功率二極管的散熱

肖特基勢壘二極管〔SBD〕肖特基二極管是以其創(chuàng)造人肖特基博士〔Schottky〕命名的，SBD是肖特基勢壘二極管〔SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD〕的簡稱。是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。是近年來間世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時間極短〔可以小到幾納秒〕，正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可到達幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無法比較的。1精選ppt肖特基二極管特點優(yōu)點：1、正向?qū)▔航档?、反向漏電流受溫度變化小3、動態(tài)特性好，工作頻率高缺點：1、反向漏電流大2、耐壓低2精選ppt目前主要使用的半導(dǎo)體材料有硅和砷化鎵二種。GaAs介電常數(shù)小、遷移率大，相對硅、鍺二極管，其結(jié)電容CJ和串聯(lián)體電阻小、截止頻率高、噪聲小，缺點是GaAs和金屬接觸的勢壘高度，一般比硅大，因而導(dǎo)通電壓比較高。由于電子的遷移率比空穴大，為獲得良好的頻率特性，故一般選擇n型的半導(dǎo)體材料作基片。材料、結(jié)構(gòu)和工藝3精選ppt為了減小SBD的結(jié)電容，提高反向擊穿電壓，同時又不使串聯(lián)電阻過大，通常是在N＋襯底上外延一高阻N－薄層。金屬材料應(yīng)選用與半導(dǎo)體接觸形成的勢壘高度較低的金屬。對于n-Si,常用的金屬有Ni、Mo、Ti、Pt對于n-GaAs，采用過的金屬有Au、Ag、Ni、Cr、Ti4精選ppt功率肖特基勢壘二極管主要是利用薄膜淀積技術(shù)在N型低阻硅上，淀積一層金屬〔鉻、鉑、鎢、鉬等〕制成。其結(jié)構(gòu)有二種，如右圖所示5精選pptP型環(huán)與n型外延層構(gòu)成pn結(jié)，它與肖特基二極管并聯(lián)，肖特基二極管的正向壓降低于pn結(jié)的，不會影響肖特基二極管的正向特性，但反向狀態(tài)下，p區(qū)將增加邊緣勢壘層的曲率和半徑，反向特性得到明顯改善。6精選ppt碳化硅肖特基二極管一、期待中的SiC器件隨著對大功率變換器、高速變換器的需求日益增加，開始感到硅功率器件的性能受到限制，面對廣闊的市場，不得不考慮一些新的材料，長遠考慮金剛石是一理想的材料，近年來SiC材料越來越受到重視，有人預(yù)言：碳化硅是21世紀最好的電力電子器件材料。7精選pptSiC晶體也是一種多晶型的，從物理參數(shù)看，與Si相比有以下特點：①帶隙寬度是硅的2~3倍②絕緣擊穿電場是硅的10倍③熱導(dǎo)為硅的3倍④本征溫度是硅的3~4倍這些特點決定了碳化硅是制作功率器件的理想材料8精選ppt

