IGBT 不同導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱性能研究

熱設(shè)計(jì) 2022-05-09

0引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步,電氣產(chǎn)品的發(fā)展趨向于微型化和密集化,電子器件的功率及散熱要求也隨之增加?電子器件工作時(shí)散發(fā)的熱量如不能及時(shí)導(dǎo)出,易造成局部高溫,輕則影響電子器件使用壽命,重則影響器件的工作性能?目前IGBT功率器件上廣泛使用以導(dǎo)熱硅脂為代表的導(dǎo)熱材料,其目的在于填充安裝面與器件散熱面之間的間隙,避免高溫對(duì)器件的影響?導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能主要取決于導(dǎo)熱材料本身的熱導(dǎo)率以及接觸熱阻,但在實(shí)際使用中由于IGBT實(shí)際涂覆貼合程度不同,其導(dǎo)熱效果也有所不同,本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),模擬實(shí)際工況下的導(dǎo)熱情況,對(duì)比不同導(dǎo)熱材料之間的性能差異?

1 IGBT導(dǎo)熱材料特性及熱傳導(dǎo)原理

1.1 IGBT導(dǎo)熱材料特性

目前IGBT散熱使用的導(dǎo)熱材料主要是導(dǎo)熱硅脂,近幾年相變導(dǎo)熱材料在IGBT的導(dǎo)熱上才有一定的應(yīng)用空間?導(dǎo)熱硅脂在使用1-2年后會(huì)出現(xiàn)性能下降的問(wèn)題;而相變導(dǎo)熱材料除成本較高外,其耐久性?導(dǎo)熱性均較好,具有較大的市場(chǎng)潛力?

1.1.1導(dǎo)熱硅脂

導(dǎo)熱硅脂俗稱散熱膏,是以有機(jī)硅酮為主要原料,添加耐熱?導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料而制成的導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)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(shí)的脂膏狀態(tài)?而導(dǎo)熱硅脂的液體部分是由硅膠和硅油組成,市場(chǎng)上大部分產(chǎn)品是用二甲基硅油為原料,而二甲基硅油的沸點(diǎn)在140-180℃之間,易產(chǎn)生揮發(fā),在長(zhǎng)時(shí)間的使用后會(huì)產(chǎn)生硅油分離,影響導(dǎo)熱性能,同時(shí)線路板上會(huì)留有油脂痕跡?

1.1.2相變導(dǎo)熱材料

相變導(dǎo)熱材料也稱相變導(dǎo)熱膏,是利用聚合物技術(shù)以高性能的有機(jī)高分子材料為主體,以高導(dǎo)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(chǎn)生高熱量功率元器件間的熱量傳遞?

相變導(dǎo)熱材料的關(guān)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(jiān)固地用于散熱片或器件的表面?當(dāng)達(dá)到器件工作溫度時(shí)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(gè)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(yùn)輸和安裝,并且獲得類似于熱滑脂的性能?

此外,相變導(dǎo)熱材料另一大優(yōu)勢(shì)在于其穩(wěn)定性與耐久性,能夠在長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)和HAST試驗(yàn)后依然保持杰出的熱穩(wěn)定特性,并且其熱阻表現(xiàn)為降低趨勢(shì)?因此相比于導(dǎo)熱硅脂,相變導(dǎo)熱材料有助于提升IGBT這類電子器件裝配的整體耐久性?

1.2 IGBT熱傳導(dǎo)原理

圖1為IGBT熱傳導(dǎo)示意圖,IGBT外殼通過(guò)對(duì)流和輻射的形式與環(huán)境進(jìn)行的少量熱量交換可忽略不計(jì)?由圖可見,芯片內(nèi)損耗產(chǎn)生的熱能通過(guò)芯片傳到外殼底座,再由外殼將少量的熱量直接傳到環(huán)境中去(以對(duì)流和輻射的形式),而大部分熱量通過(guò)底座經(jīng)絕緣墊片直接傳到散熱器,最后由散熱器傳入空氣中?

