PDF《导热硅脂涂布的探讨》

嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.

1 Application Note AN7010 V0.0 导热硅脂涂布的探讨 编写:陈浩 审阅:Norman Day 前言: IGBT 模块做为现在电控行业中最核心的部件之一,因而其应用设计和一 直都受到用户的广泛关注, 特别是对于模块散热的设计. 事实上模块的平整性, 安装时与散热器的接触状况,封装中陶瓷的材质,焊料的厚度,内部气孔率等 多方面因素都会影响到 IGBT 的散热.下文我们就从安装时的导热硅脂出发, 探讨导热硅脂涂布与模块散热的关系. 模块热分析: 模块内部的芯片结构示意图如图一所示. 图1模块内部的芯片结构示意图 图1中红色箭头表示模块在工作时,芯片的热传递.从图中可以看出,芯 片工作产生热传递到铜基板需要经过焊锡、铜层、陶瓷绝缘板、铜层、焊锡五 层,此五层材料都会贡献热阻,阻碍散热效果,特别是陶瓷绝缘板,因为其热 传导系数低(该状态下 K=24w/k/m 左右),且厚度大于其余接触层,所以其对 散热的阻碍效果相对其他层更为明显. 特别需要注意的是在这五层中的气孔率 也会一定程度上阻碍散热效果. 2011―09―23 嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.

2 Application Note AN7010 V0.0 图2模块内部结构分布示意图 图3工作模块内部热分布色彩示意图 图2为我司模块 GD40PIK120C5 模块内部结构分布示意图,图3为该模 块正常工作时内部热分布色彩示意图.通过图

2 和图

3 的对比,可以判断模块 的热分布为阶梯状分布,芯片的分布及其相对密集度直接决定了热分布情况. 一般模块的应用都是安装于大型散热器上, 如何才能做好与散热器的接触并保 证模块更好的散热是一个很关键的工序, 下面便针对这个接面的处理作进一步 的探讨. 导热硅脂涂布的必须性: 在一般人的认识中, 安装面平整的散热器和底板平整的模块组成的系统接 触是最好的,其实这是最常见的一种误区. 嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.

3 Application Note AN7010 V0.0 图4模块安装受力分析图 首先,模块在安装过程中会受力变形,影响面的平整性.如图

4 所示,蓝 色箭头表示模块底板受到由安装螺丝产生的向下的力, 绿色箭头表示模块底板 受到由散热器和导热硅脂对模块底板挤压造成的向上的力, 由于所受力的点不 一致,从而导致模块底板的变形.对此,我司模块均采用预弯技术,保证模块 在安装的吻合性和接触性. 其次,散热器和模块底板表面裸眼观察是平整光滑的平面,其实用放大镜 检视,可以看到金属表面许多坑坑洼洼的条纹和不规则坑道,导致接触面中间 有许多罅隙,这些罅隙如果由空气来填充,该状态下空气的热传导系数为 0.007w/k/m 左右,导热效果会很差.而如果使用导热硅脂能够填满这些罅隙, 该状态下导热硅脂的热传导系数是 1w/k/m 左右, 远远大于空气的热传导系数, 则会大幅改善传热的效果. 最理想的状态是模块底面上涂抹的导热硅脂刚好填补各个罅隙, 而不影响 金属的接触,但这样的想法基本上是不可能实现的,所只能尽量优化导热硅脂 的效果,下面则通过实验来寻找个实际可行的方法于条件. 导热硅脂验证: 为了验证导热硅脂涂抹对散热的作用,本文采用模块实际安装的方法,进 行温升测试.为了更好的表现导热硅脂的影响,我们将模块进行铣平处理,使 模块的底面不平整性加大, 如图 5, 铣平模块样品测试的凹凸度大于

5 丝以上. 实验情况如下: 嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.

4 Application Note AN7010 V0.0 图5铣平模块底面图 测试环境及要求: 本测试均在电机拖动实验室进行,运用设备主要有变频器(ALPHA6000-37R8GB) ,11KW 滑差电机(YCT225-4A),热电偶及 XMJ-J 系列巡回检测仪,稳压源(SAKO) ,模块(GD40PIK120C5S) ,共同参数有 门极电阻 RG=15?,输出电流 Io=17A,载频 Fw=8kHZ. 在本次测试中,为了凸显导热硅脂的相对效果,导热硅脂的涂布方式主要 有三种. 方式一:导热硅脂均匀涂于模块底面,其成半透明装,部分模块底面模糊 可见.厚度≤10 丝.如图 6.1. 方式二:导热硅脂均匀涂于模块底面,模块底面不可见,且厚度适中.10 丝