大功率TVS器件熱沉設(shè)計選型

石仙宏

中電振華永光電子有限公司（國營第八七三廠） 貴州貴陽 550018

本文介紹的是一個瞬態(tài)功率25KW的產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有脈沖功率大、脈沖電流大、體積小等特點(diǎn)。

1 產(chǎn)品參數(shù)

特性型號PPR a TA=25℃kW PR b TA=25℃W IP tp=1ms，tr=10μs A IZM mA IFSM A Tstg℃Tjm℃25KPXX 25 10 430 275 600 -65～150 150

2 研制難點(diǎn)分析

通過對產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)的分析和研究，該產(chǎn)品研制的最大難點(diǎn)是峰值脈沖功率，為達(dá)到25KW峰值脈沖功率引起的連鎖反應(yīng)。產(chǎn)品峰值脈沖功率PPR：25kW；最大峰值脈沖電流IP：430A；浪涌電流IFSM：600A，正向VF≤1.8V（IF=1A）；其中最困難的是為達(dá)到峰值脈沖功率，則芯片面積需要增大，最常用的方式是增加芯片數(shù)量，用疊片方式，但受限于本產(chǎn)品的正向VF≤1.8V（IF=1A），芯片數(shù)量為2只。據(jù)資料顯示，國際上如此大功率產(chǎn)品都使用4-5只芯片疊加，使用銅片作為熱沉。但銅與硅的熱膨脹系數(shù)相差很大。

2.1 瞬態(tài)峰值脈沖功率理論分析

瞬態(tài)電壓抑制二極管的特點(diǎn)是在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電路中的精密元器件免受損壞。根據(jù)器件的特點(diǎn)，在設(shè)計的時候必須考慮瞬時大能量的吸收問題。

當(dāng)器件吸收瞬時高能脈沖時，將導(dǎo)致器件結(jié)溫升高，PN結(jié)上產(chǎn)生的熱量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周圍環(huán)境。大家都知道，當(dāng)結(jié)溫超過器件所允許的最高結(jié)溫，會造成器件失效，而結(jié)溫升高的程度取決于PN結(jié)吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱量后，向PN結(jié)周圍傳導(dǎo)的速度和PN結(jié)及其電極材料的吸熱能力。

在有足夠熱沉的情況下該產(chǎn)品電壓范圍內(nèi)硅芯片能承受的最大瞬態(tài)功率為310W/mm2，則該產(chǎn)品需要的芯片面積約為81mm2，單個芯片很難實(shí)現(xiàn)81mm2面積、25KW的瞬態(tài)脈沖功率，采用多個芯片串聯(lián)疊加的方式可以較好的達(dá)到規(guī)定的瞬態(tài)脈沖功率，因?yàn)槭芟抻谡螂妷海O(shè)計方案采用兩個芯片疊加，芯片之間焊接金屬片的途徑。故芯片尺寸采用外接圓直徑為9mm的正六邊形芯片，以最大化利用空間尺寸。

2.2 熱沉和熱匹配設(shè)計

當(dāng)瞬態(tài)電壓抑制二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負(fù)12次方秒量級的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效的保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

當(dāng)器件吸收瞬時高能脈沖時，將導(dǎo)致器件結(jié)溫升高，結(jié)上產(chǎn)生的熱量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周圍環(huán)境。

瞬態(tài)電壓抑制二極管在工作時將產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)品封裝組件的熱容以及散熱能力的強(qiáng)弱將直接影響產(chǎn)品的抗瞬態(tài)脈沖功率的能力。因此在設(shè)計中必須考慮以下三個問題：

①器件產(chǎn)生的熱量吸收；②管芯產(chǎn)生的熱量是否均勻分布；③器件內(nèi)部材料之間的熱匹配。

器件的散熱方式主要為熱傳導(dǎo)，散熱的好壞由熱阻的大小決定。因此，要考慮到熱量傳導(dǎo)途徑上的熱阻大小—即硅片、焊料和管座。針對瞬態(tài)電壓抑制二極管的特點(diǎn)，它的脈沖功率是瞬時的，器件工作時管芯瞬間會產(chǎn)生很大的熱量，熱量必須快速被芯片以外的封裝組件所吸收，這是設(shè)計時必須著重考慮的。針對這一特點(diǎn)，我們做了如下設(shè)計來解決這一問題：