1.3導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱原理

導(dǎo)熱材料在接觸面間熱流示意如圖2所示,該圖描述了在IGBT散熱面與散熱器表面存在加工不平整度以及粗糙度情況下微觀接觸的熱流情況?

在IGBT的熱傳導(dǎo)中,主要熱量依靠IGBT散熱面與散熱器表面的金屬接觸來(lái)傳遞,常用銅或鋁作為基底材料,其熱導(dǎo)率在200-300W/(m·K)之間?由于接觸面間的不平整度使間隙中存有一定空氣(圖2a),而空氣的熱導(dǎo)率僅為0.025W/(m·K),因此嚴(yán)重阻礙了熱傳導(dǎo);若將導(dǎo)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(圖2b),導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率一般在0.8-4W/(m·K)之間,其熱導(dǎo)率是空氣的32-160倍,雖然主要的熱傳導(dǎo)仍是由金屬之間的熱傳導(dǎo)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?

2導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)方案

目前對(duì)硅脂類材料導(dǎo)熱性能測(cè)試主要內(nèi)容有材料的熱導(dǎo)率和熱阻,其試驗(yàn)方法主要有熱流法和激光法,每種導(dǎo)熱材料在出廠時(shí)其相關(guān)參數(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)廠家測(cè)試,并配有相應(yīng)手冊(cè)進(jìn)行參數(shù)說(shuō)明?由于導(dǎo)熱材料實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的不同,其發(fā)揮的性能也有所差別,因此有必要對(duì)實(shí)際應(yīng)用工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證并對(duì)比各導(dǎo)熱材料的實(shí)際導(dǎo)熱性能?

2.1實(shí)驗(yàn)材料

為對(duì)比導(dǎo)熱硅脂之間的導(dǎo)熱性能,并研究導(dǎo)熱硅脂和相變導(dǎo)熱材料的性能差異,在此選取5種實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)材料及性能見表1,IGBT以英飛凌FF600R12ME4A_B11作為本次試驗(yàn)器件發(fā)熱源?

2.2實(shí)驗(yàn)方案

為模擬實(shí)際工況下IGBT的發(fā)熱散熱情況,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)直流電源為IGBT提供恒定電流,使IGBT在開通狀態(tài)下發(fā)熱,并將IGBT涂覆導(dǎo)熱材料安裝至散熱片上進(jìn)行風(fēng)冷散熱,以進(jìn)行恒定功率的熱量傳導(dǎo)及耗散?通過(guò)電流調(diào)節(jié)使IGBT產(chǎn)生不同的功耗,讀取IGBT的管壓降,計(jì)算當(dāng)前發(fā)熱功率?達(dá)到溫度平衡時(shí),通過(guò)熱成像儀采集熱圖并通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)熱圖進(jìn)行分析處理,以獲得一定功率熱傳導(dǎo)情況下的IGBT芯片結(jié)溫,進(jìn)而得到不同發(fā)熱量功率下的溫度曲線,找出導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能差異?試驗(yàn)原理框圖如圖3所示?

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

a. 將試驗(yàn)用的IGBT內(nèi)部凝膠清除并涂黑?

b. 打開風(fēng)機(jī),固定風(fēng)速,記錄室溫?

c. 用酒精擦洗IGBT模塊散熱面及散熱板表面,用鋼網(wǎng)在IGBT散熱面上均勻涂覆導(dǎo)熱材料,導(dǎo)熱材料涂覆如圖4所示?

d. 用IGBT螺釘?1.5Nm力矩將涂覆后的IGBT安裝到散熱片上,間隔5min后再以3.5Nm的力矩緊固IGBT螺釘?

e. 通過(guò)+15V柵極電壓使IGBT導(dǎo)通,并打開IGBT直流電源開關(guān),設(shè)定電源輸出電流的大小?

f. 待達(dá)到功率平衡溫度后用熱成像儀采集IGBT熱圖,并通過(guò)熱圖處理軟件獲取芯片結(jié)溫,芯片結(jié)溫獲取如圖5所示?

g. 每升高50A直流電流測(cè)量記錄不同功率下的各組數(shù)據(jù),直到IGBT結(jié)溫接近125℃,停止升高電流?

h. 關(guān)閉電源,卸下IGBT,更換待實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)熱材料,從步驟c開始重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,直至各材料完成實(shí)驗(yàn)?

