用TO-220 FULLPAK代替标准TO-220封装时的设计考虑
2010-12-18 11:49:31
来源：《半导体器件应用》2009年1-2月刊
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1 前言
最近，TO-220 FULLPAK功率器件封装在成本上已接近标准TO-220封装，使得对许多应用而言，从标准TO-220转换到TO-220 FULLPAK成为一个具有吸引力的选择。使用TO-220 FULLPAK可以简化装配和降低因装配质量引起的事故风险。不过，当从一种封装外形转变到另一种时，必须考虑两者之间的热和机械特性差异。
与TO-220 FULLPAK相关的一个复杂问题就是缺乏一种行业标准的封装外形。TO-220AB和TO-220AC都是JEDEC封装外形。大多数供应商将其封装尺寸保持在JEDEC的框架内，提供一定程度的产品一致性。然而，对TO-220 FULLPAK来说情况并非如此。不同供应商的FULLPAK产品存在更大的变化，在应用中带来了更多潜在的装配问题。
2 封闭外形
图1显示了TO-220AB的简化参考图。图2则显示了TO-220 FULLPAK同样的一些变量。比较图1和图2可看到，尺寸参数f（安装孔的直径）和S（法兰厚度）就代表了潜在问题。贴着封装法兰的套顶式（Clip-on）散热器将不能互换使用，安装螺钉直径和长度可能需要修改。
TO-220 FULLPAK除了缺乏行业标准的封装外形之外，尺寸参数A、H、Q和R也会带来问题。这不仅在从TO-220AB转变为TO-220 FULLPAK时才会发生，而且在不同供应商的FULLPAK外形之间变换时也是如此。在许多适配器的应用中，该器件与穿过电路板和封装体的引脚肩安装在一起，封装体几乎与板子齐平。在适配器内往往没有更多的空间留给整体更长的封装体（A参数） 。
3 安装考虑
TO-220 FULLPAK产品的参数R已有显著变化。如果该器件是安装在板上固定散热器中，当旋紧紧固螺钉时，相当大的应力会施加到封装体上。若参数R和较短的引脚产生足够的变化，就有可能使封装体断裂并使绝缘阻抗失效。
对于标准的TO-220封装，散热器是一个有源终端，通常作为整流器的阴极。在许多应用中，有必要从散热器隔离这个有源终端，使用的是绝缘片和隔离垫圈或类似的材料。推荐的配置版本如图3所示。
对于图3所示的例子，导热硅脂通常不适用。隔离片作为器件和散热器之间的必备正形接口。如果隔离片装配不协调或损坏，封装法兰可能与散热器发生电气连接。如果这种情况发生在开关电源的次级，无输出的情况可能发生。如果这种情况发生在开关电源的初级，则可能损坏电源，要么就会导致终端应用系统出现故障。
图4显示了推荐的TO-220 FULLPAK散热器安装配置。在这种情况下，需要导热硅脂作为散热器和器件之间的一个正形涂层。这种配置避免了器件与散热器短路的风险，也减少了元件数量和装配的复杂度。
图5和图6展示了TO-220 和TO-220 FULLPAK更常用的安装方法。在这种情况下，平垫片和压紧垫圈可被去除。将紧固件旋下时应当格外小心。如果标准的TO-220被过分扭转，它将弯曲并降低与散热器的有效接触面积。如果TO-220 FULLPAK被过分扭转，有可能使封装体断裂，并提供了一个通向散热器的弧形通道。
对于图6的例子使用导热硅脂是可行的。如果在器件和散热器之间没有一个正形接口，热传导的效率会降低。这种情况将导致整流器运行在更高的结温下并增加了热失控的风险。
图4通过6个参数展示了利用的TO-220 FULLPAK封装代替标准TO-220的优势。一致性故障和因质量导致返修的风险可被降低。BOM数量和装配的复杂性也可以减少。如果这两种封装在成本方面相当，那么FULLPAK似乎是显而易见的选择。
4 热性能比较
转换到TO-220 FULLPAK所要付出的代价是热性能。以下章节提供了两种封装在各种条件下的热性能比较。该模型假定裸片尺寸不变，导热硅脂被采用，假设厚度为1密耳（0.03毫米）。绝缘片采用Bergquist Sil-Pad® 900S材料，厚度为9密耳（0.23毫米）。标准TO-220和TO -220 FULLPAK都被假定为有双线规引脚框。在这种情况下，标志区厚度为50密耳（1.27毫米）。要注意很重要的一点，就是此情况并非总是如此，引脚框的厚度会影响到器件的瞬态热反应。
图7提供了插槽安装的标准TO-220与T-220 FULLPAK的瞬态热性能比较。这是在两种封装没有散热器时的一个相关比较。图8所示的图形代表了从标准TO-220转换到T-220 FULLPAK的百分比变化。
