大功率TVS器件熱沉設計選型

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功率25KW的產品，該產品具有脈沖功率大、脈沖電流大、體積小等特點。

1 產品參數

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 研制難點分析

通過對產品主要技術指標的分析和研究，該產品研制的最大難點是峰值脈沖功率，為達到25KW峰值脈沖功率引起的連鎖反應。產品峰值脈沖功率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量，用疊片方式，但受限于本產品的正向VF≤1.8V（IF=1A），芯片數量為2只。據資料顯示，國際上如此大功率產品都使用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相差很大。

2.1 瞬態峰值脈沖功率理論分析

瞬態電壓抑制二極管的特點是在規定的反向應用條件下，當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通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預定水平，從而有效地保護電路中的精密元器件免受損壞。根據器件的特點，在設計的時候必須考慮瞬時大能量的吸收問題。

當器件吸收瞬時高能脈沖時，將導致器件結溫升高，PN結上產生的熱量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周圍環境。大家都知道，當結溫超過器件所允許的最高結溫，會造成器件失效，而結溫升高的程度取決于PN結吸收的能量轉化為熱量后，向PN結周圍傳導的速度和PN結及其電極材料的吸熱能力。

在有足夠熱沉的情況下該產品電壓范圍內硅芯片能承受的最大瞬態功率為310W/mm2，則該產品需要的芯片面積約為81mm2，單個芯片很難實現81mm2面積、25KW的瞬態脈沖功率，采用多個芯片串聯疊加的方式可以較好的達到規定的瞬態脈沖功率，因為受限于正向電壓，設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 熱沉和熱匹配設計

當瞬態電壓抑制二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度將兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效的保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

當器件吸收瞬時高能脈沖時，將導致器件結溫升高，結上產生的熱量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周圍環境。

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

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

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

當器件管芯尺寸選定后，如何降低瞬態熱阻，提高器件吸收瞬時高能脈沖的能力，是提高器件瞬態脈沖功率的關鍵。

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

為達到目的，我們選取了一種傳導系數約為320W/m.K，熱膨脹系數約為7.4×10-6/℃的銅/鉬銅/銅（CPC）電極片，該電極片采用“三明治”結構，厚度比為1:4:1，三層材料之間通過銅進行合金保證結合強度，CPC電極片的熱性能有效的解決了產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，因為銅/鉬銅/銅（CPC）電極片的熱傳導效率高，能快速吸收芯片工作時產生的熱量，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熱匹配和熱傳導這兩個問題的協調解決，對保證器件的可靠性、大大提高器件的瞬態脈沖能力將起到至關重要的作用。

3 試驗驗證

3.1 箝位和浪涌測試

為了驗證大面積芯片和銅/鉬銅/銅（CPC）的熱沉設計滿足產品要求，我們進行了50只產品的投料，按工藝文件進行生產，按詳細規范進行反向IPP和正向試驗，試驗后測試電參數VBR和IR，試驗條件如下：

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：2次，時間間隔：1min

3.2 溫度循環試驗

大芯片瞬態電壓抑制二極管（TVS）的另一大關鍵在于芯片與熱沉的熱匹配，這直接關系到的產品的可靠性，為了驗證熱沉設計滿足熱匹配要求，我們按規范要求進行了500次溫度循環試驗，試驗條件：溫度-65℃至150℃，空氣—空氣，次數：500次，高低溫轉換時間不超過1min，試驗后測試電參數VBR和IR，經過試驗，產品電參數VBR和IR皆合格[1]。

3.3 驗證結果

通過相關驗證，該大功率產品的大芯片及熱沉設計滿足可靠性要求，可使用在大面積芯片TVS器件生產上。

4 結語

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瞬態電壓抑制二極管上的成功使用，邁出了堅實的一步，下一步可將其應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的基礎。