3導(dǎo)熱材料性能對(duì)比

3.1熱導(dǎo)率影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)記錄的IGBT在不同發(fā)熱功率情況下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行繪制并擬合成曲線,各材料結(jié)溫曲線如圖6所示?

由圖6可以看出,導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能由高到低,即芯片結(jié)溫從低到高依次是導(dǎo)熱硅脂2號(hào),相變材料2號(hào),相變材料1號(hào),導(dǎo)熱硅脂1號(hào),導(dǎo)熱硅脂3號(hào)?將各導(dǎo)熱材料與導(dǎo)熱硅脂1號(hào)進(jìn)行不同發(fā)熱功率下的溫度對(duì)比,結(jié)點(diǎn)溫差對(duì)比如圖7所示?

3.2涂覆效果影響

由于此次試驗(yàn)使用的三種硅脂?兩種相變導(dǎo)熱材料的粘度是不同的,所以其涂覆后拆下的效果也有所區(qū)別,涂覆效果如圖8所示?

由圖8可見,由于導(dǎo)熱硅脂3號(hào)的粘度較高,不僅加大了絲網(wǎng)印刷的難度,而且在相同的壓力下硅脂的擴(kuò)散和覆蓋效果較差,大部分硅脂仍處于絲網(wǎng)涂覆的網(wǎng)點(diǎn)狀態(tài),無(wú)法較好地填充接觸面空隙,降低了其散熱效果?而兩款相變導(dǎo)熱材料在黏性狀態(tài)下用鋼網(wǎng)工裝直接濕涂,均能達(dá)到較好的貼合效果?

3.3試驗(yàn)結(jié)果

由導(dǎo)熱硅脂的橫向?qū)Ρ瓤梢?/span>,在實(shí)際工況下散熱效果與導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率滿足正比關(guān)系,熱導(dǎo)率較高的導(dǎo)熱硅脂2號(hào)相比于其他兩款導(dǎo)熱硅脂結(jié)溫下降率明顯,最大達(dá)到了5.0%的溫差?

兩款相變導(dǎo)熱材料之間的導(dǎo)熱性能差異也與其導(dǎo)熱率的差異成正比?此外在濕涂的條件下,相變導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱效果仍優(yōu)于導(dǎo)熱硅脂1號(hào)的性能?

導(dǎo)熱硅脂2號(hào)的應(yīng)用效果超出了預(yù)期目標(biāo),甚至比兩款相變導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱效果還好,這是由于硅脂在絲網(wǎng)濕涂工藝中的適用性更強(qiáng)?對(duì)于相變導(dǎo)熱材料而言,需要一段時(shí)間的預(yù)熱和足夠的壓緊力使其軟化并填充空隙,并且相變材料的優(yōu)勢(shì)在于隨著循環(huán)次數(shù)和工作時(shí)間的增加,其熱阻呈降低趨勢(shì)?

導(dǎo)熱硅脂3號(hào)由于其粘度較高,不利于硅脂的擴(kuò)散和覆蓋,因此盡管其材料熱導(dǎo)率高于導(dǎo)熱硅脂1號(hào),但由于接觸面間填充效果不佳,實(shí)際應(yīng)用效果并未達(dá)到預(yù)期要求?

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的分析可以看出,對(duì)于IGBT的導(dǎo)熱材料而言,其實(shí)際應(yīng)用的導(dǎo)熱性能受涂覆效果的影響較大,合適的粘度才能較好地發(fā)揮導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能;導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能也與其材料本身熱導(dǎo)率成正比,選取合適粘度的高熱導(dǎo)率材料更有利于IGBT散熱?相變導(dǎo)熱材料在實(shí)際工況的實(shí)驗(yàn)中散熱效果較佳,用絲網(wǎng)的濕涂印刷工藝進(jìn)行涂覆能較好地發(fā)揮其性能,考慮其耐久性較好的特點(diǎn),應(yīng)在IGBT的散熱方面擴(kuò)大應(yīng)用?