2000年5月4日，美國CREE公司和日本關(guān)西電力公司聯(lián)合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二極管，其正向壓降VF在100A/cm2電流密度下為4.9V。這充分顯示了SiC材料制作功率二極管的巨大威力。9精選ppt一、散熱原理二、散熱器及其安裝2.4功率二極管的散熱措施10精選ppt半導(dǎo)體器件的根本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，而PN結(jié)的性能與溫度密切相關(guān)，為了保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許的結(jié)溫Tjm,與最高結(jié)溫對應(yīng)的器件的耗散功率即是器件允許的最大的耗散功率。器件正常工作時不能超過最高結(jié)溫和功率的最大允許值，否那么器件的特性與參數(shù)將要發(fā)生變化，甚至因為電極或半導(dǎo)體層的熔化而將永久失效。11精選ppt但電力電子器件在傳遞和處理電能的同時，也要通過電-熱轉(zhuǎn)換消耗一局部電能。為了保持器件的正常工作，由消耗電能轉(zhuǎn)換而成的熱量必須及時傳出器件并有效的散發(fā)掉。這就涉及到散熱原理與散熱措施兩方面的內(nèi)容。12精選ppt一、散熱原理自然散熱的方式〔熱力學(xué)原理〕熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射13精選ppt電力電子器件的主要發(fā)熱部位在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部，由消耗電能產(chǎn)生的熱量首先通過熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到管座〔外殼的底座〕和散熱器上，然后經(jīng)熱傳導(dǎo)、對流和輻射等多種傳熱形式散發(fā)給空氣或水等吸收介質(zhì)。在這些散熱方式中，輻射散熱的熱量很少，通常只占1%-2%14精選ppt半導(dǎo)體功率器件安裝示意圖15精選ppt在利用空氣散熱的自然冷卻和風冷方式中，對流是熱量從管座或散熱器向空氣散失的主要方式。當用水或其他液體散熱時，散熱器壁與散熱介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)那么是主要的散熱方式。16精選ppt規(guī)定的最高結(jié)溫〔允許的結(jié)溫〕遠低于其本征失效溫度〔芯片面積大，溫度分布不均勻〕硅功率二極管：135~150℃軍用設(shè)備：125~130℃超高可靠性設(shè)備：105℃器件Tjm17精選ppt熱傳輸與電傳輸有很大的相似性，其過程也有穩(wěn)態(tài)〔管芯發(fā)熱率與散熱率相等，結(jié)溫不再升高，處于熱均衡狀態(tài)〕和瞬態(tài)〔升溫或降溫的過渡過程〕18精選ppt1、穩(wěn)態(tài)熱阻熱傳輸遵從熱路歐姆定律：△T——冷熱端的溫差〔k〕〔類似電壓〕Pd——功率耗散，即熱流〔散熱速率，類似電流，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量〕〔W〕Rθ——熱阻〔k/w〕〔穩(wěn)態(tài)熱阻〕19精選ppth——散熱系數(shù)k——熱導(dǎo)率A——散熱面積L——熱流路程長度20精選ppt散熱設(shè)計的主要任務(wù)就是根據(jù)器件的耗散功率設(shè)計一個具有適當熱阻的散熱方式和散熱器，以確保器件的芯片溫度不高于最大結(jié)溫Tjmax21精選ppt設(shè)散熱器的環(huán)境溫度為Ta，那么芯片到環(huán)境的總熱阻：22精選ppt半導(dǎo)體功率器件的傳熱途徑和熱阻示意圖23精選ppt總熱阻Rθj-a分成三局部：a：內(nèi)熱阻RθJ-C

：從管芯到管殼的熱阻b：外熱阻

RθC-S

：從管殼到散熱器的接觸熱阻

RθS-a：從散熱器到環(huán)境介質(zhì)的散熱器熱阻24精選ppt假設(shè)考慮從管殼到環(huán)境的直接傳熱作用，Rθj-a更復(fù)雜：25精選ppt半導(dǎo)體器件穩(wěn)態(tài)散熱過程的等效電路26精選ppt對于器件用戶來說，結(jié)殼熱阻RθJ-C是不能改變的一個器件因素，它同Tjmax

、最大功耗Pdm一起決定殼溫的上限27精選ppt接觸熱阻RθC-S的大小與多種因素有關(guān)，它不但取決于器件的封裝形式、界面平整度和散熱器的安裝壓力，還取決于管殼與散熱器之間是否加有絕緣墊片或?qū)峁柚?。增加安裝壓力可減小RθC-S

