高功率IGBT模块如何散热？

科技 2024-11-10 21:05 江苏

随着现代电子技术的进步与发展，电子产品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，会严重影响电子器件的性能和寿命。目前 IGBT 功率器件上广泛使用导热硅脂、导热相变材料等导热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），填充安装面与器件散热面之间的间隙，避免高温对器件的影响。

一

IGBT导热机理及导热材料的作用

IGBT的导热机理

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。

△ IGBT热传导示意图

从芯片至环境的总热阻由三部分组成，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：

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

由此可见，结壳热阻 Rj-c 和散热器热阻 Rs-a 是由 IGBT 自身结构以及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长期使用的当务之急。功率器件与散热器之间存在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。为了确保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。

导热材料的作用

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。

△ 接触面间热流示意图

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，如低热阻及长期使用的可靠性。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。

二

IGBT导热材料的特性

导热界面材料可有效帮助功率模块实现散热，延长使用寿命。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

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，以有机硅酮为主要原料，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 年后会出现性能下降的问题。

△ IGBT涂覆导热硅脂

来源：斯达半导体

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。

陶熙导热硅脂推荐

名称/性能

TC-5628

TC-5351

TC-5860

颜色

蓝色

灰色

导热率

W/m.K

3.6

3.3

比重

3.4

3.1

3.6

介电强度

KV/mm

6.3

10.6

相变化材料

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绝缘材料，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。

△ SEMiX 3 Press-Fit基板的弯曲线条和优化的TIM层

来源：赛米控

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势在于其稳定性与耐久性，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。

霍尼韦尔相变化材料推荐

名称/性能

PTM7950

LTM6300

PTM7000

导热率

W/m.K

8.5

1.8-2.4

6.0-8.5

热阻抗

℃·cm²/W

0.04

0.12-0.14

0.04-0.06

体积电阻率

Ω·cm

2.1x10¹⁴

3.0x10¹⁵

2.1x10¹⁴

密度

g/cm³

2.8

1.8

—

厚度

0.20-0.50

—

0.20-0.50

来源：变频与伺服

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0ODM0NTcyNw==&mid=2247553919&idx=2&sn=05dd5c61d6428d2ec6579251f829bd97

半导体材料与工艺

专注于分享半导体行业的技术知识和前沿资讯，助力行业发展。

最新文章

总投资330亿元，北京将建12寸晶圆厂

一家晶圆厂，改变了一座城

突发！逼中企出售芯片公司

混合键合技术在三维堆叠封装中的研究进展

芯片巨头全球大裁员！

玻璃通孔技术研究进展

欧洲三大芯片商罕见就涉华问题发声

消息称：三星7nm也将停供中国大陆！

浅谈光刻胶涂覆工艺

功率半导体IGBT/SiC模块厂家分布格局（附名单）