功率二极管的散热

肖特基势垒二极管（SBD）,肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的。是近年来间世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。,肖特基二极管特点,优点：,1、正向导通压降低2、反向漏电流受温度变化小3、动态特性好，工作频率高,缺点：,1、反向漏电流大2、耐压低,目前主要使用的半导体材料有硅和砷化镓二种。GaAs介电常数小、迁移率大，相对硅、锗二极管，其结电容CJ和串联体电阻小、截止频率高、噪声小，缺点是GaAs和金属接触的势垒高度，一般比硅大，因而导通电压比较高。由于电子的迁移率比空穴大，为获得良好的频率特性，故一般选择n型的半导体材料作基片。,材料、结构和工艺,为了减小SBD的结电容，提高反向击穿电压，同时又不使串联电阻过大，通常是在N衬底上外延一高阻N薄层。金属材料应选用与半导体接触形成的势垒高度较低的金属。,对于n-Si,常用的金属有Ni、Mo、Ti、Pt对于n-GaAs，采用过的金属有Au、Ag、Ni、Cr、Ti,功率肖特基势垒二极管主要是利用薄膜淀积技术在N型低阻硅上，淀积一层金属（铬、铂、钨、钼等）制成。其结构有二种，如右图所示,P型环与n型外延层构成pn结，它与肖特基二极管并联，肖特基二极管的正向压降低于pn结的，不会影响肖特基二极管的正向特性，但反向状态下，p区将增加边缘势垒层的曲率和半径，反向特性得到明显改善。,碳化硅肖特基二极管,一、期待中的SiC器件,随着对大功率变换器、高速变换器的需求日益增加，开始感到硅功率器件的性能受到限制，面对广阔的市场，不得不考虑一些新的材料，长远考虑金刚石是一理想的材料，近年来SiC材料越来越受到重视，有人预言：碳化硅是21世纪最好的电力电子器件材料。,SiC晶体也是一种多晶型的，从物理参数看，与Si相比有以下特点：带隙宽度是硅的23倍绝缘击穿电场是硅的10倍热导为硅的3倍本征温度是硅的34倍,这些特点决定了碳化硅是制作功率器件的理想材料,2000年5月4日，美国CREE公司和日本关西电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二极管，其正向压降VF在100A/cm2电流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料制作功率二极管的巨大威力。,一、散热原理二、散热器及其安装,2.4功率二极管的散热措施,半导体器件的基本结构是PN结，而PN结的性能与温度密切相关，为了保证器件正常工作，必须规定最高允许的结温Tjm,与最高结温对应的器件的耗散功率即是器件允许的最大的耗散功率。器件正常工作时不能超过最高结温和功率的最大允许值，否则器件的特性与参数将要发生变化，甚至因为电极或半导体层的熔化而将永久失效。,但电力电子器件在传递和处理电能的同时，也要通过电-热转换消耗一部分电能。为了保持器件的正常工作，由消耗电能转换而成的热量必须及时传出器件并有效的散发掉。这就涉及到散热原理与散热措施两方面的内容。,一、散热原理,自然散热的方式（热力学原理）,热传导热对流热辐射,电力电子器件的主要发热部位在半导体芯片内部，由消耗电能产生的热量首先通过热传导转移到管座（外壳的底座）和散热器上，然后经热传导、对流和辐射等多种传热形式散发给空气或水等吸收介质。在这些散热方式中，辐射散热的热量很少，通常只占1%-2%,半导体功率器件安装示意图,在利用空气散热的自然冷却和风冷方式中，对流是热量从管座或散热器向空气散失的主要方式。当用水或其他液体散热时，散热器壁与散热介质之间的热传导则是主要的散热方式。,规定的最高结温（允许的结温）远低于其本征失效温度（芯片面积大，温度分布不均匀）,硅功率二极管：135150军用设备：125130超高可靠性设备：105,器件Tjm,热传输与电传输有很大的相似性，其过程也有稳态（管芯发热率与散热率相等，结温不再升高，处于热均衡状态）和瞬态（升温或降温的过渡过程）,1、稳态热阻,热传输遵从热路欧姆定律：,T冷热端的温差（k）（类似电压）Pd功率耗散，即热流（散热速率，类似电流，单位时间内产生的热量）（W）R热阻（k/w）（稳态热阻）,h散热系数k热导率A散热面积L热流路程长度,散热设计的主要任务就是根据器件的耗散功率设计一个具有适当热阻的散热方式和散热器，以确保器件的芯片温度不高于最大结温Tjmax,设散热器的环境温度为Ta，则芯片到环境的总热阻：,半导体功率器件的传热途径和热阻示意图,总热阻Rj-a分成三部分：,a：内热阻RJ-C：从管芯到管壳的热阻b：外热阻RC-S：从管壳到散热器的接触热阻RS-a：从散热器到环境介质的散热器热阻,若考虑从管壳到环境的直接传热作用，Rj-a更复杂：,半导体器件稳态散热过程的等效电路,对于器件用户来说，结壳热阻RJ-C是不能改变的一个器件因素，它同Tjmax、最大功耗Pdm一起决定壳温的上限,接触热阻RC-S的大小与多种因素有关，它不但取决于器件的封装形式、界面平整度和散热器的安装压力，还取决于管壳与散热器之间是否加有绝缘垫片或导热硅脂。