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前言：隨電子技術(shù)發(fā)展，IGBT 模塊的小型化、集成化趨勢明顯。芯片“熱失效”問題也就出來了，“熱失效”導(dǎo)致的芯片（可比作人心臟）運(yùn)轉(zhuǎn)效率大大降低，從而進(jìn)一步影響整套設(shè)備的工作效率及可靠性。因此，選擇合適TIM材料給芯片降降溫是必選項(xiàng)?？茨壳?TIM 材料實(shí)則基本是復(fù)合材，也就是高分子基體?導(dǎo)熱填料，而導(dǎo)熱填料中氧化鋁（尤其是球形氧化鋁）因其具穩(wěn)定@相及批量化生產(chǎn)集成優(yōu)勢也成導(dǎo)熱填料中必優(yōu)選項(xiàng)。
一，IGBT 模塊介紹：
（網(wǎng)搜了一陣，總算找到一張比較合適圖片能基本講清 IGBT 模塊到底都有哪些構(gòu)成。因圖片來自網(wǎng)絡(luò)，所以圖片下還得備注：如侵權(quán)，告知立刪）
IGBT 模塊分別由散熱片、TIM 材、DBC 層、焊料層、芯片等構(gòu)成，簡單講，它是一個(gè)圍繞芯片的集成。 文字描述可寫：IGBT （絕緣柵雙極晶體管）是一種功率半導(dǎo)體器件，可廣泛用于軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)節(jié)能、電動(dòng)汽車和新能源裝備等領(lǐng)域，具有節(jié)能、安裝方便、維護(hù)方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)。它是能量轉(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（這實(shí)在有點(diǎn)文字化，不好記憶?。?/span> 重點(diǎn)：IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：依傳熱學(xué)原理，為功率器件設(shè)計(jì)熱阻盡可能低的通路，使器件的熱能盡快地散發(fā)出去。從而保證器件運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部溫度保持在允許溫度內(nèi)。 二，IGBT 模組熱傳設(shè)計(jì)中TIM 材料： 如上所寫，TIM 材是一復(fù)合材。其中導(dǎo)熱填料種類比較多，如常見的導(dǎo)熱填料主要包括碳材料、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，從而優(yōu)化聚合物的導(dǎo)熱性能。Cu、Al、Ag等金屬顆粒是常見的導(dǎo)熱填料，可以顯著提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率，具導(dǎo)熱高、形貌可控等優(yōu)點(diǎn)，然而，金屬顆粒的加入會(huì)降低復(fù)合材料的絕緣性能和介電擊穿電壓。因此，金屬顆粒不能作為電氣絕緣領(lǐng)域的填料。與金屬相比，碳基材料具有更高導(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)，但碳基材料的分散性是應(yīng)用中急需解決的問題。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杂呻娮樱瑐鳠嶂饕峭ㄟ^聲子進(jìn)行的，由于其固有的性能，在導(dǎo)熱和絕緣復(fù)合材料方面的應(yīng)用最為廣泛。其中，球形填料中如球形氧化鋁具較高的粘度滲透閾值和較低比表及優(yōu)異的可分散性，在TIM 材中不僅可以有效將填料表面的接觸點(diǎn)連接起來形成導(dǎo)熱通路，提高了傳熱效率，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，及導(dǎo)熱復(fù)合材料后續(xù)加工處理能力。 影響 TIM材中導(dǎo)熱填料因素有很多中，可歸納總結(jié)為以下幾點(diǎn)： 1，導(dǎo)熱填料本身熱導(dǎo)率；如SiO2(10 W/(m·K))、Al2O3(30 W/(m·K))、AlN(200 W/(m·K))、BN(300 W/(m·K))，這些都是陶瓷粉體材料，至于金屬材料及碳材料又或者碳化材料，之前文章有，這里省略。 2，導(dǎo)熱填料本身填料形貌和粒徑；形貌真有很多種，如球形、非球形、片狀形、樹杈形等，從晶格完整取向以減少聲子散射角度講，樹杈形熱導(dǎo)最好（持不同觀點(diǎn)，可聯(lián)系我并討論）粒徑的話，越大熱導(dǎo)越高。 其實(shí)，這條觀點(diǎn)，哪怕是真有持不同意見聯(lián)系，也不接受反駁啦，畢竟自身在粉體制造的上游端，還是得有一點(diǎn)發(fā)言權(quán)。 3，填料在 TIM 材的負(fù)載量、填料顆粒分散性和取向、界面熱阻；這三因素是從應(yīng)用端來看，負(fù)載量越大其熱導(dǎo)越高，分散及取向涉及導(dǎo)熱通道搭建是否合理，而導(dǎo)熱通道跟材料本身界面熱阻相關(guān)，界面熱阻越低，導(dǎo)熱效果越好。（見下圖） 另：由于無機(jī)填料分散在有機(jī)聚合物基體中，產(chǎn)生了大量填料/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好。如果不對(duì)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。 三，IGBT模塊中 TIM 材料制備（實(shí)驗(yàn)室用）： TIM 材有比較多種類，對(duì)比優(yōu)勢及使用便捷性推薦用 EP 導(dǎo)熱灌封膠，其制備過程如下； （這時(shí)大家可能會(huì)問，固化劑哪去了/改性劑怎么沒添加？這是因?yàn)楣袒瘎┮旹P 粘度定，初始粘度低，建議第二步就添加。另改性，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室測試用，所以沒做粉體改性） 四，結(jié)論： 1，用直接共混法，用機(jī)械攪拌、超聲分散、真空脫泡、高溫固化等方式制備的導(dǎo)熱灌封膠，工藝方法相對(duì)簡單。實(shí)際量產(chǎn)中可對(duì)填料含量進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到灌封膠料性能最優(yōu)。 2，隨氧化鋁填料增加，灌封膠的粘度也逐漸增大，但熱導(dǎo)率會(huì)逐漸上升。相對(duì)來講：氧化鋁粉體添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 80wt.%左右，復(fù)合材料除熱導(dǎo)外，力學(xué)性能比較優(yōu)異。 3，級(jí)配球形氧化鋁填料可解決復(fù)合材料的氣泡及分層問題，并降低逾滲閾值。大白話就是級(jí)配后的填料復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)熱通路逐漸搭接，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)逐步形成并完善。 4，更進(jìn)一步填充粉體材料填料，基膠基體連續(xù)性會(huì)被破壞，灌封膠拉伸強(qiáng)度，斷裂延伸率會(huì)下降，但復(fù)合材料熱穩(wěn)定性會(huì)提高，熱膨脹系數(shù)會(huì)降低。因此，粉體級(jí)配后使用是最優(yōu)項(xiàng)！
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2024-06-02
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