Влияние конфигурации свинца на рассеивание тепла и надежность диода мощности

Введение

Силовые диоды повсеместно используются в современной электронике, служа основой для выпрямления, свободного и зажима напряжения в цепях, начиная от промышленных приводов двигателей и заканчивая источниками питания потребителей. В то время как их электрические характеристики - переходящее напряжение, время обратного восстановления и блокирующее напряжение - часто доминируют в обсуждениях конструкции, механическая конфигурация их выводов оказывает глубокое влияние на тепловые характеристики и долгосрочную надежность. Плохо спроектированная компоновка свинца может свести на нет преимущества в противном случае надежного кремниевого кристалла, превращая высококачественный диод в преждевременную точку отказа. Эта статья рассматривает, как осевые, радиальные и многослойные конфигурации изменяют пути рассеивания тепла, вводит физику теплового сопротивления в свинцовых соединениях и обеспечивает действенные руководящие принципы для оптимизации конструкции свинца для достижения максимального срока службы устройства.

Важность этой темы возросла с увеличением плотности мощности преобразователей. По мере увеличения частоты переключения и сокращения упаковки управление теплом становится основным ограничением производительности. Понимание роли конфигурации свинца позволяет инженерам делать осознанный выбор как при выборе компонентов, так и при компоновке платы, в конечном итоге предотвращая горячие точки, усталость от теплового цикла и деградацию припоя.

Основы энергетического диодного теплового поведения

Выработка тепла в силовом диоде происходит из двух основных источников: потери проводимости (I2R) во время прямой проводимости и потери переключения во время включения и выключения переходов. Температура кремниевой матрицы, часто обозначаемая T_j (температура соединения), является критическим параметром, который определяет запас прочности устройства. Превышение максимального номинального T_j — обычно от 150 °C до 175 °C для стандартных диодов и до 200 °C для специализированных высокотемпературных деталей — триггеры ускоренного отказа механизмов, таких как миграция допанта, отрыв провода связи и растрескивание упаковки.

Теплостойкость (R_θ) количественно определяет легкость, с которой тепло течет от соединения к окружающей среде. Обычно она указывается как значение перехода к корпусу (R_]θJC и перехода к амбиенту (R_]θJA) в таблице данных. В то время как R_θJC зависит в первую очередь от внутреннего материала маточной привязки и подложки упаковки (например, медного свинцового каркаса), R_{θJAθJA в значительной степени зависит от внешних факторов, таких как конфигурация свинца, площадь меди ПХД и воздушный поток. Лиды выступают в качестве первичных каналов для выхода тепла из упаковки; любое импеданс на этом пути — будь то ограниченное поперечное сечение, плохой контакт припоя или}

Конфигурации лидов: сравнительный анализ

Осевой свинец

Осевые свинцовые конфигурации являются одними из самых старых и наиболее широко используемых. Две линии ведут от противоположных концов корпуса диода по прямой линии. Эта геометрия позволяет устройству быть смонтированным «сквозным отверстием» способом, с помощью которых провода согнуты вниз для вставки в ПХБ. С тепловой точки зрения, осевые провода обеспечивают прямой путь с низкой индуктивностью для потока тепла от кремниевой матрицы через свинцовую раму к внешним медным колодкам. Поскольку оба конца симметричны, тепло может быть проведено одинаково через анод и катодные терминалы. Эта симметрия упрощает тепловое моделирование и часто дает более низкий эффективный R_θJA по сравнению с некоторыми одноконцевыми альтернативами.

Однако осевые свинцовые диоды имеют ограничения. Лиды обычно изготавливаются из одетой в медь стали или сплава 42 (никель-железо) для прочности, но эти материалы имеют более высокое тепловое сопротивление, чем чистая медь. Кроме того, изгиб, необходимый для введения ПХБ, может вводить усилители напряжения и уменьшать эффективную площадь поперечного сечения в точке изгиба. Для высокоточных применений дизайнеры иногда указывают осевые провода «оловянной меди» для улучшения проводимости, но диаметр остается ограниченным корпусом из стекла или пластика.

