一、引言

陶瓷墊片 是一種高導熱性能的材料，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 板緊密結合后，密封性能極佳，能達到防塵、防水、導熱、絕緣的理想效果，并能適應高溫、高壓、多塵的惡劣工作環境，提高設備運行的安全性和穩定性。文中分析了陶瓷墊片的性能點，并對它在 電源 產品應用中的安規、工藝、結構等設計進行了探討，最后給出了它在電子負載（模塊電源高溫老化專用負載）上的應用。

二、陶瓷墊片的性能特點

陶瓷墊片有以下特點：

⑴陶瓷墊片導熱系數（20℃）高達20 W/(m-K)~30W/(m-K)，遠比普通導熱墊片的導熱系數高，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用。而目前導熱墊片的導熱系數大都在2.0 W/(m-K)以下，導熱系數較高的貝格斯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℃，能適應高溫、高壓、高磨損、強腐蝕的惡劣工作環境，滿足電源產品在各種場合的應用要求；

⑶使用壽命較長?？梢詼p少設備的維修次數，提高設備運行的安全性和穩定性；

⑷符合歐盟RoHS環保標準。

三：散熱路徑

普通導熱墊片是由軟介質的材料組成，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，甚至無法發揮作用。因此，在采用陶瓷墊片做導熱材料時，還需要在其兩個表面涂加導熱硅脂，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，功率器件到環境溫度的熱阻主要由導熱硅脂熱阻、陶瓷墊片熱阻、導熱硅脂熱阻、散熱器熱阻組成。其散熱路徑分為兩部分：

⑴功率器件（熱源）→導熱硅脂→陶瓷墊片→導熱硅脂→散熱器（熱傳遞以傳導為主）；

⑵散熱器→環境空氣（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用條件有關，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

四：安裝工藝及安規、散熱設計

4.1、散熱器選型的注意事項

陶瓷墊片與導熱墊片比較有以下缺陷（散熱器選型時需注意的地方）：陶瓷墊片的材質堅硬，但較脆，抗彎曲變形能力較差，在散熱器表面平整度非常差的情況下，安裝時易碎裂。所以在使用陶瓷墊片做導熱元件時，一定要求廠家控制散熱器的表面平整度，使該指標控制在允許的范圍之內。

4.2、工藝裝配方式（以功率MOS管為例進行分析）

陶瓷墊片和功率MOS管、散熱器在安裝過程中，涉及到工藝和安規問題，下面將一一介紹。

4.2.1鏍釘固定方式

安裝功率MOS管后，因鏍釘與功率MOS管金屬部分的爬電距離受限，所以鏍釘固定方式只能用于功能絕緣的場合（散熱器不接外殼大地），不能用于加強絕緣的場合（外殼作散熱器，安規距離要求較大），否則安規不能滿足設計要求。

⑴采用鏍釘固定TO-247封裝的功率MOS管

TO-247封裝的功率MOS管只有背面散熱部分才有金屬，其它部分都為塑料，所以在固定該功率MOS管時，不要做特殊處理，將陶瓷墊片（兩面需涂導熱硅脂）夾在功率MOS管和散熱器之間，直接用鏍釘固定即可滿足功能絕緣的要求，如圖2（a）、（b）所示，功率MOS管金屬部分與鏍釘的爬電距離為1.3 mm ~1.5mm（由廠商的功率MOS管形狀決定）。

(a) (b)

圖2 (a)TO-247封裝的功率MOS管背面圖；(b) 鏍釘固定TO-247封裝的功率MOS管。

⑵采用鏍釘固定TO-220封裝的功率 MOS 管

在固定TO-220封裝的功率MOS管時，需在鏍釘上增加一個塑料墊（如圖3所示），防止功率MOS管金屬部分通過鏍釘與散熱器接觸，造成短路。增加塑料墊后，功率MOS管金屬部分與鏍釘的爬電距離≥1mm。

