SiCer小課堂 | 碳化硅肖特基二極管器件散熱設(shè)計(jì)
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(yùn)行，器件結(jié)溫Tj必須低于Tj(max)，在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)需留有余量，以保證在額定負(fù)載或過載等狀態(tài)下結(jié)溫Tj在Tj(max)以下。
當(dāng)SiC JBS器件在高于Tj(max)的溫度下運(yùn)行時(shí)，芯片可能發(fā)生熱擊穿損壞。選擇冷卻系統(tǒng)（散熱器）時(shí)，需以芯片金屬上或芯片中央正下方的溫度為準(zhǔn)。有關(guān)熱損耗的詳細(xì)設(shè)計(jì)，請(qǐng)參考下述資料：器件散熱注意事項(xiàng)、器件安裝及驗(yàn)證芯片溫度相關(guān)內(nèi)容。
2、器件散熱注意事項(xiàng)
2.1散熱器表面的平坦度
SiC JBS散熱器安裝位的平坦度應(yīng)在50μm以下，表面粗糙度應(yīng)在10μm以下。如果散熱器的表面不平整有坑洼時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接觸熱阻Rth(c-f)增加。
-50μm以下時(shí)：散熱器和SiC JBS間產(chǎn)生間隙，散熱性變差（接觸熱阻Rth(c-f)增加）
+50μm以上時(shí)：SiC JBS的銅基板變形，絕緣片或陶瓷片基板可能發(fā)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(wǎng)印刷、滾筒。
散熱硅脂可提高器件底板向散熱器進(jìn)行熱傳導(dǎo)的能力，自身帶有熱容量。如果涂抹的散熱硅脂過厚，會(huì)影響向散熱器的散熱，導(dǎo)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(huì)存在未粘合散熱硅脂的部分接觸熱阻上升，導(dǎo)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(shí)需確保厚度均勻。
一般建議采用絲網(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)品的推薦力矩緊固螺栓，即可實(shí)現(xiàn)散熱硅脂厚度大致均勻。
推薦進(jìn)口散熱膏品牌：富士、道康寧、信越，國(guó)產(chǎn)的卡速特等。
散熱硅脂厚度與散熱重量的關(guān)系：
散熱硅脂厚度=[散熱硅脂質(zhì)量（g）]/[SiC?IBS基板面積（cm2）*散熱硅脂密度(g/cm3)]
根據(jù)公式計(jì)算出所需散熱硅脂厚度(μm)對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行確認(rèn)。
例如：基板尺寸20*25（B1D20065HC）,采用信越產(chǎn)的G-746硅脂。
150μm=（散熱硅脂質(zhì)量）/[5(cm2) x?2.66](g/cm3)
所需硅脂質(zhì)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(shí)的螺釘緊固方法如圖所示。另外，請(qǐng)按照規(guī)定的緊固轉(zhuǎn)矩緊固螺釘。關(guān)于規(guī)定轉(zhuǎn)矩及使用的螺釘規(guī)格，請(qǐng)參照器件規(guī)格書。
3.2禁止事項(xiàng)
1）螺釘嚙合：螺紋牙損壞或產(chǎn)生金屬碎屑的狀態(tài)下請(qǐng)勿使用。
2）緊固轉(zhuǎn)矩過大：螺栓發(fā)生彎曲或墊片損壞等固定件破損時(shí)請(qǐng)勿使用。
3）緊固轉(zhuǎn)矩不足：可能會(huì)導(dǎo)致從器件與散熱器接觸不良，器件管芯溫度無法外傳，導(dǎo)致器件損壞。
4、驗(yàn)證芯片溫度
4.1耗散功率、熱阻、溫度關(guān)系
?Tc殼溫與結(jié)溫Tj的換算公式如下：
Tj- Tc=Rth(jc)*?Ptot
Tj: SiC?JBS管芯的結(jié)溫
Tc: SiC?JBS鋁基板外殼熱電偶測(cè)試溫度
Rth(jc): SiC?JBS管芯結(jié)到鋁基板外殼間的熱阻
Ptot: SiC?JBS在測(cè)試溫度條件下通過電流時(shí)的實(shí)際耗散功率
在部分場(chǎng)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(shí)刻電網(wǎng)元件或者全網(wǎng)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(dǎo)通的耗散功率計(jì)算比較簡(jiǎn)單，Ptot=I2R或者Ptot=U2/R。在開關(guān)狀態(tài)下,計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜。
SiC JBS二極管的耗散功率與允許的結(jié)溫有關(guān)，SiC JBS二極管目前一般允許的最大結(jié)溫是175℃,而Si允許最大節(jié)溫150℃。半導(dǎo)體工作溫度有一定范圍，當(dāng)實(shí)際的功率增大時(shí)，其結(jié)溫也將變大，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到175℃時(shí)，此時(shí)的功率就是最大的耗散功率。當(dāng)然耗散功率與封裝大小也有一定的關(guān)系，通常封裝大點(diǎn)的器件，其最大耗散功率也相對(duì)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(guān)，散熱條件越好，耗散功率越高，熱阻越小，傳熱能力越強(qiáng)；反之，熱阻越大，傳熱能力越?。缓纳⒐β逝c環(huán)境溫度有關(guān)，溫度越大，耗散功率越小。在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)關(guān)注器件工作時(shí)的溫度,以確保在安全的工作范圍。
例如：B1D20065HC SiC JBS二極管簡(jiǎn)單的耗散功率及溫度的計(jì)算。
假定Tj(max)=175℃, 考慮到瞬時(shí)熱量造成熱過沖，降額0.85,平均結(jié)溫Tj取值150℃。則允許外殼溫度Tc(max)為：Tc(max)=（150-Rth(jc)*Ptot）。從下圖可以計(jì)算：Tc=100℃，Ptot=74W,?Rth(jc)=1.02K/W。此時(shí)Tj(max)=100+74*1.02=175℃
這時(shí)候已經(jīng)達(dá)到芯片結(jié)溫的上限了，比較危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)避免，盡量不要超出平均結(jié)溫點(diǎn)。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(shí)際工作不能超過這個(gè)數(shù)值，后者是傳熱阻力參量，反應(yīng)不同二極管的傳熱能力。在使用二極管時(shí)，不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關(guān)時(shí)間，還要多考慮耗散功率。? ? ? ?
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4.2溫度的測(cè)量
選擇散熱器，確定SiC JBS的安裝位置后，請(qǐng)測(cè)量各部分的溫度，確認(rèn)芯片的結(jié)溫(Tj)。驗(yàn)證芯片結(jié)溫是否低于Tj(max)，散熱設(shè)計(jì)是否達(dá)到設(shè)備裝置的預(yù)期壽命周期。SiC JBS外殼溫度(Tc)的正確測(cè)量方法示例如圖下所示。
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