Cuando se utilizan semiconductores de potencia, normalmente es necesario aislar eléctricamente el dispositivo del disipador de calor. El disipador es también el chasis del equipo. Las tres razones principales para esto son: a) Seguridad. b) el deseo de reducir la interferencia electromagnética reduciendo la capacitancia parásita entre tierras; c) Deseo de disipar muchos dispositivos en el mismo marco de disipador.
Los principales inconvenientes incluyen una mayor resistencia térmica, un ensamblaje complejo y pruebas difíciles de voltaje de aislamiento para cumplir con varios estándares de seguridad globales. La práctica habitual es intercalar un material aislante entre el dispositivo semiconductor y el disipador térmico, pero esto siempre aumenta la resistencia térmica R(th)cs desde la carcasa hasta el disipador térmico.
Ahora IXYS presenta una nueva familia de semiconductores de potencia aislados internamente con TO-247. TO-220 y descripción general del paquete i4.
Como se describe a continuación, estos nuevos paquetes de aislamiento, ISOPLUS220TM, ISOPLUS247TM e ISOPLUS i4TM, no solo ofrecen una clasificación de voltaje de aislamiento de 2500 V (RMS), sino también resistencia térmica de unión a disipador de calor, capacitancia de unión a caja y mejor ciclos de potencia en comparación con los dispositivos de aislamiento tradicionales.
Cabe señalar que el paquete ISOPLUSTM ya cuenta con el reconocimiento de UL y se han anunciado otros dos paquetes de la misma construcción para certificación.
Método de separación estándar
Un método de montaje estándar para aislar dispositivos discretos es colocar una interfaz térmicamente conductora aislada eléctricamente entre una placa base de cobre y un disipador de calor. Hay tres criterios principales para evaluar el éxito de los disipadores de calor de semiconductores de potencia.
- El primero es su baja resistencia térmica. El aislador debe tener alta conductividad térmica y rigidez dieléctrica para que se puedan usar capas delgadas. Las capas entre el chip y el disipador de calor deben ser la menor cantidad posible.
- El segundo es la robustez mecánica del aislador y el procedimiento de instalación no compromete la ruptura dieléctrica.
- Un tercer criterio se refiere a la fiabilidad. Siempre es ventajoso que los dispositivos de potencia funcionen con temperaturas de unión bajas. Además, para mejorar la capacidad de ciclo de energía o la fatiga térmica, suelde el chip de silicio a un material con un coeficiente de expansión térmica equivalente para evitar la tensión mecánica en las uniones de soldadura blanda durante el calentamiento y enfriamiento del chip de silicio.
Por ejemplo, la lámina de Kapton tiene una baja resistencia térmica, pero es más probable que las partículas de polvo o las rebabas en los paquetes de semiconductores o los disipadores de calor la perforen. Las arandelas de cerámica combinan una alta rigidez dieléctrica con una buena conductividad térmica, lo que las convierte en una mejor opción para manejar altos voltajes de aislamiento. Sin embargo, son frágiles, difíciles de mantener en su lugar durante el ensamblaje y requieren grasa térmica para llenar los vacíos entre las capas interfaciales. La distancia de deslizamiento adecuada entre las lengüetas de montaje del dispositivo y los tornillos se complica aún más cuando se utilizan tornillos para asegurar el paquete de semiconductores y el material de interfaz al disipador de calor.