陶瓷墊片 同樣需要兩面涂導熱硅脂，減小其接觸熱阻。

圖3 鏍釘固定TO-220封裝功率MOS管

4.2.2壓條固定方式

采用壓條固定功率MOS管時，主要用于對安規要求較高的場合。它有兩種固定方式：橫壓和豎壓。圖4（a）給出采用豎壓方式固定功率MOS管（TO-220或TO-247封裝）的示意圖，圖4（b）給出采用橫壓方式固定功率MOS管（TO-220或TO-247封裝）的示意圖。

(a) (b)

圖4 (a)采用豎壓方式固定功率MOS管示意圖；(b) 采用橫壓方式固定功率MOS管示意圖。

工藝設計要注意以下3點：①采用壓條固定功率MOS管時，要選擇不開鏍釘孔的陶瓷墊片，否則會大大減小功率MOS管到散熱器的爬電距離；②陶瓷墊片的尺寸必須滿足功率MOS管到散熱器的爬電距離要求；③由于壓條通過鏍釘直接與散熱器連接，所以壓條必須加裝絕緣套管，增加功率MOS管到散熱器的爬電距離。

4.3、熱設計和結構設計注意事項

常用的陶瓷墊片類型有單片、雙片等。雙陶瓷墊片主要用于兩個功率MOS 管并聯安裝使用。圖5給出了雙陶瓷墊片在 PCB 和結構設計上的各個參數及其尺寸大小（以TO-247封裝功率MOS管為例）。

⑴雙陶瓷墊片兩個開孔的距離是固定的，因此在PCB 設計時要保持兩個MOS 管的中心距離為19mm；結構設計時，散熱器上兩個MOS 管的開孔距離為19mm。

⑵如果兩個功率MOS 管功耗較大，且散熱器安裝在PCB 底部，MOS管的邊緣距離散熱器的邊緣不可太近，具體要根據熱仿真分析的結果來定該尺寸的大小，否則散熱效果會大大打折扣。

圖5 雙陶瓷墊片在PCB 和結構設計上的各個參數及其尺寸大小

五：陶瓷墊片在電子負載中的應用

某電子負載（模塊 電源 高溫老化專用負載）共有16路，每路工作電流為10A（每路用一個功率MOS管做電子負載），每個功率MOS管的功耗高達32W，必須采取有效的散熱措施來確保功率MOS管安全可靠地工作。因整個系統的功耗非常大，所以采用了4個150mmx120mm大型鋁散熱器（廠家無法加工一個長型鋁散熱器，所以用4個鋁散熱器替代），散熱器位于PCB底部。功率MOS管選用IRFP150P（TO-247封裝），將其臥倒安裝在底殼散熱器上，其導熱材料選取了高導熱性能的陶瓷墊片（普通導熱墊片無法滿足設計要求）。因產品無需做加強絕緣處理（內部電路對外殼電壓差為10V~65V），故采取了鏍釘方式固定功率MOS管，滿足功能絕緣即可。

表1給出了該電子負載在常溫25℃、風冷條件下的工作溫度。從表1中的數據得出：功率MOS管的工作溫度在45.3℃~66.3℃之間。該電子負載要求在高溫65℃的條件下工作，則要再加上40℃的溫升，可得出功率MOS管的工作溫度在85.3℃~100.3℃之間，所有功率MOS管（其最高工作溫度為160℃）的溫升都在允許范圍內。說明陶瓷墊片的導熱性能非常優異，能滿足 大功率 電源產品的散熱要求。

表1 電子負載在常溫25℃、風冷條件下的工作溫度

六：結語

采用陶瓷墊片作功率器件和散熱器之間的導熱材料，具有導熱效率高、耐高溫/耐高壓、受熱均勻、散熱快、結構簡單緊湊，在大功率電源產品中具有廣泛的應用前景。本文分析了陶瓷墊片的性能特點，并對它在電源產品應用中的安規、工藝、結構等設計進行了探討，最后給出了在電子負載（模塊電源高溫老化專用負載）上的應用結果。