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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,。看目前 TIM 材料實則基本是復(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。
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,、電動汽車和新能源裝備等領(lǐng)域,，具有節(jié)能、安裝方便,、維護方便,、散熱穩(wěn)定等特點。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（這實在有點文字化,，不好記憶啊） 重點：IGBT 模塊散熱設(shè)計的基本任務(wù)是：依傳熱學(xué)原理,，為功率器件設(shè)計熱阻盡可能低的通路,，使器件的熱能盡快地散發(fā)出去。從而保證器件運行時的內(nèi)部溫度保持在允許溫度內(nèi),。 二,，IGBT 模組熱傳設(shè)計中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，然而,，金屬顆粒的加入會降低復(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?，傳熱主要是通過聲子進(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： 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，可聯(lián)系我并討論）粒徑的話,，越大熱導(dǎo)越高,。 其實，這條觀點,，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：由于無機填料分散在有機聚合物基體中,，產(chǎn)生了大量填料/聚合物界面，由于無機顆粒與聚合物的性質(zhì)不同,，兩種材料的界面相容性不好,。如果不對顆粒表面進(jìn)行改性處理，聚合物中易產(chǎn)生團聚體,，直接影響無機顆粒的分散,，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（實驗室用）： TIM 材有比較多種類,，對比優(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,； （這時大家可能會問,，固化劑哪去了/改性劑怎么沒添加？這是因為固化劑要視EP 粘度定,，初始粘度低,，建議第二步就添加,。另改性，是因為實驗室測試用,，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，工藝方法相對簡單,。實際量產(chǎn)中可對填料含量進(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)率會逐漸上升。相對來講：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)性會被破壞，灌封膠拉伸強度,，斷裂延伸率會下降,，但復(fù)合材料熱穩(wěn)定性會提高，熱膨脹系數(shù)會降低,。因此,，粉體級配后使用是最優(yōu)項！
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2024-06-02
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