球形氧化铝粉体在 IGBT模块上的散热应用

思飞新材 2024-06-02 | 阅读：689

前言：随电子技术发展，IGBT 模块的小型化、集成化趋势明显。芯片“热失效”问题也就出来了，“热失效”导致的芯片（可比作人心脏）运转效率大大降低，从而进一步影响整套设备的工作效率及可靠性。因此，选择合适TIM材料给芯片降降温是必选项。看目前 TIM 材料实则基本是复合材，也就是高分子基体➕导热填料，而导热填料中氧化铝（尤其是球形氧化铝）因其具稳定@相及批量化生产集成优势也成导热填料中必优选项。

一，IGBT 模块介绍：

（网搜了一阵，总算找到一张比较合适图片能基本讲清 IGBT 模块到底都有哪些构成。因图片来自网络，所以图片下还得备注：如侵权，告知立删）

IGBT模块示意图（图片来源：网搜图，如侵权，告知立删）

IGBT 模块分别由散热片、TIM 材、DBC 层、焊料层、芯片等构成，简单讲，它是一个围绕芯片的集成。

文字描述可写：IGBT （绝缘栅双极晶体管）是一种功率半导体器件，可广泛用于轨道交通、智能电网、工业节能、电动汽车和新能源装备等领域，具有节能、安装方便、维护方便、散热稳定等特点。它是能量转换和传输的核心装置。IGBT可以说是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极结型晶体管）的结合体（这实在有点文字化，不好记忆啊）

重点：IGBT 模块散热设计的基本任务是：依传热学原理，为功率器件设计热阻尽可能低的通路，使器件的热能尽快地散发出去。从而保证器件运行时的内部温度保持在允许温度内。

二，IGBT 模组热传设计中TIM 材料：

如上所写，TIM 材是一复合材。其中导热填料种类比较多，如常见的导热填料主要包括碳材料、金属颗粒及其氧化物、氮化物等。

这些材料可以在基体中形成良好的导热通道，从而优化聚合物的导热性能。Cu、Al、Ag等金属颗粒是常见的导热填料，可以显著提高复合材料热导率，具导热高、形貌可控等优点，然而，金属颗粒的加入会降低复合材料的绝缘性能和介电击穿电压。因此，金属颗粒不能作为电气绝缘领域的填料。与金属相比，碳基材料具有更高导热性、耐腐蚀性和低的热膨胀系数，如石墨、石墨烯, 、碳纳米管、碳纤维、金刚石等。碳基填料在较低负荷下更容易获得较高的导热系数，但碳基材料的分散性是应用中急需解决的问题。陶瓷填料主要包括氧化物填料、氮化物填料和碳化物填料，它们缺乏自由电子，传热主要是通过声子进行的，由于其固有的性能，在导热和绝缘复合材料方面的应用最为广泛。其中，球形填料中如球形氧化铝具较高的粘度渗透阈值和较低比表及优异的可分散性，在TIM 材中不仅可以有效将填料表面的接触点连接起来形成导热通路，提高了传热效率，还可以增加复合材料的强度，降低应力集中的可能性，改善复合材料的力学性能，及导热复合材料后续加工处理能力。

TIM 材制备示意图（图片来源：网搜图，如侵权，告知立删，）

影响 TIM材中导热填料因素有很多中，可归纳总结为以下几点：

1，导热填料本身热导率；如SiO2(10 W/(m·K))、Al2O3(30 W/(m·K))、AlN(200 W/(m·K))、BN(300 W/(m·K))，这些都是陶瓷粉体材料，至于金属材料及碳材料又或者碳化材料，之前文章有，这里省略。

2，导热填料本身填料形貌和粒径；形貌真有很多种，如球形、非球形、片状形、树杈形等，从晶格完整取向以减少声子散射角度讲，树杈形热导最好（持不同观点，可联系我并讨论）粒径的话，越大热导越高。

其实，这条观点，哪怕是真有持不同意见联系，也不接受反驳啦，毕竟自身在粉体制造的上游端，还是得有一点发言权。

3，填料在 TIM 材的负载量、填料颗粒分散性和取向、界面热阻；这三因素是从应用端来看，负载量越大其热导越高，分散及取向涉及导热通道搭建是否合理，而导热通道跟材料本身界面热阻相关，界面热阻越低，导热效果越好。（见下图）

导热示意图（图片来源：网搜图，如侵权，告知立删）

另：由于无机填料分散在有机聚合物基体中，产生了大量填料/聚合物界面，由于无机颗粒与聚合物的性质不同，两种材料的界面相容性不好。如果不对颗粒表面进行改性处理，聚合物中易产生团聚体，直接影响无机颗粒的分散，从而降低复合材料的导热性能。

三，IGBT模块中 TIM 材料制备（实验室用）：

TIM 材有比较多种类，对比优势及使用便捷性推荐用 EP 导热灌封胶，其制备过程如下；

1，按 10:3 的质量比称取一定质量的环氧树脂和固化剂。

2，手工搅拌 5 min ，或低速机械搅拌（< 200 rpm）2 min。

3，按比例称相应质量的球形氧化铝（型号选自产自销LAW-2、LAW-5、LAW-40），用机械中速搅拌。建议参数：（400-500 rpm）20 min。

4，超声分散，这环节可进一步将浆料均匀分散并消除一部分气泡，后再放干燥箱常温脱泡，哪怕没有新气泡产生也建议再保持真空 10 min

5，刮掉杯壁和浆料表面浮泡，倒入硅胶模具，送入烘箱固化，建议参数： 80℃，4 h 。

（这时大家可能会问，固化剂哪去了/改性剂怎么没添加？这是因为固化剂要视EP 粘度定，初始粘度低，建议第二步就添加。另改性，是因为实验室测试用，所以没做粉体改性）

球形氧化铝图（图片来源：自主版权，如盗用必究）

四，结论：

1，用直接共混法，用机械搅拌、超声分散、真空脱泡、高温固化等方式制备的导热灌封胶，工艺方法相对简单。实际量产中可对填料含量进行调控以达到灌封胶料性能最优。

2，随氧化铝填料增加，灌封胶的粘度也逐渐增大，但热导率会逐渐上升。相对来讲：氧化铝粉体添加的质量分数在 80wt.%左右，复合材料除热导外，力学性能比较优异。

3，级配球形氧化铝填料可解决复合材料的气泡及分层问题，并降低逾渗阈值。大白话就是级配后的填料复合材料内部导热通路逐渐搭接，导热网络逐步形成并完善。

4，更进一步填充粉体材料填料，基胶基体连续性会被破坏，灌封胶拉伸强度，断裂延伸率会下降，但复合材料热稳定性会提高，热膨胀系数会降低。因此，粉体级配后使用是最优项！