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技術(shù)中心

球形氧化鋁粉體在 IGBT模塊上的散熱應(yīng)用
2024-06-02     來源:貴州思飛新材有限公司   >>進入該公司展臺 

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)

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IGBT模塊示意圖(圖片來源:網(wǎng)搜圖,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杂呻娮樱瑐鳠嶂饕峭ㄟ^聲子進行的,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。

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TIM 材制備示意圖(圖片來源:網(wǎng)搜圖,如侵權(quán),告知立刪,)

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)

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導(dǎo)熱示意圖(圖片來源:網(wǎng)搜圖,如侵權(quán),告知立刪)

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;

1,按 10:3 的質(zhì)量比稱取一定質(zhì)量的環(huán)氧樹脂和固化劑。
2,手工攪拌 5 min ,或低速機械攪拌(< 200 rpm)2 min。
3,按比例稱相應(yīng)質(zhì)量的球形氧化鋁(型號選自產(chǎn)自銷LAW-2、LAW-5、LAW-40),用機械中速攪拌。建議參數(shù):(400-500 rpm)20 min。
4,超聲分散,這環(huán)節(jié)可進一步將漿料均勻分散并消除一部分氣泡,后再放干燥箱常溫脫泡,哪怕沒有新氣泡產(chǎn)生也建議再保持真空 10 min
5,刮掉杯壁和漿料表面浮泡,倒入硅膠模具,送入烘箱固化,建議參數(shù): 80℃,4 h  。

(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)

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球形氧化鋁圖(圖片來源:自主版權(quán),如盜用必究)

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)中可對填料含量進行調(diào)控以達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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