ZHCAFJ0 July 2025 ESD1LIN24
簡介
齊納二極管廣泛用于許多直流電壓調節(jié)應用。在這些情況下，由于低效功率容量會導致產生過多熱量，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重要。TI 采用市場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特的引線框，熱性能提升近 50%。具有更好的熱性能會改善整體功率耗散。以下各節(jié)詳細介紹了 TI 制作大功率 SOT-23 齊納二極管的步驟、在此過程中進行的競爭分析以及一個應用示例的概要。
競爭分析
數十年來，SOT-23 封裝一直在齊納市場中占據主導地位。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。然而，封裝面臨的挑戰(zhàn)是功率輸出限制，這就是市場上的 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 是結溫至環(huán)境溫度熱阻，用于衡量安裝在特定測試板（通常是具有單面銅的 FR-4 印刷電路板）上的封裝的熱性能。附連測試板在不同公司之間進行比較。
RθJA 值越低，表示封裝在結溫與環(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，并可能延長器件的使用壽命。如 表 1 所示，TI 的 RθJA 與當今市場上的一些競品之間存在顯著差異。競品 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 齊納領域中競爭。
| TI | 競品 A | 競品 B | 競品 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)。為了計算器件的總功率耗散，使用以下公式，其中 TJ 為結溫，TA 為環(huán)境溫度。使用 150°C 的最大結溫限值和 25°C 的環(huán)境溫度以及上面列出的 RθJA，可以計算功率耗散。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)，材料成分變得至關重要。這包括引線框材料、安裝涂料、模塑化合物等。在競爭格局中，采用了鐵鎳合金引線框，但其熱導率較低。鐵鎳合金是一種使用了數十年的材料，眾所周知，由于材料和結構的原因，這種材料會出現分層和焊點問題。作為替代方案，銅合金引線框材料的導熱性要高得多。由于這種材料差異，TI 的 SOT-23 齊納二極管在較長的時間內表現更好，如 圖 1 所示。圖中比較了 TI SOT-23 封裝和競品 SOT-23 封裝之間 RθJA 隨時間的變化情況。在進行熱分析時，一些參數（如裸片厚度、裸片貼裝、引線框材料和引線框設計）保留為實際結構。為了在兩個器件之間進行準確比較，裸片尺寸和 PCB 是常數。
圖 1 SOT-23 封裝熱比較根據 圖 1，競品器件在短時間內確實表現更好一點。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。競品器件使用純銀和背面鍍層，這可以保證短時間內更好的導熱性，但可能是一種成本更高的布線。下圖展示了競品器件的裸片連接的材料成分，其中大多數構成是銀 (Ag)。純銀芯片貼裝的替代方案是改用銀環(huán)氧樹脂。銀環(huán)氧樹脂的熱導率不同，但環(huán)氧樹脂可以縮短制造時間并提高可靠性。設計器件時總是需要權衡取舍，但對于我們的情況，采用的布線在功率耗散方面發(fā)揮了巨大優(yōu)勢。
圖 2 裸片連接成分引線框設計
影響熱性能的另一個因素是引線框的設計。SOT-23 的兩種常見引線框設計如下圖所示。這些設計通常稱為標準引線框或分離引線框。標準引線框具有一個較大的中間焊盤，裸片安裝在該焊盤上并與外部焊盤綁定。由于尺寸限制，無法使用標準引線框設計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)結構，而是拆分或分開的結構。對于分離式 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，標準引線框顯然具有更大的中間焊盤。這個更大的焊盤可以改善散熱，從而實現更好的整體熱性能。
圖 3 SOT-23 標準引線框
圖 4 SOT-23 分離引線框應用
更高功率的齊納二極管在許多應用中都很有用，例如醫(yī)療設備、電動工具、智能儀表和高級駕駛輔助系統(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。在這些設計中，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 封裝中實現相同的功率容量。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 參考設計的以下原理圖，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 的反向電池保護總結
隨著 PCB 尺寸變得越來越受空間限制，應用的功耗越來越高，項目物料清單變得更加復雜，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 實現了這一點，并有助于整合其他封裝（如 SOD123）的功率需求。通過優(yōu)化引線框設計的材料選擇，我們的 SOT-23 齊納二極管能夠更好地應對我們的許多客戶挑戰(zhàn)。更多有關 TI 齊納二極管的信息，請查看我們的 頁面。