,增加安装压力可减小RC-S，涂导热脂可降低RC-S，但加绝缘垫片可使RC-S增加,2、瞬态热阻抗,当功率器件工作在开关模式之中时，其峰值结温与平均结温有一定的差别。在电流脉冲的持续时间较长，占空比也较高的情况下，峰值结温有可能非常接近平均结温。这时，热阻的概念仍然适用。,tp器件导通时间,矩形脉冲，若幅值为Pp，则其平均值：,在脉冲较短，占空比比较低的情况下，峰值结温有可能远高于平均结温，成为器件工作特性的主要限制因素。这时的结温高低不仅与器件的消耗功率有关，还在很大程度上决定于电流脉冲的形状、持续的时间和重复的频率。因而热阻的概念不再适用，须用瞬时热阻抗这个新概念代替。其反映了热传体的热惯性在热量传递的瞬变过程中对热阻的改变，用Z表示。r(tp)是一个与脉冲宽度tp及占空比有关的比例因子，本质上也就是以稳态热阻为1的归一化瞬态热阻抗。,二、散热器及其安装,散热器是以对流和辐射的方式将热能传到环境中去的，散热器的热阻RS-a与散热器的材质、结构、表面颜色、冷却方式及安装位置有关。,散热器的形状,（1）平板型,（2）叉指型,（3）型材型,散热器的表面：涂黑色漆或钝化。目的是提高辐射系数，可减小10%-15%的热阻。,散热器的安装：应垂直安放。因为热气流密度轻，自然向上流动，以形成“烟囱效应”，便于散热。热阻可减小15%-20%。,散热器的冷却方式：,自然冷却依靠空气的自然对流及辐射。结构简单、无噪声，但散热效率低。风冷强制通风，加强对流的散热方式。为自冷散热效率的2-4倍，噪声大。水冷散热效率极高，为自然散热的150倍。冷却介质有水、变压器油，投资高。,主要有铝板或铝型材料制成（价格低），另外还有铜、镁和钢等材质。,散热器的材质：,几种主要外壳封装的半导体功率器件的RjC值,几种主要外壳封装的半导体功率器件的RCS值。,铝质平板散热器的热阻,注：散热器垂直放置时取下限、水平放置时取上限,铝质平板散热器的热阻,案例:,现有一只S7封装的硅功率半导体器件，查器件手册得知其极限运用温度TJM=150，现根据其工作条件决定工作环境温度TA=70。1、求它在不带散热器时的极限功耗。2、若它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度TJM为125，求它在不带散热器时的极限环境温度。3、若要求它的实际功耗为5.5W，允许的最高器件工作温度为100，允许最高工作环境温度为40。问该器件正常工作时是否需要加装散热器？如果要加装平板散热器，又要求散热器垂直放置，求所需的散热器面积。,解：1、查表得S7封装的器件的热阻RQjC=63/W,也就是说，S7封装的硅功率半导体器件不带散热器在极限运用温度为TQjC=150，工作环境温度Ta=70时的允许功耗不得超过1.27W。,2、若它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度TjM仍为150,则：TA=TjM-PD*RjA=125630.75=77.75,3、若要求它的实际功耗为5.5W，这已经超出了它在不带散热器时的极限功耗，所以器件必须加装散热器。加装了散热器之后，总热阻为管芯到外壳的热阻RjC、外壳到器件表面，即到散热器的热阻Rcs及散热器热阻Rs-a之和,查得S7封装的器件的RjC=4/W，RCs=3/W,把PD=5.5W、RjC=4/W，RCs=3/W代入上式得,查表或图均可得铝平板散热器的面积S=200cm（厚1.5mm）,总结(工艺角度),在安装散热器时还应注意以下几点工艺问题:：1、散热器与器件的接触面应平整，在整个接触面内测量，平面度误差不大于0.1mm。2、在器件与散热器接触面之间最好涂一层硅脂或凡士林，以增加导热性能，减少热阻。3、一般用M3或M4的螺拴将器件紧固在散热器上，相应的紧固扭矩大约是34Nm。扭矩太小会增加热阻，扭矩太大则会使螺拴螺母系统产生非弹性变形，反而减小紧固力，甚至使螺拴螺母系统滑扣而失效。4、散热器经表面电氧化处理后表面呈黑色，可提高散热效果。5、大部分的功率半导体器件的金属外壳同时作为一个电极使用，当器件的金属外壳对应的电极要求对散热器有电绝缘要