К вопросу о теплоотводе с силовых элементов.
Часть вторая

По материалам зарубежных источников
апрель 2014 г.


Предисловие.

В первой части статьи мы привели данные Infineon Technologies по оптимальному креплению силовых полупроводниковых элементов с помощью теплопроводных прокладок к радиатору. Вторая часть статьи посвящена новому подходу к электрической изоляции мощных полупроводниковых элементов от радиатора. Компания IXYS вывела на рынок силовой электроники новый вид корпусов ISOPLUSTM, в которых осуществлена внутренняя электрическая изоляция кристалла полупроводникового элемента от его корпуса. Рассмотрим эту тему более подробно.

Введение

Компания IXYS представляет новое семейство внутренне изолированных силовых полупроводников в корпусах ТО-247, ТО-220 и i4.

Как будет показано ниже, эти новые изолированные корпуса, а именно ISOPLUS220TM, ISOPLUS247TM и ISOPLUS i4TM, не только обеспечивают пробивное напряжение изоляции в 2500 В (RMS), но также позволяют достигнуть более низкое тепловое сопротивление перехода силовой элемент-радиатор, более низкую межкорпусную емкость и лучшую нагрузочную способность для импульсных сигналов по сравнению с обычными методами изолирования силовых элементов от радиатора.

Стандартные методы изоляции

Стандартный способ изоляции дискретных устройств при креплении на радиаторе включает в себя размещение электрически изолирующих, теплопроводящих прокладок между медным основанием силового элемента и радиатором. Существуют три основных критерия для оценки успешного охлаждения силовых полупроводниковых элементов.

Первый критерий – это низкое тепловое сопротивление. Изолятор должен иметь как высокую теплопроводность, так и хорошую электрическую прочность диэлектрика, и при этом иметь малую толщину. В нем должно быть как можно меньше слоев.

Второй критерий - это механическая прочность изолятора, так чтобы монтаж на нем силового элемента не способствовал пробою диэлектрика.

Третий критерий включает в себя надежность. Это всегда полезно для эксплуатации устройства в условиях низких температур. Кроме того, чтобы увеличить свою импульсную мощность или термическую выносливость, кремниевые чипы должны быть припаяны к материалу, с соответствующим коэффициентом теплового расширения, чтобы избежать механических повреждений самой пайки и чипа, при его нагревании и остывании.

Например, пленки Kapton имеют низкое термическое сопротивление, но они имеют более высокую подверженность к проколу частицами пыли или заусенцами на полупроводниковых корпусах или радиаторе. Керамические шайбы являются лучшим выбором для обеспечения высокого пробивного напряжения изоляции, потому что они сочетают в себе высокую диэлектрическую прочность и хорошую теплопроводность. Однако, они хрупкие, их трудно держать в процессе сборки, и они требуют термопасты для заполнения воздушных пустот между контактными поверхностями слоев. Если кто-то использует винт для монтажа полупроводниковых корпусов к радиатору, происходит дальнейшее осложнение из-за достаточно большой изменчивости расстояния между корпусом устройства и радиатором по мере крепления первого винтом.

В 1998 IXYS представил PLUS247TM корпус, " holeless " ТО-247, требующий при монтаже технику прижатия корпуса к радиатору. Получился очень удачный корпус, который не только снизил расходы на сборку силового оборудования, но и позволил применить корпус ТО-247 для чипов с большими, чем обычно нагрузочными параметрами. Ликвидация отверстия для винта позволила увеличить площадь корпуса, что дало возможность использовать для установки чипы больших размеров.

На протяжении многих лет, корпорация IXYS выпускает силовые модули низкой стоимости в корпусах TO-247 с керамическими подложками, изготовленных с помощью DCB-сэндвичей, где керамика находится между слоями меди. Соединение этих двух технологий позволило создать новые корпуса для силовых модулей ISOPLUS220TM, ISOPLUS247TM и ISOPLUS i4TM.

На рис. 1 показан открытый корпус TO-247 конструкции ISOPLUS ("holeless" (без отверстия для винта) и с внутренней изоляцией поверхности теплоотвода).

