大功率TVS器件热沉设计选型

石仙宏

中电振华永光电子有限公司（国营第八七三厂） 贵州贵阳 550018

本文介绍的是一个瞬态功率25KW的产品，该产品具有脉冲功率大、脉冲电流大、体积小等特点。

1 产品参数

特性型号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 研制难点分析

通过对产品主要技术指标的分析和研究，该产品研制的最大难点是峰值脉冲功率，为达到25KW峰值脉冲功率引起的连锁反应。产品峰值脉冲功率PPR：25kW；最大峰值脉冲电流IP：430A；浪涌电流IFSM：600A，正向VF≤1.8V（IF=1A）；其中最困难的是为达到峰值脉冲功率，则芯片面积需要增大，最常用的方式是增加芯片数量，用叠片方式，但受限于本产品的正向VF≤1.8V（IF=1A），芯片数量为2只。据资料显示，国际上如此大功率产品都使用4-5只芯片叠加，使用铜片作为热沉。但铜与硅的热膨胀系数相差很大。

2.1 瞬态峰值脉冲功率理论分析

瞬态电压抑制二极管的特点是在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电路中的精密元器件免受损坏。根据器件的特点，在设计的时候必须考虑瞬时大能量的吸收问题。

当器件吸收瞬时高能脉冲时，将导致器件结温升高，PN结上产生的热量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周围环境。大家都知道，当结温超过器件所允许的最高结温，会造成器件失效，而结温升高的程度取决于PN结吸收的能量转化为热量后，向PN结周围传导的速度和PN结及其电极材料的吸热能力。

在有足够热沉的情况下该产品电压范围内硅芯片能承受的最大瞬态功率为310W/mm2，则该产品需要的芯片面积约为81mm2，单个芯片很难实现81mm2面积、25KW的瞬态脉冲功率，采用多个芯片串联叠加的方式可以较好的达到规定的瞬态脉冲功率，因为受限于正向电压，设计方案采用两个芯片叠加，芯片之间焊接金属片的途径。故芯片尺寸采用外接圆直径为9mm的正六边形芯片，以最大化利用空间尺寸。

2.2 热沉和热匹配设计

当瞬态电压抑制二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效的保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

当器件吸收瞬时高能脉冲时，将导致器件结温升高，结上产生的热量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周围环境。

瞬态电压抑制二极管在工作时将产生大量的热量，产品封装组件的热容以及散热能力的强弱将直接影响产品的抗瞬态脉冲功率的能力。因此在设计中必须考虑以下三个问题：

①器件产生的热量吸收；②管芯产生的热量是否均匀分布；③器件内部材料之间的热匹配。

器件的散热方式主要为热传导，散热的好坏由热阻的大小决定。因此，要考虑到热量传导途径上的热阻大小—即硅片、焊料和管座。针对瞬态电压抑制二极管的特点，它的脉冲功率是瞬时的，器件工作时管芯瞬间会产生很大的热量，热量必须快速被芯片以外的封装组件所吸收，这是设计时必须着重考虑的。针对这一特点，我们做了如下设计来解决这一问题：

当器件管芯尺寸选定后，如何降低瞬态热阻，提高器件吸收瞬时高能脉冲的能力，是提高器件瞬态脉冲功率的关键。

对于大功率硅瞬态电压抑制二极管，仅靠硅管芯，远远不能满足瞬态电压抑制二极管对瞬时大能量的吸收，为此，必须增加其器件内部结构的热吸收能力，通常使用铜增加热沉，其热传导系数约为380W/m.K，但铜的热膨胀系数约为18×10-6/℃，为硅的6倍左右，铜已不能满足使用。

为达到目的，我们选取了一种传导系数约为320W/m.K，热膨胀系数约为7.4×10-6/℃的铜/钼铜/铜（CPC）电极片，该电极片采用“三明治”结构，厚度比为1:4:1，三层材料之间通过铜进行合金保证结合强度，CPC电极片的热性能有效的解决了产品热沉和热匹配的问题。器件焊接组装时，为了使管芯瞬间产生的热量能够快速被吸收，在芯片两极都焊接铜/钼铜/铜（CPC）电极片，因为铜/钼铜/铜（CPC）电极片的热传导效率高，能快速吸收芯片工作时产生的热量，而且铜/钼铜/铜（CPC）电极片与硅片的热匹配也很好，这样更有利于管芯的热量传导热匹配和热传导这两个问题的协调解决，对保证器件的可靠性、大大提高器件的瞬态脉冲能力将起到至关重要的作用。

3 试验验证

3.1 箝位和浪涌测试

为了验证大面积芯片和铜/钼铜/铜（CPC）的热沉设计满足产品要求，我们进行了50只产品的投料，按工艺文件进行生产，按详细规范进行反向IPP和正向试验，试验后测试电参数VBR和IR，试验条件如下：

箝位测试：IP=430A，tr/tp=10μs/1000μs，50次，每次间隔1min

浪涌测试：IFSM=600 A tp=10 ms，D≤1%，脉冲次数：2次，时间间隔：1min

3.2 温度循环试验

大芯片瞬态电压抑制二极管（TVS）的另一大关键在于芯片与热沉的热匹配，这直接关系到的产品的可靠性，为了验证热沉设计满足热匹配要求，我们按规范要求进行了500次温度循环试验，试验条件：温度-65℃至150℃，空气—空气，次数：500次，高低温转换时间不超过1min，试验后测试电参数VBR和IR，经过试验，产品电参数VBR和IR皆合格[1]。

3.3 验证结果

通过相关验证，该大功率产品的大芯片及热沉设计满足可靠性要求，可使用在大面积芯片TVS器件生产上。

4 结语

目前，TVS器件功率要求越来越大，芯片尺寸也随之增大，该铜/钼铜/铜（CPC）在25KW瞬态电压抑制二极管上的成功使用，迈出了坚实的一步，下一步可将其应用到更多芯片面积更大、功率更高的TVS器件上，不仅保证其热容，也很好的解决了热膨胀的匹配问题，为我们的新品研制打下了坚实的基础。