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     隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，IGBT模塊的小型化和集成化趨勢愈發(fā)明顯。這種趨勢帶來了芯片“熱失效”的問題，降低了芯片的運行效率，進(jìn)而影響整個設(shè)備的工作效率和可靠性。因此，選擇合適的TIM材料來降低芯片溫度變得尤為重要。目前，TIM材料基本上是復(fù)合材料，由高分子基體和導(dǎo)熱填料組成。在導(dǎo)熱填料中，球形氧化鋁因其穩(wěn)定的相和批量化生產(chǎn)集成優(yōu)勢，成為了首選。

      IGBT模塊由散熱片、TIM材料、DBC層、焊料層和芯片等組成，簡單來說，就是圍繞芯片的一個集成系統(tǒng)。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是一種功率半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)節(jié)能、電動汽車和新能源裝備等領(lǐng)域。它具有節(jié)能、安裝方便、維護(hù)方便和散熱穩(wěn)定等特點，是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵难b置。IGBT可以說是MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和BJT（雙極結(jié)型晶體管）的結(jié)合體。

       IGBT模塊的散熱設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)傳熱學(xué)原理，為功率器件設(shè)計一個熱阻盡可能低的通路，以便快速散發(fā)器件的熱能，保證器件運行時的內(nèi)部溫度保持在允許范圍內(nèi)。TIM材料是一種復(fù)合材料，其中的導(dǎo)熱填料種類繁多，包括碳材料、金屬顆粒及其氧化物、氮化物等。這些材料可以在基體中形成良好的導(dǎo)熱通道，從而提高聚合物的導(dǎo)熱性能。Cu、Al、Ag等金屬顆粒是常見的導(dǎo)熱填料，它們能顯著提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，但會降低復(fù)合材料的絕緣性能和介電擊穿電壓。因此，金屬顆粒不能用作電氣絕緣領(lǐng)域的填料。與金屬相比，碳基材料具有更高的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和低的熱膨脹系數(shù)，如石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維、金剛石等。

       碳基填料在較低負(fù)荷下更容易獲得較高的導(dǎo)熱系數(shù)，但其分散性是應(yīng)用中需要解決的問題。

       陶瓷填料主要包括氧化物填料、氮化物填料和碳化物填料，它們?nèi)狈ψ杂呻娮?，傳熱主要通過聲子進(jìn)行，因此在導(dǎo)熱和絕緣復(fù)合材料方面應(yīng)用最為廣泛。

       球形填料如球形氧化鋁具有較高的粘度滲透閾值和較低比表面積，以及優(yōu)異的可分散性，在TIM材料中不僅可以有效連接填料表面的接觸點形成導(dǎo)熱通路，提高傳熱效率，還可以增加復(fù)合材料的強(qiáng)度，降低應(yīng)力集中的可能性，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，以及提高導(dǎo)熱復(fù)合材料的后續(xù)加工處理能力。

影響TIM材料中導(dǎo)熱填料性能的因素有很多，可以歸納為以下幾點：

       1. 導(dǎo)熱填料本身的熱導(dǎo)率，如SiO2(10 W/(m·K))、Al2O3(30 W/(m·K))、AlN(200 W/(m·K))、BN(300 W/(m·K))等陶瓷粉體材料。

       2. 導(dǎo)熱填料的形貌和粒徑，形貌包括球形、非球形、片狀形、樹杈形等。從晶格完整取向以減少聲子散射的角度來看，樹杈形的熱導(dǎo)最好。粒徑越大，熱導(dǎo)越高。

       3. 填料在TIM材料中的負(fù)載量、填料顆粒的分散性和取向、界面熱阻。負(fù)載量越大，熱導(dǎo)越高；分散性和取向涉及導(dǎo)熱通道搭建的合理性；界面熱阻越低，導(dǎo)熱效果越好。

       由于無機(jī)填料分散在有機(jī)聚合物基體中，會產(chǎn)生大量填料/聚合物界面。由于無機(jī)顆粒與聚合物的性質(zhì)不同，兩種材料的界面相容性不佳。如果不對顆粒表面進(jìn)行改性處理，聚合物中易產(chǎn)生團(tuán)聚體，直接影響無機(jī)顆粒的分散，從而降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

       為了解決這個問題，可以采用以下方法：

1. 直接共混法，通過機(jī)械攪拌、超聲分散、真空脫泡、高溫固化等方式制備導(dǎo)熱灌封膠。這種方法工藝簡單，實際量產(chǎn)中可以調(diào)控填料含量以達(dá)到最優(yōu)性能。

2. 隨著氧化鋁填料的增加，灌封膠的粘度逐漸增大，但熱導(dǎo)率逐漸上升。氧化鋁粉體添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80wt.%左右時，復(fù)合材料的熱導(dǎo)和力學(xué)性能都比較優(yōu)異。

3. 采用級配球形氧化鋁填料可以解決復(fù)合材料的氣泡和分層問題，并降低逾滲閾值。級配后的填料可以使復(fù)合材料內(nèi)部的導(dǎo)熱通路逐漸搭接，形成并完善導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

4. 進(jìn)一步填充粉體材料填料會破壞基膠基體的連續(xù)性，導(dǎo)致灌封膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率下降，但可以提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和降低熱膨脹系數(shù)。因此，粉體級配后使用是最優(yōu)選擇。

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