ZHCAFJ0 July 2025 ESD1LIN24
簡(jiǎn)介
齊納二極管廣泛用于許多直流電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用。在這些情況下，由于低效功率容量會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過多熱量，最終損壞二極管和其他附近的元件，因此器件的電源能力可能變得至關(guān)重要。TI 采用市場(chǎng)上使用最廣泛的封裝 SOT-23 來制作大功率齊納二極管，從而解決了這一難題。SOT-23 是一種帶引線的 3 引腳封裝，尺寸約為 2.9mm x 2.4mm。由于器件的材料組成和獨(dú)特的引線框，熱性能提升近 50%。具有更好的熱性能會(huì)改善整體功率耗散。以下各節(jié)詳細(xì)介紹了 TI 制作大功率 SOT-23 齊納二極管的步驟、在此過程中進(jìn)行的競(jìng)爭(zhēng)分析以及一個(gè)應(yīng)用示例的概要。
競(jìng)爭(zhēng)分析
數(shù)十年來，SOT-23 封裝一直在齊納市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。這種封裝可靈活容納多種不同類型的二極管和多通道型號(hào)。然而，封裝面臨的挑戰(zhàn)是功率輸出限制，這就是市場(chǎng)上的 SOT-23 齊納二極管的主要上限為 300mW 的原因。功率耗散的主要影響因素是器件的熱性能，具體而言就是 RθJA。RθJA 是結(jié)溫至環(huán)境溫度熱阻，用于衡量安裝在特定測(cè)試板（通常是具有單面銅的 FR-4 印刷電路板）上的封裝的熱性能。附連測(cè)試板在不同公司之間進(jìn)行比較。
RθJA 值越低，表示封裝在結(jié)溫與環(huán)境溫度之間傳遞熱量越容易，意味著封裝的熱效率越高。這可以防止器件過熱，并可能延長(zhǎng)器件的使用壽命。如 表 1 所示，TI 的 RθJA 與當(dāng)今市場(chǎng)上的一些競(jìng)品之間存在顯著差異。競(jìng)品 C 使用在功耗方面位居第二的不同封裝。包括這句話是為了表明，TI 的 SOT-23 即使封裝尺寸減小 20%，也可以在 SOD-123 齊納領(lǐng)域中競(jìng)爭(zhēng)。
| TI | 競(jìng)品 A | 競(jìng)品 B | 競(jìng)品 C | |
|---|---|---|---|---|
| RθJA | 285.5°C/W | 417°C/W | 500°C/W | 338°C/W |
| PD | 430mW | 300mW | 250mW | 370mW |
| 封裝 | SOT-23 | SOT-23 | SOT-23 | SOD123 |
| 主體面積 | 3.8mm2 | 3.8mm2 | 3.8mm2 | 4.8mm2 |
表 1 還顯示了功率耗散 (PD)。為了計(jì)算器件的總功率耗散，使用以下公式，其中 TJ 為結(jié)溫，TA 為環(huán)境溫度。使用 150°C 的最大結(jié)溫限值和 25°C 的環(huán)境溫度以及上面列出的 RθJA，可以計(jì)算功率耗散。這適用于 表 1 中的所有值。
材料成分
為了克服功率耗散的挑戰(zhàn)，尤其小型封裝的挑戰(zhàn)，材料成分變得至關(guān)重要。這包括引線框材料、安裝涂料、模塑化合物等。在競(jìng)爭(zhēng)格局中，采用了鐵鎳合金引線框，但其熱導(dǎo)率較低。鐵鎳合金是一種使用了數(shù)十年的材料，眾所周知，由于材料和結(jié)構(gòu)的原因，這種材料會(huì)出現(xiàn)分層和焊點(diǎn)問題。作為替代方案，銅合金引線框材料的導(dǎo)熱性要高得多。由于這種材料差異，TI 的 SOT-23 齊納二極管在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)更好，如 圖 1 所示。圖中比較了 TI SOT-23 封裝和競(jìng)品 SOT-23 封裝之間 RθJA 隨時(shí)間的變化情況。在進(jìn)行熱分析時(shí)，一些參數(shù)（如裸片厚度、裸片貼裝、引線框材料和引線框設(shè)計(jì)）保留為實(shí)際結(jié)構(gòu)。為了在兩個(gè)器件之間進(jìn)行準(zhǔn)確比較，裸片尺寸和 PCB 是常數(shù)。