Радиальные лидеры

Радиальные свинцовые конфигурации имеют оба вывода, выходящие с одной и той же стороны корпуса диода, часто разнесенные друг на друга, чтобы позволить монтироваться на ПХБ без изгиба. Это расположение распространено в меньших сигнальных диодах и некоторых выпрямителях малой мощности. Компактная компоновка позволяет более плотную плотность платы, но тепловой путь теперь асимметричен. Один свинец (обычно катод) может нести большую часть тепла, в то время как другой свинец служит в основном электрическим соединением. Если медная подушка ПХБ не щедра, эффективная площадь распространения тепла уменьшается. Радиальные свинцы также более склонны к механическому резонансу в высоковибрационных средах, что может привести к усталости припоя с течением времени.

Для компенсации инженеры часто дополняют конструкции радиальных свинцовых элементов внешними теплоотводами, прикрепленными к корпусу диода, или используют устройства с радиальным слоем «сквозного отверстия», которые позволяют спаивать свинцы непосредственно на большую медную плоскость. Тем не менее, для приложений, требующих температуры соединения выше 125 ° C, радиальные конфигурации, как правило, менее эффективны, чем осевые типы, если их не тщательно спроектировать.

Несколько лидов и пользовательских конфигураций

Некоторые силовые диоды, особенно в TO-220, TO-247 или аналогичных упаковках, оснащены третьим свинцом или встроенной монтажной вкладкой, которая служит выделенным тепловым путем. Концепция «множественного свинца» распространяется на устройства с отдельными кельвиновскими чувствительными выводами для улучшения восприятия тока или с вспомогательными коллекторными выводами, которые обеспечивают прямой путь с низкой термической устойчивостью к теплоотводу. В этих упаковках свинцовая рама часто представляет собой медный сплав, который непосредственно связан с керамической или металлической пластиной. Термическое сопротивление от перехода к корпусу может опускаться ниже 1 ° C / W, резко улучшая управление теплом.

Пользовательские конфигурации свинца, такие как конструкции поверхностного крепления «крыло чайки» (например, DPAK, D2PAK), объединяют преимущества осевых тепловых путей с сборкой поверхностного монтажа. Широкие плоские провода припаиваются непосредственно к большим медным подушкам на печатной плате, эффективно используя внутренние медные плоскости платы в качестве распределителя тепла. Для очень высоких уровней мощности (сотни ампер), пресс-подгонки или пайки шпильных пакетов (например, DO-8, DO-9) используют тяжелые резьбовые провода, которые подключаются к шинным решеткам, полностью минуя печатную плату. Выбор зависит от ограничений сборки, стоимости и требуемых тепловых характеристик.

Тепловые пути и механизмы теплопередачи

Тепло, генерируемое в кремниевой матрице, проходит через несколько слоев, чтобы достичь выводов: саму матрицу, припой или эпоксидную припой, медную свинцовую раму и, наконец, припой свинца к борту. Каждый интерфейс вносит тепловое сопротивление. Геометрия свинца - длина, площадь поперечного сечения и материал - доминирует в пути проводимости свинца. Согласно закону Фурье, теплопроводность пропорциональна площади поперечного сечения и обратно пропорциональна длине. Таким образом, короткий, толстый медный свинец намного эффективнее, чем длинный тонкий сплав 42 свинца.

Помимо простой проводимости, конвекция и излучение играют роли, как только тепло выходит из проводов в окружающую среду. Конфигурация свинца влияет на площадь поверхности, доступную для естественной конвекции. Осевые провода, при установке горизонтально над ПХД, могут рассеивать тепло с обеих сторон. Радиальные провода, установленные вертикально или с плотным расстоянием, могут блокировать воздушный поток. Конструкторы могут улучшить конвекцию, обеспечивая адекватный зазор между корпусом диода и смежными компонентами. В системах с принудительным воздухом ориентация проводов относительно направления воздушного потока становится критической.

Радиация обычно вносит лишь небольшую долю от общего теплообмена при температурах ниже 100 °C, но ее нельзя игнорировать в закрытых высокотемпературных средах. Темные эпоксидные упаковки излучают более эффективно, чем отражающие металлические банки. Для высоконадежных применений некоторые производители применяют конформные покрытия, повышающие излучательную способность.