在大约0.001秒和0.5秒之间，由于假定裸片尺寸一致，两种封装的差别不大。在约0.5秒和100秒之间，FULLPAK比标准TO-220在热性能上略占上风。在1000秒之上来比较二者，则标准TO-220略占优势。如果目标应用打算安装器件时不用散热器，设计师会发现这两种封装差别不大。
5 典型应用
典型的开关电源（SMPS）PFC和输出整流应用既会在瞬态也会在稳态条件下使用该器件。负载波动和短路条件下可引起结温迅速增加。很重要的一点就是，当考虑变换封装时，要考虑封装瞬态热性能的各个方面。
笔记本电脑适配器、LCD平板显示器电源和ATX电源通常使用散热器以加强PFC整流器和输出整流器的散热能力。图9比较了标准TO-220和TO-220 FULLPAK安装在只使用导热硅脂的冷却盘上时的瞬态热响应曲线。这种仿真假设该应用无需与散热器的电气隔离。图10显示了转换到相应FULLPAK的百分比变化。
这一对比显示，当转换到FULLPAK时热性能处于明显劣势 。开关电源输出整流级经常使用肖特基整流器以实现更低的正向传导和开关损耗。使用肖特基整流器时的热失控风险必须要始终进行评估。而FULLPAK较差的热性能会加大这一风险。
即使不使用肖特基整流器，超过器件最高工作结温度的风险仍须加以考虑。整流器的工作结温升高也减少了器件的使用寿命。工作结温超过最高额定工作结温会明显降低器件的使用寿命，并会导致现场故障返修。
某些应用（如平板显示器）规定了终端连接点（通常是焊点）的最高工作温度。整流器外壳的传热效率降低将增加终端连接点的温度，因为现在引脚变成了一个更重要的散热途径。
图11和12显示了从TO-200转向T-220 FULLPAK时，一个更实际的热性能可能发生改变的例子。在这种情况下，假定与散热器的电隔离装置是必需的。图11比较了安装在采用隔离绝缘片和正形接口的冷却盘上的标准TO-220与只使用导热硅脂作为正形接口的T-220 FULLPAK的瞬态热性能。图12显示了转换到FULLPAK的相应百分比变化。
图11和12显示的例子在液晶显示器和ATX电源中极其常见，它们的多路输出都有一个公共的散热器。在这种情况下，通过绝缘片传热降低了标准TO-220的热性能。不过，FULLPAK仍处于不利地位。必须指出的是，随着散热器效率的增加，标准TO-220和FULLPAK的性能差异（在约0.1秒以上）也将增加。这也在图7和图8中进行了凸显。转换到FULLPAK时，为实现高输出而使用大型散热器的设计者在实施时要小心。
最近，TO-220 FULLPAK功率器件封装在成本上已接近标准TO-220封装，使得对许多应用而言，从标准TO-220转换到TO-220 FULLPAK成为一个具有吸引力的选择。使用TO-220 FULLPAK可以简化装配和降低因装配质量引起的事故风险。不过，当从一种封装外形转变到另一种时，必须考虑两者之间的热和机械特性差异。
与TO-220 FULLPAK相关的一个复杂问题就是缺乏一种行业标准的封装外形。TO-220AB和TO-220AC都是JEDEC封装外形。大多数供应商将其封装尺寸保持在JEDEC的框架内，提供一定程度的产品一致性。然而，对TO-220 FULLPAK来说情况并非如此。不同供应商的FULLPAK产品存在更大的变化，在应用中带来了更多潜在的装配问题。
2 封闭外形
图1显示了TO-220AB的简化参考图。图2则显示了TO-220 FULLPAK同样的一些变量。比较图1和图2可看到，尺寸参数f（安装孔的直径）和S（法兰厚度）就代表了潜在问题。贴着封装法兰的套顶式（Clip-on）散热器将不能互换使用，安装螺钉直径和长度可能需要修改。
TO-220 FULLPAK除了缺乏行业标准的封装外形之外，尺寸参数A、H、Q和R也会带来问题。这不仅在从TO-220AB转变为TO-220 FULLPAK时才会发生，而且在不同供应商的FULLPAK外形之间变换时也是如此。在许多适配器的应用中，该器件与穿过电路板和封装体的引脚肩安装在一起，封装体几乎与板子齐平。在适配器内往往没有更多的空间留给整体更长的封装体（A参数） 。
3 安装考虑
TO-220 FULLPAK产品的参数R已有显著变化。如果该器件是安装在板上固定散热器中，当旋紧紧固螺钉时，相当大的应力会施加到封装体上。若参数R和较短的引脚产生足够的变化，就有可能使封装体断裂并使绝缘阻抗失效。
对于标准的TO-220封装，散热器是一个有源终端，通常作为整流器的阴极。在许多应用中，有必要从散热器隔离这个有源终端，使用的是绝缘片和隔离垫圈或类似的材料。推荐的配置版本如图3所示。
对于图3所示的例子，导热硅脂通常不适用。隔离片作为器件和散热器之间的必备正形接口。如果隔离片装配不协调或损坏，封装法兰可能与散热器发生电气连接。如果这种情况发生在开关电源的次级，无输出的情况可能发生。如果这种情况发生在开关电源的初级，则可能损坏电源，要么就会导致终端应用系统出现故障。
