估算出陶瓷墊片及導(dǎo)熱硅脂的熱阻（不精確）1）陶瓷墊片的熱阻：厚度假設(shè)為1mm，λ=24W/m*K，尺寸=15mm*10mm（TO-220背板尺寸）：

2、導(dǎo)熱硅脂的熱阻

厚度假設(shè)為10um，λ=1.5W/m*K，尺寸=15mm*10mm（TO-220背板尺寸）：

使用不同材料的墊片都會或多或少增加熱阻，TO-220內(nèi)絕緣封裝無需墊片，減少了不必要熱阻的增加。

總結(jié)一下

總之，碳化硅肖特基二極管是一種高性能半導(dǎo)體器件，而行業(yè)中推出的內(nèi)絕緣型TO-220封裝碳化硅肖特基二極管產(chǎn)品，更是從優(yōu)化安裝工藝、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減少熱阻等方面很好地解決了絕緣和導(dǎo)熱痛點，將在未來的高效能電子器件中扮演重要角色，為人類創(chuàng)造更加美好的生活。

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審核編輯 黃宇