陶瓷墊片在大功率電源產(chǎn)品中的應(yīng)用

1、引言

陶瓷墊片是一種高導(dǎo)熱性能的材料，主要由氧化鋁組成（氧化鋁含量高達96%以上），外觀呈純白色，質(zhì)地堅硬，主要用于功率器件與散熱器之間的傳熱和電氣隔離。它與功率器件（如功率MOS管、功率三極管等）、鋁散熱器、PCB板緊密結(jié)合后，密封性能極佳，能達到防塵、防水、導(dǎo)熱、絕緣的理想效果，并能適應(yīng)高溫、高壓、多塵的惡劣工作環(huán)境，提高設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性。文中分析了陶瓷墊片的性能特點，并對它在電源產(chǎn)品應(yīng)用中的安規(guī)、工藝、結(jié)構(gòu)等設(shè)計進行了探討，最后給出了它在電子負載（模塊電源高溫老化專用負載）上的應(yīng)用。

2、陶瓷墊片的性能特點

陶瓷墊片有以下特點：

⑴陶瓷墊片導(dǎo)熱系數(shù)（20℃）高達20 W/(m-K)~30W/(m-K)，遠比普通導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)高，因此在功率器件散熱要求非?？量痰臈l件下得到了廣泛的應(yīng)用。而目前導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)大都在2.0 W/(m-K)以下，導(dǎo)熱系數(shù)較高的貝格斯Sil-Pad2000系列也只有3.5W/(m-K)；

⑵耐高溫和高壓。陶瓷墊片的擊穿強度在10kV~12kV，允許使用的最高溫度達1600℃，能適應(yīng)高溫、高壓、高磨損、強腐蝕的惡劣工作環(huán)境，滿足電源產(chǎn)品在各種場合的應(yīng)用要求；

⑶使用壽命較長。可以減少設(shè)備的維修次數(shù)，提高設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性；

⑷符合歐盟ROHS環(huán)保標(biāo)準。

3、散熱路徑

普通導(dǎo)熱墊片是由軟介質(zhì)的材料組成，可以填充功率器件和散熱器表面之間的細小間隙，減小其接觸熱阻。而陶瓷墊片由質(zhì)地堅硬的氧化鋁組成，表面有一定的粗糙度，如果直接裝配，功率器件與陶瓷墊片之間、散熱器與陶瓷墊片之間會存在很多間隙，嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。因此，在采用陶瓷墊片做導(dǎo)熱材料時，還需要在其兩個表面涂加導(dǎo)熱硅脂，用于填充陶瓷墊片與散熱器、陶瓷墊片與功率器件之間的細小間隙，減小它們之間的接觸熱阻。

加裝陶瓷墊片后，功率器件到環(huán)境溫度的熱阻主要由導(dǎo)熱硅脂熱阻、陶瓷墊片熱阻、導(dǎo)熱硅脂熱阻、散熱器熱阻組成。其散熱路徑分為兩部分：

⑴功率器件（熱源）→導(dǎo)熱硅脂→陶瓷墊片→導(dǎo)熱硅脂→散熱器（熱傳遞以傳導(dǎo)為主）；
⑵散熱器→環(huán)境空氣（熱傳遞以對流為主）。
圖1給出功率器件的熱阻模型及散熱路徑。影響功率器件的熱阻因素主要有陶瓷墊片的表面平整度、陶瓷墊片和導(dǎo)熱硅脂的厚度、散熱器的厚度及形狀、緊固件的壓力等，而這些因素又與實際應(yīng)用條件有關(guān)，所以功率器件到散熱器之間的熱阻也將取決于實際裝配條件。

圖1 加裝陶瓷墊片后的功率器件熱阻模型