本期SiCer小课堂，将为大家介绍基本
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。
图1. TO-220内绝缘的结构示意图
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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。
图2. TO-220F全塑封安装示意图
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。
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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。
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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。
图4. TO-220铁封配合陶瓷垫片的剖面示意图
图5. TO-220内绝缘的剖面示意图
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。
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热导率、热阻计算式及常用导热材料的热导率
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
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。
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总结
基本半导体推出的内绝缘型TO-220封装碳化硅肖特基二极管产品，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。
原作者：基本半导体
