IGBT导热机理及导热材料的作用

发布时间:2024-03-07 发布作者:行业资讯

  的发展趋向于微型化和密集化,电子器件的功率计散热要求也随之增加。电子器件工作时散发的热量如不能及时导出,会极度影响电子器件的性能和寿命。目前

  根据IGBT热传导示意图所示,芯片内损耗产生的热能通过芯片传到外壳底座,再由外壳将少量的热量直接传到环境中去(以对流和辐射的形式),而大部分热量通过底座经绝缘垫片直接传到散热器,最后由散热器传入空气中。

  从芯片至环境的总热阻由三部分所组成,即芯片至管壳的结壳热阻Rj-c,管壳至散热器的接触热阻Rc-s,散热器至环境的散热器热阻Rs-a,总热阻由下式计算:

  由此可见,结壳热阻Rj-c和散热器热阻Rs-a是由IGBT自身结构和功率器件整体散热方案决定的,导热材料的作用在于减小接触热阻Rc-s,进而降低整体散热的总热阻。

  大部分的IGBT功率模块的失效原因都与热量有关,因此,可靠的热管理是保障IGBT经常使用的当务之急。功率器件与散热器之间有的空气间隙会产生非常大的接触热阻,显著增大两个界面之间的温差。为了确认和保证IGBT模块高效、安全和稳定地工作,对其热管理技术也是新型产品设计和应用的最重要环节。

  在IGBT的热传导中,主要热量依靠IGBT散热面与散热器表面的金属接触来传递,常用铜或铝作为基底材料。由于接触面间的不平整度使间隙中存有一定空气,而空气的热导率仅为0.025 W/(m·K),因此严重阻碍了热传导。若将导热材料先涂覆至IGBT散热面表面,在装配及螺钉紧固力的作用下,挤出接触面间的空气并将间隙填充,导热材料的热导率一般在0.8-4 W/(m·K)之间,其热导率是空气的32-160倍,虽然主要的热传导仍是由金属之间的热传导完成,但能够较好地改善接触面间的热流传递情况,减小热阻,提高散热效率。

  随着IGBT向高功率和高集成度方向发展,对TIM提出了更高的要求,如低热阻及经常使用的可靠性。合理的选择TIM,不仅要考虑其热传导能力,还要兼顾生产中的工艺、维护操作性及长期可靠性。

  导热界面材料可有效帮助功率模块实现散热,延长常规使用的寿命。目前IGBT散热使用的导热材料主要是导热硅脂、相变导热材料。中低端IGBT采用的是普通硅脂和高性能硅脂,高端IGBT则采用相变化材料。

  导热硅脂(又称散热膏)因其表面润湿性好,接触热阻低,最早作为TIM应用在IGBT模块,是一种膏状的热界面导热材料,以有机硅酮为主要的组成原材料,添加耐热、导热性能优异的材料而制成的导热型有机硅脂状复合物,具有低油离度、耐高低温、耐水、臭氧、耐气候老化等特性,可在-50 ℃ 至 +230 ℃的温度下保持使用时的脂膏状态。不过导热硅脂在使用1-2年后会出现性能直线下降的问题。

  为保证导热硅脂均匀的分布在IGBT上,涂覆工艺至关重要,影响实际应用的导热性能。目前IGBT导热硅脂涂覆工艺有滚筒印刷和丝网印刷,相比于滚筒印刷,丝网印刷能够更好的控制IGBT上导热硅脂的厚度均匀度,提高IGBT的散热效果和使用寿命。

  相变导热材料也称相变导热膏,是利用聚合物技术以高性能的有机高分子材料为主体,以高导热性材料、相变填充料等材料为辅精制而成的在允许电压下不导电的材料,适用于散热器与各种产生高热量功率元器件间的热量传递。

  相变导热材料的关键性能是其相变特性,在室温下材料为固体,并且便于处理,可以将其作为干垫清洁而坚固地用于散热片或器件的表面。当达到器件工作时候的温度时相变材料变软,在压紧力的作用下材料就像热滑脂一样与两个配合表面整合、填充间隙。这种完全填充界面气隙和器件与散热片间空隙的能力,可以使相变材料提前涂覆,便于运输和安装,并且获得类似于热滑脂的性能。

  此外,相变导热材料另一大优点是其稳定性与耐久性,能够在长时间热循环和 HAST 试验后依然保持杰出的热稳定特性,并且其热阻表现为降低趋势。因此相比于导热硅脂,相变导热材料除成本较高外,其耐久性、导热性均较好,有助于提升 IGBT 这类电子器件装配的整体耐久性。

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  硅胶片安装在需要散热的芯片对应的PCB板底部和外壳之间或需散热的芯片(热源)和散热器之间。

  特性决定了其拥有非常良好的填充效果,特别是采取一定的压缩量使用可以使得热阻更小

  硅胶片安装在需要散热的芯片对应的PCB板底部和外壳之间或需散热的芯片(热源)和散热器之间。

  特性决定了其拥有非常良好的填充效果,特别是采取一定的压缩量使用可以使得热阻更小,

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  开始变软并流动,填充散热片和积体电路板的接触界面上细微不规则间隙,以达到减小热阻的目的。在室温下呈可弯曲固态,无需增强

  性能和柔韧性,通过填充元件界面细微的缝隙排出空气,增加与散热器的接触面积达到减少热阻值的目的。作为热管理领域的理想

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  硅脂一般都是膏脂状态,在任何使用阶段始终保证膏脂状态。如果在电器中使用后发生固化反应,则这种

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