В ISOPLUS247TM полностью изолирован пластиковый корпус в стандарте ТО-247 "holeless " (без отверстия для винта). Это позволяет заменить один-к-одному корпуса PLUS247 с изоляционными прокладками или керамическими шайбами на ISOPLUS247TM. В IXYS обозначение этого типа корпуса производится через букву “R“, например IXFR 26N50. Корпус "holeless" предназначен для крепления с помощью пружинного зажима. Для обеспечения максимальной производительности рекомендуется использовать термопасту между корпусом и радиатором. Сборка без термопасты возможна, но увеличивает тепловое сопротивление примерно на 50 %. Все детали проходят 100 % тестирование изоляции напряжением до 2,5 кВ (действующее значение).

Конструкция

Основным инженерным достижением является замена обычной медной пластины DCB-пластиной. Керамика сама по себе может выдержать напряжение пробоя более 6 кВ, но для ISOPLUS247TM, напряжение пробоя было уменьшено до 2,5 кВ, с учетом ударных нагрузок и деформаций корпуса изделия. Кремниевый чип или чипы припаяны на одной поверхности, в то время как противоположная сторона может использоваться для непосредственного крепления для радиатора (см. рис.). Количество слоев от источника тепла (чип) до радиатора была уменьшена до одного слоя припоя, DCB-сэндвича и внешней термопасты. Это приводит к очень низкому тепловому сопротивлению между чипом и радиатором. Паять микросхемы на DCB-сэндвич это хорошо проверенный метод присоединения чипа к изолятору.

Свойства

Основное преимущество корпуса ISOPLUS247TM является очень низкое тепловое сопротивление, прочный корпус, высокое пробивное напряжение, изолированный монтаж системы. Таблица 1 сравнивает термические сопротивления чипов 170A/100В MOSFET в различных корпусах (рис. 2) (IXFR170N10) без крепежного отверстия, TO-247-версия (IXFX180N10) при изоляции с различными теплопроводящими материалами. Максимальная мощность рассеяния, в зависимости от различных изоляционных материалов приведена на рисунке 2.

Таблица 1 (в дополнение смотри таблицу 2)

ОбозначениеМатериал изоляции Толщина, мм R(th)js K/W Pd @ Tj = 150°C Ts = 80°C W IDC @ Ts = 80°C ATj @ Idc = 50 A Ts = 80°C C
IXFR170N10 Внутренний DCB из AlN 0.63 0.39 115.4 84.9 92.9
IXFR150N10Внутренний DCB из AlO3 0.63 0.45 100.0 79.1 95.1
IXFX180N10Внешний DCB из AlO3 0.63 0.65 69.2 65.8 102.7
IXFX180N10 IMS - подложка 0.13 0.74 60.8 61.6 106.4
IXFX180N10 Kapton 0.05 0.88 51.1 56.5 112.4
IXFX180N10 Силиконовые прокладки со стекловолокном 0.38 1.12 40.2 50.1 123.6

Таблица 2 Сравнение производительности ISOPLUS247TM, IXFR55N50, IXFX55N50, монтируемым с помощью различных переходных материалов

Обозначение Материал изоляцииТолщина, ммПробивное напряжениеR(th)jsPd@Tj=150CId @ Tj=150CTj @ Idc=15A
Ts=80C Ts=80C Ts=80C
(мм) (kV) (K/W) (W) (A) (C)
IXFR55N50Внутренний DCB0.63 2.5 0.52 135 28.1 96
IXFX55N50Внешний DCB0.63 2.5 0.68 103 24.6 102
IXFX55N50 Kapton 0.05 4.5 0.96 73 20.7 112
IXFX55N50 IMS подложка 0.13 6 0.78 90 23.0 105
IXFX55N50SIL-PAD 2000(TM)0.38 4 1.24 56 18.2 125

На рисунке 3 показаны графики зависимости тока стока различных транзисторов, закрепленных на радиаторе различным способом, от температуры радиатора.