當(dāng)器件管芯尺寸選定后，如何降低瞬態(tài)熱阻，提高器件吸收瞬時高能脈沖的能力，是提高器件瞬態(tài)脈沖功率的關(guān)鍵。

對于大功率硅瞬態(tài)電壓抑制二極管，僅靠硅管芯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足瞬態(tài)電壓抑制二極管對瞬時大能量的吸收，為此，必須增加其器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱吸收能力，通常使用銅增加熱沉，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為380W/m.K，但銅的熱膨脹系數(shù)約為18×10-6/℃，為硅的6倍左右，銅已不能滿足使用。

為達(dá)到目的，我們選取了一種傳導(dǎo)系數(shù)約為320W/m.K，熱膨脹系數(shù)約為7.4×10-6/℃的銅/鉬銅/銅（CPC）電極片，該電極片采用“三明治”結(jié)構(gòu)，厚度比為1:4:1，三層材料之間通過銅進(jìn)行合金保證結(jié)合強(qiáng)度，CPC電極片的熱性能有效的解決了產(chǎn)品熱沉和熱匹配的問題。器件焊接組裝時，為了使管芯瞬間產(chǎn)生的熱量能夠快速被吸收，在芯片兩極都焊接銅/鉬銅/銅（CPC）電極片，因?yàn)殂~/鉬銅/銅（CPC）電極片的熱傳導(dǎo)效率高，能快速吸收芯片工作時產(chǎn)生的熱量，而且銅/鉬銅/銅（CPC）電極片與硅片的熱匹配也很好，這樣更有利于管芯的熱量傳導(dǎo)熱匹配和熱傳導(dǎo)這兩個問題的協(xié)調(diào)解決，對保證器件的可靠性、大大提高器件的瞬態(tài)脈沖能力將起到至關(guān)重要的作用。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 箝位和浪涌測試

為了驗(yàn)證大面積芯片和銅/鉬銅/銅（CPC）的熱沉設(shè)計滿足產(chǎn)品要求，我們進(jìn)行了50只產(chǎn)品的投料，按工藝文件進(jìn)行生產(chǎn)，按詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行反向IPP和正向試驗(yàn)，試驗(yàn)后測試電參數(shù)VBR和IR，試驗(yàn)條件如下：

箝位測試：IP=430A，tr/tp=10μs/1000μs，50次，每次間隔1min

浪涌測試：IFSM=600 A tp=10 ms，D≤1%，脈沖次數(shù)：2次，時間間隔：1min

3.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)

大芯片瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）的另一大關(guān)鍵在于芯片與熱沉的熱匹配，這直接關(guān)系到的產(chǎn)品的可靠性，為了驗(yàn)證熱沉設(shè)計滿足熱匹配要求，我們按規(guī)范要求進(jìn)行了500次溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：溫度-65℃至150℃，空氣—空氣，次數(shù)：500次，高低溫轉(zhuǎn)換時間不超過1min，試驗(yàn)后測試電參數(shù)VBR和IR，經(jīng)過試驗(yàn)，產(chǎn)品電參數(shù)VBR和IR皆合格[1]。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

通過相關(guān)驗(yàn)證，該大功率產(chǎn)品的大芯片及熱沉設(shè)計滿足可靠性要求，可使用在大面積芯片TVS器件生產(chǎn)上。

4 結(jié)語

目前，TVS器件功率要求越來越大，芯片尺寸也隨之增大，該銅/鉬銅/銅（CPC）在25KW瞬態(tài)電壓抑制二極管上的成功使用，邁出了堅實(shí)的一步，下一步可將其應(yīng)用到更多芯片面積更大、功率更高的TVS器件上，不僅保證其熱容，也很好的解決了熱膨脹的匹配問題，為我們的新品研制打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。