Выбор материала для свинцов

Медь (теплопроводность ≈ 390 Вт/м·К) идеально подходит для теплопередачи, но чистая медь мягкая и склонна ползти под тепловым циклом. Медная сталь (CCS) и медно-одетый алюминий (CCA) сплавы балансируют стоимость, прочность и проводимость. Сплав 42 (≈ 10 Вт/м·К) иногда используется для пакетов, запечатанных стеклом, где для предотвращения растрескивания стекла необходим соответствующий коэффициент теплового расширения (CTE), но его плохие тепловые характеристики заставляют дизайнеров полагаться на вторичные распредители тепла. Когда требуется максимальная надежность - например, в аэрокосмической или автомобильной промышленности подлесок - медные свинцы с никельной обшивкой являются предпочтительным выбором, даже если они требуют специальной обработки из-за жесткости.

Последствия надежности термоуправления

Термический велоспорт и солдерная усталость суставов

Каждый цикл питания заставляет диод нагреваться и охлаждаться, производя расширение и сокращение как кремниевой матрицы, так и свинцовой рамы. Получающееся механическое напряжение концентрируется в припоях (дие-атташе и уровне платы). Со временем это напряжение инициирует трещины, которые распространяются до выхода из строя соединения. Конфигурация свинца непосредственно влияет на величину этого напряжения. Осевые приводы, поскольку они могут слегка сгибаться, поглощать некоторое несоответствие CTE между ПХД и компонентом, уменьшая нагрузку на филе припоя. Напротив, жесткие многослойные пакеты, такие как TO-247, переносят больше напряжения на припой, особенно если монтажная вкладка плотно прикреплена к теплоотводу. Добавление смягчающих напряжений изгибов в выводах или использование совместимых припоевых сплавов (например, SnAgCu с высоким содержанием серебра) может смягчить усталость.

Тепловой бегство является окончательным режимом отказа, когда рассеивание тепла недостаточно. По мере повышения температуры перехода увеличивается ток утечки, что создает больше тепла, что дополнительно повышает температуру в петле положительной обратной связи. Конфигурации свинца, которые не удерживают T_j ниже номинального максимума - особенно при перегрузке или условиях неисправности - могут вызвать бегство в микросекундах. Правильная конструкция свинца гарантирует, что тепловое сопротивление окружающей среде остается достаточно низким, чтобы разорвать этот цикл.

Тепло распространяется и горячие пятна

Неровная геометрия свинца может создавать локализованные горячие точки на кристалле. Например, диод с одним тонким свинцом и одним толстым свинцом будет проводить тепло преимущественно через толстый свинец, вызывая температурный градиент по кристаллу. Этот градиент вызывает механическое напряжение, которое может растрескивать кремний или деградировать слой кристаллической привязки. Моделирование конечных элементов показывает, что для данного размера кристалла симметричная конфигурация с двойным свинцом (осевой) приводит к более равномерной температуре соединения, чем одноконцовная (радиальная) конфигурация. При использовании многоканальных (радиальных) упаковок конструкторы должны обеспечить, чтобы каждый свинец видел аналогичное тепловое сопротивление к теплоотводу или плоскости ПХБ.

Стратегии оптимизации дизайна

Ведущий обрезка и контроль длины

Избыточная длина свинца после пайки увеличивает тепловое сопротивление и добавляет индуктивность. Общее правило заключается в том, чтобы держать длину свинца от корпуса диода до точки припоя как можно короче, в идеале менее 3 мм. Для осевых диодов сквозного отверстия изгибание выводов близко к корпусу и вырезка любого избытка уменьшает тепловой путь. Поверхностные силовые диоды (например, DPAK) по своей природе имеют более короткую длину свинца и часто превосходят эквиваленты сквозного отверстия в термическом сопротивлении, несмотря на их меньший объем упаковки.

Теплопотрясающая интеграция

Для осевых и многослойных конфигураций прикрепление внешнего теплоотвода непосредственно к корпусу диода или выводов может значительно улучшить R_θJA. Клиповые теплоотводы доступны для упаковок TO-220 и TO-247; для осевых диодов отводы могут быть припаяны к медному ремню или шине, которая действует как теплоотвод. При использовании нагревателя на основе ПХБ медная прокладка должна быть по меньшей мере такой же широкой, как свинец, и соединена с внутренними наземными плоскостями с несколькими сквозняками. Тепловые сквозные отверстия (покрытые сквозные отверстия, заполненные припоем или термической пастой) уменьшают падение температуры по всей доске.

