功率器件IGBT 用到的导热材料机理和作用

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来源：博授堂新材料

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以导热硅脂、导热相变材料等导热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），以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

1、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。

图 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。

2、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。

图 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。

1、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。

图 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。

2、相变导热材料

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。

图 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。资料来源：1.导热硅脂研究进展，叶宽，钟震，任天斌；

2.IGBT 不同导热材料导热性能研究，王坚，张迪德，古强；

3.IGBT在高功率环境中的散热方法，兰洋科技；4.IGBT导热硅脂涂敷工艺研究，黄庆，李强辉.

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