圖 1 SOT-23 封裝熱比較根據(jù) 圖 1，競(jìng)品器件在短時(shí)間內(nèi)確實(shí)表現(xiàn)更好一點(diǎn)。原因在于裸片連接材料不同。裸片連接是用于將裸片連接到引線框的材料。競(jìng)品器件使用純銀和背面鍍層，這可以保證短時(shí)間內(nèi)更好的導(dǎo)熱性，但可能是一種成本更高的布線。下圖展示了競(jìng)品器件的裸片連接的材料成分，其中大多數(shù)構(gòu)成是銀 (Ag)。純銀芯片貼裝的替代方案是改用銀環(huán)氧樹脂。銀環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率不同，但環(huán)氧樹脂可以縮短制造時(shí)間并提高可靠性。設(shè)計(jì)器件時(shí)總是需要權(quán)衡取舍，但對(duì)于我們的情況，采用的布線在功率耗散方面發(fā)揮了巨大優(yōu)勢(shì)。
圖 2 裸片連接成分引線框設(shè)計(jì)
影響熱性能的另一個(gè)因素是引線框的設(shè)計(jì)。SOT-23 的兩種常見引線框設(shè)計(jì)如下圖所示。這些設(shè)計(jì)通常稱為標(biāo)準(zhǔn)引線框或分離引線框。標(biāo)準(zhǔn)引線框具有一個(gè)較大的中間焊盤，裸片安裝在該焊盤上并與外部焊盤綁定。由于尺寸限制，無法使用標(biāo)準(zhǔn)引線框設(shè)計(jì)將裸片放置在外部焊盤上。分離引線框是指引線框不是連續(xù)結(jié)構(gòu)，而是拆分或分開的結(jié)構(gòu)。對(duì)于分離式 SOT-23 引線框，裸片可以位于中間焊盤或外部焊盤上，具體取決于器件配置。相比兩種引線框樣式，標(biāo)準(zhǔn)引線框顯然具有更大的中間焊盤。這個(gè)更大的焊盤可以改善散熱，從而實(shí)現(xiàn)更好的整體熱性能。
圖 3 SOT-23 標(biāo)準(zhǔn)引線框
圖 4 SOT-23 分離引線框應(yīng)用
更高功率的齊納二極管在許多應(yīng)用中都很有用，例如醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)工具、智能儀表和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。具體到 ADAS 系統(tǒng)中，通常使用 350mW 至 500mW 的更高功率齊納二極管提供電池反向保護(hù)。在這些設(shè)計(jì)中，由于具有更高的功率容量，通常使用 SOD123 齊納二極管，但 TI 可以在 SOT-23 封裝中實(shí)現(xiàn)相同的功率容量。SOT-23 和 SOD123 在 PCB 上的空間大小幾乎一樣，但 SOT-23 具有更小的外形尺寸、更小的封裝尺寸，并且更具成本效益。
查看 ADAS 的 TIDA-050008 參考設(shè)計(jì)的以下原理圖，ADAS 使用了 15V、370mW SOD-123 齊納二極管在過壓事件期間鉗制比較器的電壓。鉗制比較器電源電壓的主要目的是使電壓不超過 MOSFET 的最大柵源電壓 (VGS (MAX))。在該應(yīng)用中，TI 的 BZX84C15V-Q1（也有商用版本）是一款 15V、430mW SOT-23 齊納二極管，可輕松取代電流齊納二極管。
圖 5 ADAS 的反向電池保護(hù)總結(jié)
隨著 PCB 尺寸變得越來越受空間限制，應(yīng)用的功耗越來越高，項(xiàng)目物料清單變得更加復(fù)雜，優(yōu)化更小和常用封裝功耗的重要性不斷增加。TI 通過引入高功率 SOT-23 實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，并有助于整合其他封裝（如 SOD123）的功率需求。通過優(yōu)化引線框設(shè)計(jì)的材料選擇，我們的 SOT-23 齊納二極管能夠更好地應(yīng)對(duì)我們的許多客戶挑戰(zhàn)。更多有關(guān) TI 齊納二極管的信息，請(qǐng)查看我們的 頁面。