功率器件IGBT用到的导热材料机理和作用

随着现代电子技术的进步与发展，电子产品的发展趋向于微型化和密集化，电子器件的功率计散热要求也随之增加。电子器件工作时散发的热量如不能及时导出，会严重影响电子器件的性能和寿命。目前 IGBT 功率器件上广泛使用以导热硅脂、导热相变材料等导热界面材料 （Thermal Interface Materials，TIM） ，以填充安装面与器件散热面之间的间隙，避免高温对器件的影响。

图1 IGBT热传导示意图

从芯片至环境的总热阻由三部分组成，即芯片至管壳的结壳热阻 Rj-c ，管壳至散热器的 接触热阻 Rc-s ，散热器至环境的散热器热阻 Rs-a ，总热阻由下式计算：

Rj-a=Rj-c+Rc-s+Rs-a

由此可见，结壳热阻 Rj-c 和散热器热阻 Rs-a 是由 IGBT 自身结构以及功率器件整体散热方案决定的，导热材料的作用在于减小接触热阻 Rc-s ，进而降低整体散热的总热阻。

图2 IGBT剖面图

大部分的 IGBT 功率模块的失效原因都与热量有关，因此，可靠的热管理是保障 IGBT 长期使用的当务之急。功率器件与散热器之间存在的空气间隙会产生非常大的接触热阻，显著增大两个界面之间的温差。为了确保 IGBT 模块高效、安全和稳定地工作，对其热管理技术也是新型产品设计和应用的最重要环节。

在 IGBT 的热传导中，主要热量依靠 IGBT 散热面与散热器表面的金属接触来传递，常用铜或铝作为基底材料。由于接触面间的不平整度使间隙中存有一定空气，而空气的热导率仅为 0.025 W/（m·K） ，因此严重阻碍了热传导。若将导热材料先涂覆至 IGBT 散热面表面，在装配及螺钉紧固力的作用下，挤出接触面间的空气并将间隙填充，导热材料的热导率一般在 0.8-4 W/（m·K） 之间，其热导率是空气的 32-160 倍，虽然主要的热传导仍是由金属之间的热传导完成，但能够较好地改善接触面间的热流传递情况，减小热阻，提高散热效率。

图3 接触面间热流示意图

随着 IGBT 向高功率和高集成度方向发展，对 TIM 提出了更高的要求，如低热阻及长期使用的可靠性。合理的选择 TIM ，不仅要考虑其热传导能力，还要兼顾生产中的工艺、维护操作性及长期可靠性。

导热硅脂（又称散热膏）因其表面润湿性好，接触热阻低，最早作为 TIM 应用在 IGBT 模块，是一种膏状的热界面导热材料，以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料而制成的导热型有机硅脂状复合物，具有低油离度、耐高低温、耐水、臭氧、耐气候老化等特性，可在 -50 ℃ 至 +230 ℃ 的温度下保持使用时的脂膏状态。不过导热硅脂在使用 1-2 年后会出现性能下降的问题。