隨著現代電子技術的進步與發展，電子產品的發展趨向于微型化和密集化，電子器件的功率計散熱要求也隨之增加。電子器件工作時散發的熱量如不能及時導出，會嚴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熱硅脂、導熱相變材料等導熱界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），以填充安裝面與器件散熱面之間的間隙，避免高溫對器件的影響。

1#

IGBT導熱機理及導熱材料的作用

1.1

IGBT的導熱機理

根據?IGBT?熱傳導示意圖所示，芯片內損耗產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境中去（以對流和輻射的形式），而大部分熱量通過底座經絕緣墊片直接傳到散熱器，最后由散熱器傳入空氣中。

圖1 IGBT熱傳導示意圖

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

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

由此可見，結殼熱阻?Rj-c?和散熱器熱阻?Rs-a?是由?IGBT?自身結構以及功率器件整體散熱方案決定的，導熱材料的作用在于減小接觸熱阻?Rc-s，進而降低整體散熱的總熱阻。

圖2 IGBT剖面圖

大部分的IGBT功率模塊的失效原因都與熱量有關，因此，可靠的熱管理是保障IGBT長期使用的當務之急。功率器件與散熱器之間存在的空氣間隙會產生非常大的接觸熱阻，顯著增大兩個界面之間的溫差。為了確保IGBT模塊高效、安全和穩定地工作，對其熱管理技術也是新型產品設計和應用的最重要環節。

1.2

導熱材料的作用

在?IGBT?的熱傳導中，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，而空氣的熱導率僅為?0.025 W/（m·K），因此嚴重阻礙了熱傳導。若將導熱材料先涂覆至?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，導熱材料的熱導率一般在?0.8-4 W/（m·K）之間，其熱導率是空氣的?32-160倍，雖然主要的熱傳導仍是由金屬之間的熱傳導完成，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3 接觸面間熱流示意圖

隨著IGBT向高功率和高集成度方向發展，對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能力，還要兼顧生產中的工藝、維護操作性及長期可靠性。

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IGBT導熱材料的特性

導熱界面材料可有效幫助功率模塊實現散熱，延長使用壽命。目前?IGBT?散熱使用的導熱材料主要是導熱硅脂、相變導熱材料。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。

2.1

導熱硅脂

導熱硅脂（又稱散熱膏）因其表面潤濕性好，接觸熱阻低，最早作為TIM?應用在IGBT?模塊，是一種膏狀的熱界面導熱材料，以有機硅酮為主要原料，添加耐熱、導熱性能優異的材料而制成的導熱型有機硅脂狀復合物，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的脂膏狀態。不過導熱硅脂在使用?1-2?年后會出現性能下降的問題。

圖1 ?IGBT涂覆導熱硅脂，圖片來源：斯達半導體

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

2.2

相變導熱材料

相變導熱材料也稱相變導熱膏，是利用聚合物技術以高性能的有機高分子材料為主體，以高導熱性材料、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生高熱量功率元器件間的熱量傳遞。

圖2 SEMiX 3 Press-Fit基板的彎曲線條和優化的TIM層，圖片來源：賽米控

相變導熱材料的關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固地用于散熱片或器件的表面。當達到器件工作溫度時相變材料變軟，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，便于運輸和安裝，并且獲得類似于熱滑脂的性能。

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

審核編輯：黃飛

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