Анализ таблицы 1 показывает, что в зависимости от техники монтажа, допустимый ток через силовой элемент может быть увеличен примерно на 50% для аналогичного температурного перехода. Кроме того, чип нагревается на 31 °C меньше для одинаковых условий эксплуатации, что делает его более надежным в работе. Так как, в нашем случае, имеется достаточно малое температурное сопротивление, можно использовать значительно меньший чип для работы с теми же токами, что делает силовые модули с внутренней изоляцией дешевле аналогичных силовых модулей.

Опыт показывает, что при использовании очень тонких пленок (<50 микрон) с хорошей теплопроводностью, например, таких как Kapton, особенно на крутых фронтах (высоких dV/dt) могут быть проблемы с EMI/RFI, вызванные паразитными емкостями. В IXYS ISOPLUS247TM используется DCB-сэндвич с толщиной керамики 0,63 мм, что уменьшает приблизительно в 6 раз указанные выше паразитные емкости.

Кроме того, у ISOPLUS247TM благодаря жесткому основанию DCB-сэндвича сведен к минимуму риск повреждения изоляции из-за заусенцев или загрязнения.

Нет сомнений в том, что корпус ISOPLUS247TM будет эффективнее аналогичного стандартного корпуса ТО-247 при тестовых испытаниях циклического изменения температуры и подводимой мощности. Поскольку кремний и DCB-сэндвич имеют схожие коэффициенты расширения, напряжение в паяном соединении чипа с подложкой будет ниже в течение всего циклического изменения температуры.

Внешняя металлизированная поверхность компаундной части корпуса изолирована от чипа, поэтому нет проблем при установке и креплении таких корпусов с помощью специальных зажимов.

Применение

Типичное применение для этих корпусов – это силовые элементы, работающие в диапазоне низких напряжений с шинами постоянного тока с максимальным потенциалом 350В. Ограничения по применению корпуса SOPLUS247TM определяются моделью устройства, его токами утечки и пробивным напряжением , которые такие же, как и у стандартного корпуса TO-247. В то же время, для новых устройств высокой мощности, этот корпус является более предпочтительным, благодаря своим небольшим проходным индуктивностям, низкому тепловому сопротивлению и прогнозируемой надежности. Другие примеры применения силовых элементов с новыми корпусами: источники питания, ИБП (источники бесперебойного питания), преобразователи переменного и постоянного тока, сварочные инверторы на напряжение до 300 В.

Корпус ISOPLUS i4TM дает преимущество по токам утечки и пробивному напряжению, поэтому работа изделий с этими корпусами на шины постоянного тока до 2000 В осуществима.

Внутренняя или внешняя изоляция?

Общий ключевой вопрос: сколько это будет стоить? Ответ не лежит на поверхности. Здесь следует учитывать многие конкретные условия применения. Конечно, силовой элемент в корпусе ISOPLUS247TM дороже, чем аналогичный силовой элемент в стандартном неизолированном корпусе TO-247. Но, когда пользователь учтет стоимость монтажа, стоимость отдельного изолятора, повышенное напряжение пробоя изоляции и пониженное тепловое сопротивление (что позволяет использовать меньший кремниевый чип или повышенную мощность рассеивания), применение ISOPLUS247TM окажется наиболее экономичным решением в создании силовых электронных устройств.

Семейство ISOPLUSTM

Сегодня, семейство ISOPLUSTM состоит из трех членов, а именно:

ISOPLUS247TM, ISOPLUS220TM и ISOPLUS i4TM.

Благодаря тому, что на поверхности меди DCB-сэндвича может быть нанесен рисунок как на печатной плате, можно реализовать конфигурацию multi-chip, например, модули FRED или диоды Шоттки.

Корпус ISOPLUS i4TM поставляется с максимальным количеством выходных контактов равным 5, что позволяет реализовать дополнительные важные возможности, например, фазовая-нога у трехфазных входных выпрямителей, корректоров мощности и преобразователей. Удалив неиспользуемые контакты, можно создавать компоненты высокого напряжения с увеличенным пробивным напряжением и расстоянием между выводами: транзисторы IGBT или высоковольтные мощные тиристоры.


Copyright © 2003-2017 Л-С-И
Лаборатория Силовых Источников
Вверх
Рейтинг@Mail.ru