，涂導(dǎo)熱脂可降低RθC-S

，但加絕緣墊片可使RθC-S增加28精選ppt2、瞬態(tài)熱阻抗當功率器件工作在開關(guān)模式之中時，其峰值結(jié)溫與平均結(jié)溫有一定的差異。在電流脈沖的持續(xù)時間較長，占空比也較高的情況下，峰值結(jié)溫有可能非常接近平均結(jié)溫。這時，熱阻的概念仍然適用。29精選ppttp—器件導(dǎo)通時間矩形脈沖，假設(shè)幅值為Pp，那么其平均值：30精選ppt在脈沖較短，占空比比較低的情況下，峰值結(jié)溫有可能遠高于平均結(jié)溫，成為器件工作特性的主要限制因素。這時的結(jié)溫上下不僅與器件的消耗功率有關(guān)，還在很大程度上決定于電流脈沖的形狀、持續(xù)的時間和重復(fù)的頻率。因而熱阻的概念不再適用，須用瞬時熱阻抗這個新概念代替。其反映了熱傳體的熱慣性在熱量傳遞的瞬變過程中對熱阻的改變，用Zθ表示。r(tp)——是一個與脈沖寬度tp及占空比有關(guān)的比例因子，本質(zhì)上也就是以穩(wěn)態(tài)熱阻為1的歸一化瞬態(tài)熱阻抗。31精選ppt32精選ppt二、散熱器及其安裝散熱器是以對流和輻射的方式將熱能傳到環(huán)境中去的，散熱器的熱阻RθS-a與散熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、外表顏色、冷卻方式及安裝位置有關(guān)。33精選ppt散熱器的形狀〔1〕平板型〔2〕叉指型〔3〕型材型34精選ppt散熱器的外表：涂黑色漆或鈍化。目的是提高輻射系數(shù)，可減小10%-15%的熱阻。散熱器的安裝：應(yīng)垂直安放。因為熱氣流密度輕，自然向上流動，以形成“煙囪效應(yīng)〞，便于散熱。熱阻可減小15%-20%。35精選ppt散熱器的冷卻方式：自然冷卻——依靠空氣的自然對流及輻射。結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲，但散熱效率低。風冷——強制通風，加強對流的散熱方式。為自冷散熱效率的2-4倍，噪聲大。水冷——散熱效率極高，為自然散熱的150倍。冷卻介質(zhì)有水、變壓器油，投資高。36精選ppt主要有鋁板或鋁型材料制成〔價格低〕，另外還有銅、鎂和鋼等材質(zhì)。散熱器的材質(zhì)：37精選ppt幾種主要外殼封裝的半導(dǎo)體功率器件的RθjC值封裝型號F1F12B—3DS—7S—6RθjC3.5℃/W3℃/W15℃/W4℃/W10℃/W38精選ppt幾種主要外殼封裝的半導(dǎo)體功率器件的RθCS值。封裝型號F1F12B—3DS—7S—6無散熱板3℃/W3℃/W11℃/W3℃/W7.5℃/W散熱板涂硅脂1℃/W1℃/W1℃/W散熱板墊云母片1.8℃/W1.8℃/W1.8℃/W39精選ppt鋁質(zhì)平板散熱器的熱阻散熱器表面積（cm2）100200300400500600以上熱阻Rθs-a4.5—6℃/W3.5—4.5℃/W3—3.5℃/W2.5—3℃/W2—2.5℃/W1.5—2.5℃/W注：散熱器垂直放置時取下限、水平放置時取上限40精選ppt鋁質(zhì)平板散熱器的熱阻41精選ppt案例:現(xiàn)有一只S—7封裝的硅功率半導(dǎo)體器件，查器件手冊得知其極限運用溫度TJM=150℃，現(xiàn)根據(jù)其工作條件決定工作環(huán)境溫度TA=70℃。1、求它在不帶散熱器時的極限功耗。2、假設(shè)它在實際工作時的功耗為750mw，極限運用溫度TJM為125℃，求它在不帶散熱器時的極限環(huán)境溫度。3、假設(shè)要求它的實際功耗為5.5W，允許的最高器件工作溫度為100℃，允許最高工作環(huán)境溫度為40℃。問該器件正常工作時是否需要加裝散熱器？如果要加裝平板散熱器，又要求散熱器垂直放置，求所需的散熱器面積。

42精選ppt解：1、查表得S—7封裝的器件的熱阻RQjC=63℃/W代入式PD====1.27(W)也就是說，S—7封裝的硅功率半導(dǎo)體器件不帶散熱器在極限運用溫度為TQjC=150℃，工作環(huán)境溫度Ta=70℃時的允許功耗不得超過1.27W。43精選ppt2、假設(shè)它在實際工作時的功耗為750mw，極限運用溫度TjM仍為150℃那么：TA=TjM-PD*RθjA=125—63×0.75=77.75℃

44精選ppt3、假設(shè)要求它的實際功耗為5.5W，這已經(jīng)超出了它在不帶散熱器時的極限功耗，所以器件必須加裝散熱器。加裝了散熱器之后，總熱阻為管芯到外殼的熱阻RθjC、外殼到器件外表，即到散熱器的熱阻Rθcs及散熱器熱阻Rθs-a之和查得S—7封裝的器件的RθjC=4℃/W，RθCs=3℃/W把PD=5.5W、RθjC

=4℃/W，RθCs

=3℃/W代入上式得45精選ppt查表或圖均可得鋁平板散熱器的面積S=200cm〔厚1.5mm〕46精選ppt總結(jié)(工藝角度)在安裝散熱器時還應(yīng)注意以下幾點工藝問題:：1、散熱器與器件的接觸面應(yīng)平整，在整個接觸面內(nèi)測量，平面度誤差不大于0.1mm。2、在器件與散熱器接觸面之間最好涂一層硅脂或凡士林，以增加導(dǎo)熱性能，減少熱阻。3、一般用M3或M4的螺拴將器件緊固在散熱器上，相應(yīng)的緊固扭矩大約是3—4N·m。扭矩太小會增加熱阻，扭矩太大那么會使螺拴—螺母系統(tǒng)產(chǎn)生非彈性變形，反而減小緊固力，甚至使螺拴—螺母系統(tǒng)滑扣而失效。4、散熱器經(jīng)外表電氧化處理后外表呈黑色，可提高散熱效