高壓二極管應用中，是否有足夠銅箔/散熱片，結溫是否接近極限？

在半導體器件的可靠性設計中，溫度始終是一個繞不開的話題。無論是功率二極管、TVS 管還是高壓二極管，其壽命與結溫（Tj）有著直接關系。客戶常常會問：我的電路中參數都選對了，為什么二極管仍然失效？作為 MDD辰達半導體 FAE，我們往往會追溯到一個核心問題——是否有足夠銅箔/散熱片支撐散熱，器件結溫是否已經接近極限。

一、結溫與器件可靠性的關系

結溫（Tj）是指二極管 PN 結區域的實際溫度，是器件最關鍵的熱參數之一。

如果結溫長期超過 額定最大值（通常為 150℃ 或 175℃），會加速材料老化，導致漏電流增加、反向耐壓下降，甚至出現熱擊穿。

即便結溫沒有超過極限，每升高 10℃，器件壽命大約會縮短一半，這是半導體 Arrhenius 壽命模型的基本結論。

因此，能否將結溫控制在安全范圍，是設計成功與否的關鍵。

二、銅箔與散熱片在散熱中的作用

銅箔散熱

在 PCB 上，銅箔面積越大，導熱越快，熱量可以更快擴散到更大區域。

常見做法是：在二極管的陰極或陽極焊盤上鋪設較大面積銅箔，并通過過孔連接到多層地平面，形成更大的散熱路徑。

散熱片散熱

對于封裝較大的高壓二極管，可以將其安裝在帶金屬基板或散熱片的結構中。

散熱片通過與空氣對流或外部風扇配合，可以顯著降低器件的結溫。

合理的銅箔設計可以帶來數十度的溫差改善，而在功率較大或環境溫度較高時，增加散熱片幾乎是必選項。

三、結溫接近極限的風險

當散熱不足，結溫接近極限時，會出現以下風險：

漏電流指數級增加 ——結溫升高會導致載流子熱激發增強，反向漏電流成倍增加，進一步加速發熱，形成惡性循環。

熱擊穿可能 ——如果瞬時浪涌疊加在高結溫下，容易直接導致 PN 結局部熔毀。

長期可靠性下降 ——焊點、鍵合絲、封裝材料因熱循環反復受力，導致微裂紋，進而出現開路或失效。

四、如何判斷結溫是否安全？

通過熱阻計算

公式：Tj = Ta + P × RθJA

其中 Ta 為環境溫度，P 為功耗，RθJA 為結到環境的熱阻。

如果計算結果接近或超過額定 Tjmax，就需要優化散熱。

實測溫度

使用熱電偶或紅外熱像儀，在二極管引腳附近測量實際溫升，并結合結殼熱阻推算結溫。

波形分析

如果工作波形中存在頻繁浪涌或過沖，需要考慮動態功耗，而不僅是平均功耗。

五、FAE 的設計建議

銅箔面積留足余量：盡可能加大二極管焊盤的銅箔面積，推薦單點不少于 1 cm2，并通過過孔連接到底層大面積銅面。

合理布局散熱路徑：讓發熱器件靠近 PCB 邊緣或氣流通道，避免堆疊過多功率器件在局部區域。

適當加散熱片：在高電流、高頻率或環境溫度較高時，應考慮外接散熱片或金屬基板設計。

關注環境溫度：夏季高溫或密閉環境中，散熱條件遠比實驗室惡劣，需要額外降額。

建立熱仿真模型：在量產前，使用熱仿真軟件評估不同 PCB、銅厚和氣流條件下的結溫變化，提前發現風險。

高壓二極管的失效往往并非源自參數選擇錯誤，而是散熱不足造成結溫接近極限。是否有足夠的銅箔和散熱片，是設計能否穩定可靠的關鍵。作為 FAE，我們建議工程師不僅關注電氣參數，更要結合熱管理與實際環境條件綜合考慮。唯有確保結溫遠離極限，才能保障高壓二極管在長期應用中的可靠性與壽命。