图4显示了推荐的TO-220 FULLPAK散热器安装配置。在这种情况下，需要导热硅脂作为散热器和器件之间的一个正形涂层。这种配置避免了器件与散热器短路的风险，也减少了元件数量和装配的复杂度。
图5和图6展示了TO-220 和TO-220 FULLPAK更常用的安装方法。在这种情况下，平垫片和压紧垫圈可被去除。将紧固件旋下时应当格外小心。如果标准的TO-220被过分扭转，它将弯曲并降低与散热器的有效接触面积。如果TO-220 FULLPAK被过分扭转，有可能使封装体断裂，并提供了一个通向散热器的弧形通道。
对于图6的例子使用导热硅脂是可行的。如果在器件和散热器之间没有一个正形接口，热传导的效率会降低。这种情况将导致整流器运行在更高的结温下并增加了热失控的风险。
图4通过6个参数展示了利用的TO-220 FULLPAK封装代替标准TO-220的优势。一致性故障和因质量导致返修的风险可被降低。BOM数量和装配的复杂性也可以减少。如果这两种封装在成本方面相当，那么FULLPAK似乎是显而易见的选择。
4 热性能比较
转换到TO-220 FULLPAK所要付出的代价是热性能。以下章节提供了两种封装在各种条件下的热性能比较。该模型假定裸片尺寸不变，导热硅脂被采用，假设厚度为1密耳（0.03毫米）。绝缘片采用Bergquist Sil-Pad® 900S材料，厚度为9密耳（0.23毫米）。标准TO-220和TO -220 FULLPAK都被假定为有双线规引脚框。在这种情况下，标志区厚度为50密耳（1.27毫米）。要注意很重要的一点，就是此情况并非总是如此，引脚框的厚度会影响到器件的瞬态热反应。
图7提供了插槽安装的标准TO-220与T-220 FULLPAK的瞬态热性能比较。这是在两种封装没有散热器时的一个相关比较。图8所示的图形代表了从标准TO-220转换到T-220 FULLPAK的百分比变化。
在大约0.001秒和0.5秒之间，由于假定裸片尺寸一致，两种封装的差别不大。在约0.5秒和100秒之间，FULLPAK比标准TO-220在热性能上略占上风。在1000秒之上来比较二者，则标准TO-220略占优势。如果目标应用打算安装器件时不用散热器，设计师会发现这两种封装差别不大。
5 典型应用
典型的开关电源（SMPS）PFC和输出整流应用既会在瞬态也会在稳态条件下使用该器件。负载波动和短路条件下可引起结温迅速增加。很重要的一点就是，当考虑变换封装时，要考虑封装瞬态热性能的各个方面。
笔记本电脑适配器、LCD平板显示器电源和ATX电源通常使用散热器以加强PFC整流器和输出整流器的散热能力。图9比较了标准TO-220和TO-220 FULLPAK安装在只使用导热硅脂的冷却盘上时的瞬态热响应曲线。这种仿真假设该应用无需与散热器的电气隔离。图10显示了转换到相应FULLPAK的百分比变化。
这一对比显示，当转换到FULLPAK时热性能处于明显劣势 。开关电源输出整流级经常使用肖特基整流器以实现更低的正向传导和开关损耗。使用肖特基整流器时的热失控风险必须要始终进行评估。而FULLPAK较差的热性能会加大这一风险。
即使不使用肖特基整流器，超过器件最高工作结温度的风险仍须加以考虑。整流器的工作结温升高也减少了器件的使用寿命。工作结温超过最高额定工作结温会明显降低器件的使用寿命，并会导致现场故障返修。
某些应用（如平板显示器）规定了终端连接点（通常是焊点）的最高工作温度。整流器外壳的传热效率降低将增加终端连接点的温度，因为现在引脚变成了一个更重要的散热途径。
图11和12显示了从TO-200转向T-220 FULLPAK时，一个更实际的热性能可能发生改变的例子。在这种情况下，假定与散热器的电隔离装置是必需的。图11比较了安装在采用隔离绝缘片和正形接口的冷却盘上的标准TO-220与只使用导热硅脂作为正形接口的T-220 FULLPAK的瞬态热性能。图12显示了转换到FULLPAK的相应百分比变化。
图11和12显示的例子在液晶显示器和ATX电源中极其常见，它们的多路输出都有一个公共的散热器。在这种情况下，通过绝缘片传热降低了标准TO-220的热性能。不过，FULLPAK仍处于不利地位。必须指出的是，随着散热器效率的增加，标准TO-220和FULLPAK的性能差异（在约0.1秒以上）也将增加。这也在图7和图8中进行了凸显。转换到FULLPAK时，为实现高输出而使用大型散热器的设计者在实施时要小心。
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