半导体碳化硅肖特基二极管（Sic SBD）绝缘和导热痛点的详解；

【博主简介】本人“爱在七夕时”，系一名半导体行业质量管理从业者，旨在业余时间不定期的分享半导体行业中的：产品质量、失效分析、可靠性分析和产品基础应用等相关知识。常言：真知不问出处，所分享的内容如有雷同或是不当之处，还请大家海涵。当前在各网络平台上均以此昵称为ID跟大家一起交流学习！

碳化硅肖特基二极管（Silicon Carbide Schottky Diode）是一种高性能半导体器件，具有低开启电压、高速开关、高温性能等优点，广泛应用于电源、驱动、逆变器、电动汽车等领域。它使用的是一种全新的技术，可为硅提供出色的开关性能和更高的可靠性。无反向恢复电流、温度独立的开关特性和出色的热性能，使碳化硅成为下一代功率半导体。系统优势包括极高能效、更快的工作频率、更高的功率密度、更低的 EMI 和更低的系统尺寸和成本。

本期将跟大家分享的是半导体内绝缘型TO-220封装碳化硅肖特基二极管产品。该产品在内部集成一个陶瓷片用于绝缘和导热，可简化生产步骤，提高生产质量和整机的长期可靠性，有效解决产业界痛点问题。内绝缘TO-220封装外形跟普通铁封TO-220产品基本一致，但其背面散热器不再是二极管的阴极，属于悬浮电位。

一、 全塑封及铁封TO-220优缺点对比

产业界使用TO-220F（全塑封）已有较长历史，其优点是全塑封外壳绝缘，在安装时涂上导热硅脂可直接打螺丝，不用垫绝缘布，节省工时。而其缺点也很明显，Rthjc（结-壳热阻）比铁封（TO-220）热阻大，导致电流输出能力仅铁封的30~40%，芯片电流利用率较低。

相对应的，铁封二极管产品的优势在于背板与晶片直接焊接，Rthjc（结-壳热阻）较小，电流输出能力比TO-220F（全塑封）更强；缺点是其金属外壳与阴极相连，在安装时需使用锁螺丝或压条方式固定，还需使用绝缘硅胶布、硅胶垫、硅胶套或者陶瓷垫片材料用于绝缘及导热，安装工艺复杂，工时消耗较大。在设计过程中，需特别注意材料长期应用的可靠性问题：比如绝缘子在高温及温度循环的作用下会出现老化形变的情况，同样硅胶布在高温及温度循环的作用下也会老化。绝缘子被污染物覆盖，表面出现爬电现象，导致电源损坏。

内绝缘TO-220产品的出现提供了一个新的可能，下面具体介绍全塑封、铁封和内绝缘封装的安装工艺。

二、TO-220二极管的安装工艺对比

TO-220二极管主要有螺丝和压条两种工艺路线，以解决绝缘和导热的问题，设计时可综合考虑效率、质量、成本这几个因素选择适合的工艺。

铁封TO-220采用硅胶布或者陶瓷垫片，再配合绝缘子、螺丝安装。该工艺简单，工时少，治具要求低，精度要求低。但是绝缘子和陶瓷片弱点在于质量及可靠性，陶瓷片工艺需要2次涂硅脂。

内绝缘TO-220加螺丝工艺只需在器件背面涂一次硅脂，不使用绝缘子，无耐压风险，绝缘由内部陶瓷片完成，省工时，一次性通过率最高。

全塑封TO-220加螺丝工艺也只需在器件背面涂一次硅脂，不使用绝缘子，无耐压风险。

压条工艺采用硅胶垫、硅胶布或者硅胶套，配合压条使用。压条工艺可省掉涂硅脂环节，爬电的处理比较好，回避了污染问题。但对治具要求高，精度要求高，工时高，热阻大（电流能力损失大），维修时比较麻烦。

由上表内容可以看出，内绝缘TO-220省工时，可靠性高， 安装增加的热阻小。

三、 内绝缘封装三大应用优势

1、简化生产工艺及缩短工时

内绝缘封装把导热与绝缘两个任务都集成到器件内部，简化了生产工艺，省了工时。例如普通TO-220+陶瓷垫片工艺需经过陶瓷垫片背面涂导热硅脂、压散热器、器件背面涂导热硅脂、压陶瓷垫片和螺丝套绝缘子后锁在散热器5个步骤，内绝缘器件安装只需器件背面涂导热硅脂、压散热器和螺丝锁在散热器上3个步骤。

2、提高生产质量和长期可靠性

内绝缘封装有助于提升电源产品生产质量，因为陶瓷片易碎裂，会导致人工成本增加，工时更长，耐压测试易失败，影响生产通过率；由于陶瓷垫片易碎，为保证产品质量，设计时需增加陶瓷垫片厚度，但其厚度会导致热阻上升。内绝缘封装使整机长期可靠性提高，回避了绝缘子造成的可靠性薄弱环节：绝缘子的可靠性较差，长期高温会老化，此外因绝缘子较薄，粉尘污染后有爬电的风险。

3、内绝缘封装热阻优势明显

对比基本半导体三种TO-220封装的（10A晶片）热阻参数，可发现内绝缘封装比全塑封封装热阻更低，铁封封装因需在外部装陶瓷片或硅胶布，最后的系统热阻更高，与内绝缘封装系统热阻差距不明显。

四、热导率、热阻计算式及常用导热材料的热导率

1、热阻的计算式

（d：材料的厚度，单位：m ；λ：材料的热导率，单位：W/m*K ；A：材料的面积，单位：m2）。

表1.常用导热材料的热导率

材料	热导率λ（W/m∙K）
铜	395
普通导热硅胶垫	2.5
3M导热硅胶垫	6
普通导热硅脂(75元/kg)	1.5
高级导热硅脂(620元/kg)	6
Al2O3 导热陶瓷	24-29
AlN 导热陶瓷	190-260

根据热阻计算公式，可以估算出陶瓷垫片及导热硅脂的热阻（不精确）1）陶瓷垫片的热阻：厚度假设为1mm，λ=24W/m*K，尺寸=15mm*10mm（TO-220背板尺寸）：

2、导热硅脂的热阻

厚度假设为10um，λ=1.5W/m*K，尺寸=15mm*10mm（TO-220背板尺寸）：

使用不同材料的垫片都会或多或少增加热阻，TO-220内绝缘封装无需垫片，减少了不必要热阻的增加。

总结一下

总之，碳化硅肖特基二极管是一种高性能半导体器件，而行业中推出的内绝缘型TO-220封装碳化硅肖特基二极管产品，更是从优化安装工艺、提升产品质量、减少热阻等方面很好地解决了绝缘和导热痛点，将在未来的高效能电子器件中扮演重要角色，为人类创造更加美好的生活。

免责声明

【我们尊重原创，也注重分享。文中的文字、图片版权归原作者所有，转载目的在于分享更多信息，不代表本号立场，如有侵犯您的权益请及时私信联系，我们将第一时间跟踪核实并作处理，谢谢！】

审核编辑 黄宇