功率器件IGBT用到的導(dǎo)熱材料機(jī)理和作用

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，電子產(chǎn)品的發(fā)展趨向于微型化和密集化，電子器件的功率計(jì)散熱要求也隨之增加。電子器件工作時(shí)散發(fā)的熱量如不能及時(shí)導(dǎo)出，會(huì)嚴(yán)重影響電子器件的性能和壽命。目前 IGBT 功率器件上廣泛使用以導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱相變材料等導(dǎo)熱界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），以填充安裝面與器件散熱面之間的間隙，避免高溫對(duì)器件的影響。

一、IGBT導(dǎo)熱機(jī)理及導(dǎo)熱材料的作用

1、IGBT的導(dǎo)熱機(jī)理

? 根據(jù) IGBT 熱傳導(dǎo)示意圖所示，芯片內(nèi)損耗產(chǎn)生的熱能通過芯片傳到外殼底座，再由外殼將少量的熱量直接傳到環(huán)境中去（以對(duì)流和輻射的形式），而大部分熱量通過底座經(jīng)絕緣墊片直接傳到散熱器，最后由散熱器傳入空氣中。

圖 IGBT熱傳導(dǎo)示意圖

從芯片至環(huán)境的總熱阻由三部分組成，即芯片至管殼的結(jié)殼熱阻 Rj-c，管殼至散熱器的接觸熱阻 Rc-s，散熱器至環(huán)境的散熱器熱阻 Rs-a，總熱阻由下式計(jì)算：

Rj-a=Rj-c+Rc-s+Rs-a

由此可見，結(jié)殼熱阻 Rj-c 和散熱器熱阻 Rs-a 是由 IGBT 自身結(jié)構(gòu)以及功率器件整體散熱方案決定的，導(dǎo)熱材料的作用在于減小接觸熱阻 Rc-s，進(jìn)而降低整體散熱的總熱阻。

大部分的IGBT功率模塊的失效原因都與熱量有關(guān)，因此，可靠的熱管理是保障IGBT長期使用的當(dāng)務(wù)之急。功率器件與散熱器之間存在的空氣間隙會(huì)產(chǎn)生非常大的接觸熱阻，顯著增大兩個(gè)界面之間的溫差。為了確保IGBT模塊高效、安全和穩(wěn)定地工作，對(duì)其熱管理技術(shù)也是新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用的最重要環(huán)節(jié)。

2、導(dǎo)熱材料的作用

在 IGBT 的熱傳導(dǎo)中，主要熱量依靠 IGBT 散熱面與散熱器表面的金屬接觸來傳遞，常用銅或鋁作為基底材料。由于接觸面間的不平整度使間隙中存有一定空氣，而空氣的熱導(dǎo)率僅為 0.025 W/（m·K），因此嚴(yán)重阻礙了熱傳導(dǎo)。若將導(dǎo)熱材料先涂覆至 IGBT 散熱面表面，在裝配及螺釘緊固力的作用下，擠出接觸面間的空氣并將間隙填充，導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率一般在 0.8-4 W/（m·K）之間，其熱導(dǎo)率是空氣的 32-160 倍，雖然主要的熱傳導(dǎo)仍是由金屬之間的熱傳導(dǎo)完成，但能夠較好地改善接觸面間的熱流傳遞情況，減小熱阻，提高散熱效率。

圖 接觸面間熱流示意圖

隨著IGBT向高功率和高集成度方向發(fā)展，對(duì)TIM提出了更高的要求，如低熱阻及長期使用的可靠性。合理的選擇TIM，不僅要考慮其熱傳導(dǎo)能力，還要兼顧生產(chǎn)中的工藝、維護(hù)操作性及長期可靠性。

二、IGBT 導(dǎo)熱材料的特性

? 導(dǎo)熱界面材料可有效幫助功率模塊實(shí)現(xiàn)散熱，延長使用壽命。目前 IGBT 散熱使用的導(dǎo)熱材料主要是導(dǎo)熱硅脂、相變導(dǎo)熱材料。中低端IGBT采用的是普通硅脂和高性能硅脂，高端IGBT則采用相變化材料。

1、導(dǎo)熱硅脂

導(dǎo)熱硅脂（又稱散熱膏）因其表面潤濕性好，接觸熱阻低，最早作為TIM 應(yīng)用在IGBT 模塊，是一種膏狀的熱界面導(dǎo)熱材料，以有機(jī)硅酮為主要原料，添加耐熱、導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料而制成的導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)合物，具有低油離度、耐高低溫、耐水、臭氧、耐氣候老化等特性，可在 -50 ℃ 至 +230 ℃ 的溫度下保持使用時(shí)的脂膏狀態(tài)。不過導(dǎo)熱硅脂在使用 1-2 年后會(huì)出現(xiàn)性能下降的問題。

圖 IGBT涂覆導(dǎo)熱硅脂，來源：斯達(dá)半導(dǎo)體

為保證導(dǎo)熱硅脂均勻的分布在 IGBT 上，涂覆工藝至關(guān)重要，影響實(shí)際應(yīng)用的導(dǎo)熱性能。目前 IGBT 導(dǎo)熱硅脂涂覆工藝有滾筒印刷和絲網(wǎng)印刷，相比于滾筒印刷，絲網(wǎng)印刷能夠更好的控制IGBT上導(dǎo)熱硅脂的厚度均勻度，提高 IGBT 的散熱效果和使用壽命。

2、相變導(dǎo)熱材料

相變導(dǎo)熱材料也稱相變導(dǎo)熱膏，是利用聚合物技術(shù)以高性能的有機(jī)高分子材料為主體，以高導(dǎo)熱性材料、相變填充料等材料為輔精制而成的絕緣材料，適用于散熱器與各種產(chǎn)生高熱量功率元器件間的熱量傳遞。

圖 SEMiX 3 Press-Fit基板的彎曲線條和優(yōu)化的TIM層，來源：賽米控

相變導(dǎo)熱材料的關(guān)鍵性能是其相變特性，在室溫下材料為固體，并且便于處理，可以將其作為干墊清潔而堅(jiān)固地用于散熱片或器件的表面。當(dāng)達(dá)到器件工作溫度時(shí)相變材料變軟，在壓緊力的作用下材料就像熱滑脂一樣與兩個(gè)配合表面整合、填充間隙。這種完全填充界面氣隙和器件與散熱片間空隙的能力，可以使相變材料提前涂覆，便于運(yùn)輸和安裝，并且獲得類似于熱滑脂的性能。

此外，相變導(dǎo)熱材料另一大優(yōu)勢在于其穩(wěn)定性與耐久性，能夠在長時(shí)間熱循環(huán)和 HAST 試驗(yàn)后依然保持杰出的熱穩(wěn)定特性，并且其熱阻表現(xiàn)為降低趨勢。因此相比于導(dǎo)熱硅脂，相變導(dǎo)熱材料除成本較高外，其耐久性、導(dǎo)熱性均較好，有助于提升 IGBT 這類電子器件裝配的整體耐久性。

原文標(biāo)題：功率器件IGBT 用到的導(dǎo)熱材料機(jī)理和作用

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