[閒聊] 異物造成電源供應器一次側短路原因

狼窩好讀版：
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目前電源供應器，一次側(包含APFC)區域，常用的功率元件有兩種封裝，一種是TO-220，一種是TO-220FP(FullPAK)，如下圖所示，最左邊的TO-220因為外露金屬部分與下方其中一個接腳相通，所以安裝在金屬散熱片上時就需要加上絕緣螺絲墊片及絕緣導熱墊，以免對散熱片形成短路。但右邊三顆的TO-220FP，因為採全絕緣封裝，所以可以直接安裝在金屬散熱片上，而不用加上絕緣螺絲墊片及絕緣導熱墊
https://i.imgur.com/xUGPCua.jpg

那這兩種封裝有什麼差別呢?以下用Infineon IPx50R190CE這款功率元件來當成範例，這型號功率元件有分成三種， TO-247叫做IPW50R190CE，TO-220叫做IPP50E190CE，
TO-220FP叫做IPA50R190CE，但是正面的元件標記都只印5R190CE
https://i.imgur.com/mipLUb1.jpg
既然都叫5R190CE，其主要特性都是相同的，但是封裝會影響如Power Dissipation等規格參數，這個參數是指在規定的散熱條件下，功率元件本身可以連續承受的最大功率，這裡可以看到TO-247/TO-220以及TO-220FP的可承受最大功率相差很多
https://i.imgur.com/rWcjMzY.jpg
那為什麼封裝會影響最大承受功率呢?因為TO-247/TO-220內部半導體晶粒的熱量可以從外露金屬部分傳導出來，所以從晶粒到外殼及晶粒到環境的熱阻很小。TO-220FP因為整個半導體晶粒都用環氧樹脂包住，整個熱阻就高上許多，因為熱阻大，導熱不易，所以可承受最大功率就必須要下修，避免內部晶粒因為過熱而損壞
https://i.imgur.com/sRCCTKC.jpg
不過TO-220FP因為整個都是環氧樹脂包覆，其外殼有很高的絕緣耐壓，這也是為什麼
TO-220FP安裝在金屬散熱片上時不用絕緣螺絲墊片及絕緣導熱墊
https://i.imgur.com/xGUkMnw.jpg
回到主題，因為目前電源採高效率化設計，可讓功率元件本身承受功率值大幅下降，所以比起早期機種，同樣功率的高效率電源允許使用較小Power Dissipation的功率元件，但是部分體積較小或大輸出功率的電源供應器，為了讓功率元件在散熱條件較差(散熱片較小/內部較擁擠等)，或是連續高功率輸出下，能有更大的承受功率餘裕範圍，會採用
TO-220封裝功率元件，但是如果發生異物/濕氣/灰塵等接觸在TO-220外露金屬及散熱片之間，因為該處電壓接近DC400V左右，所以就可能會發生功率元件與散熱片發生短路/跳火的現象，這時功率元件就會被短路大電流擊穿而損壞，電源供應器就無法運作
下方圖片，為一款SFX小型化高功率電源供應器，箭頭所指處就是功率元件外露金屬與散熱片間發生跳火，導致該處燒黑並擊穿功率元件，也造成電源供應器故障，必須送修
https://i.imgur.com/l6CcAqX.jpg
為了避免這種情況，部分較重視耐用性或環境耐受度的電源供應器，當使用TO-220封裝功率元件時，會使用如下圖的白色絕緣蓋，將功率元件上方外露金屬部分蓋住，同時也提供足夠下壓力把功率元件壓在絕緣導熱墊上，避免增加熱阻，這種白色絕緣蓋會以可耐熱及絕緣的材質製作，避免受熱變形，也提供良好高電壓絕緣性能
https://i.imgur.com/C6D7KVL.jpg
從側面看，白色絕緣蓋幾乎完全蓋住TO-220的外露金屬部分，大大降低異物/濕氣/灰塵等造成短路的可能性
https://i.imgur.com/Smspgrc.jpg
另外也有廠商採用絕緣導熱雙面膠，可黏在散熱片表面與功率元件之間，強力的黏性使其不需固定用絕緣螺絲墊片及螺絲，不過因為功率元件金屬部分仍舊外露，所以若異物/濕氣/灰塵分布範圍夠大，也是有造成短路的可能
https://i.imgur.com/8dk0def.jpg
同一群組的功率元件先焊接在金屬片上(導電兼做散熱片使用，因為採用焊接方式所以可以把熱阻降到最低)，再用絕緣導熱雙面膠黏貼在固定用金屬板上，因為具有絕緣特性，不同群組間不會有短路問題
https://i.imgur.com/4FRbTSj.jpg

結論：
因為台灣環境與氣候因素，導致異物/濕氣/灰塵入侵電源供應器的機率大增，雖然有廠商已經開始在電路板上使用三防塗料，但功率元件與金屬散熱片之間的絕緣同樣重要，如何加強功率元件絕緣性，同時保有較大承受功率餘裕及較低熱阻，是電源廠商要研究的課題，同時也能降低因為這類損壞導致使用者必須送修或更換的機率

報告完畢，謝謝收看

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打錯了，感謝指正

有利有弊

主要導熱途徑還是由背面裸露金屬傳導至散熱片上 就像主機板/顯卡VRM上功率元件，導熱主要路徑是傳導至銅箔，但因為正面封裝不會很厚 所以也可貼上散熱片來協助散發熱量

對，主要熱量交換還是透過接觸傳導

※ 編輯: wolflsi (27.246.105.246 臺灣), 04/27/2020 12:30:11