Замена материалов

Когда стандартный свинцовый материал (например, сплав 42) задан ограничениями упаковки, конструкторы могут компенсировать, используя плоскость меди ПХБ более агрессивно. Например, большая медная наливка, соединенная со свинцом сплава 42 через короткий след, может действовать как эффективный распредитель тепла. Альтернативно, выбор диода с медным свинцовым каркасом (даже если провода обрезаны коротким) часто дает 20-30-процентное снижение общего теплового сопротивления по сравнению с свинцовым каркасом на основе железа.

Отраслевые стандарты и испытания

Проектная валидация эффектов конфигурации свинца основана на стандартизированных измерениях теплового сопротивления. Стандарты JEDEC JESD51-1 через JESD51-12 определяют методы измерения R_θJA и R_θJC для поверхностного монтажа и сквозных отверстий. Метод MIL-STD-750 3101 (термическое сопротивление, сцепление с казисом) обеспечивает подробную процедуру для испытания диода мощности с использованием электрических методов (V_F в качестве температурочувствительного параметра.

Испытание на надежность часто включает в себя термический цикл (например, от −40 °C до +150 °C, 1000 циклов) и силовой цикл (например, 30 с включенным / 30 с выключенным при мониторинге V _F ). Хорошо спроектированная конфигурация свинца должна показывать менее 5%-го сдвига V _F после теплового цикла, тогда как плохая конструкция может демонстрировать 20%-й сдвиг или прямой отказ. Другим важным испытанием является выносливость припоя, оцениваемая путем измерения прочности сдвига свинца к борту после ускоренного старения.

Примеры реальных приложений

В автономном источнике питания мощностью 1 кВт диоды выпрямителя моста часто представляют собой осевой свинец (например, 1N5408). Замена стандартного сплава-42 свинца вариантом с медным свинцом (например, Vishay 1N5408GP) понизила температуру корпуса на 8 °C в контролируемом эксперименте, позволяя тем же диодам обрабатывать на 10% более высокий выходной ток, не превышая предел перехода 125 °C.

В системах автомобильного электроусилителя руля (EPS) в приводе двигателя используются диоды TO-220. Инженеры автомобильного поставщика уровня-1 обнаружили, что укорочение выводов всего на 2 мм (путем перемещения ПХБ ближе к теплоотводу) снизило температуру перехода на 12 °C в условиях пикового тока, устранив полевые сбои, вызванные усталостью припоя. В примечании к заявлению от ON Semiconductor (AN-1234) обсуждается аналогичная оптимизация для осевых диодов в телекоммуникационных выпрямителях.

Для высоконадежных аэрокосмических преобразователей мощности конструкторы часто определяют беспроводные или Lcc-пакеты для диодов, чтобы минимизировать пути теплового напряжения. Однако, когда требуются свинцовые диоды, строгое соблюдение радиуса изгиба свинца и спецификаций материала (например, в соответствии с STD-8739.4) НАСА обеспечивает постоянный тепловой поток.

Заключение

Конфигурация силовых диодных приводов намного больше, чем упаковочная запоздалая мысль - она непосредственно регулирует тепловое сопротивление, которое определяет температуру перехода и, следовательно, надежность устройства. Осевые приводы предлагают превосходные симметричные тепловые пути, в то время как радиальные приводы торгуют тепловыми характеристиками для компактности. Многослойные пакеты, особенно те, у которых есть выделенные тепловые вкладки, могут достигать очень низких R_θJC при правильном монтаже. Выбор материала (медь против сплава 42), длина свинца и площадь меди ПХБ являются основными рычагами, доступными для дизайнера. Моделируя тепловой путь и применяя руководящие принципы, изложенные выше, инженеры могут обеспечить, чтобы их силовые диоды работали безопасно в течение десятилетий обслуживания, даже при требовательных условиях теплового цикла. Для дальнейшего чтения обратитесь к Примечание к применению AN-1005 по тепловым характеристикам осевых свинцовых диодов, [[