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不同性能的导热界面材料在IGBT 上的散热研究

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不同性能的导热界面材料在IGBT 上的散热研究

发布日期:2019-12-26 作者:科士华 点击:

目前 IGBT 散热使用的导热材料主要是导热硅脂,近几年相变导热材料在 IGBT 的导热上才有一定的应用空间。导热硅脂在使用 1- 2 年后会出现性能下降的问题;而相变导热材料除成本较高外,其耐久性、导热性均较好,具有较大的市场潜力。

图 1 为 IG B T 热传导示意图,IG B T 外壳通过对流和辐射的形式与环境进行的少量热量交换可忽略不计。由图可见,芯片内损耗产生的热能通过芯片传到外壳底座,再由外壳将少量的热量直接传到环境中去(以对流和辐射的形式),而大部分热量通过底座经绝缘垫片直接传到散热器,最后由散热器传入空气中。

热传导

在 IG B T 的热传导中,主要热量依靠 IG B T 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,其热导率在 2 0 0 - 3 0 0 W / (m·K)之间。由于接触面间的不平整度使间隙中存有一定空气(图 2 a),而空气的热导率仅为 0 .0 2 5 W / (m·K),因此严重阻碍了热传导;若将导热材料先涂覆至 IG B T 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(图 2 b),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 3 2 - 1 6 0 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。

为对比导热硅脂之间的导热性能,在此选取 3 种实验材料进行试验,实验材料及性能见表 1 ,IG B T 以英飞凌F F 6 0 0 R 1 2 M E 4 A _ B 1 1 作为本次试验器件发热源。

导热材料性能

实验方案为模拟实际工况下 IG B T 的发热散热情况,本实验通过直流电源为 IG B T 提供恒定电流,使 IG B T 在开通状态下发热,并将 IG B T 涂覆导热材料安装至散热片上进行风冷散热,以进行恒定功率的热量传导及耗散。通过电流调节使 IG B T 产生不同的功耗,读取 IG B T 的管压降,计算当前发热功率。达到温度平衡时,通过热成像仪采集热图并通过相应软件对热图进行分析处理,以获得一定功率热传导情况下的IG B T 芯片结温,进而得到不同发热量功率下的温度曲线,找出导热材料的导热性能差异。试验原理框图如图 3 所示。

导热原理

实验步骤a . 将试验用的 IG B T 内部凝胶清除并涂黑。b . 打开风机,固定风速,记录室温。c . 用酒精擦洗 IG B T 模块散热面及散热板表面,用钢网在 IG B T 散热面上均匀涂覆导热材料 [3 - 4] ,导热材料涂覆如图 4 所示。d . 用 IG B T 螺钉、1 .5 N m 力矩将涂覆后的 IG B T安装到散热片上,间隔 5 m in 后再以 3 .5 N m 的力矩紧固 IG B T 螺钉 [5] 。e . 通过+ 1 5 V 栅极电压使 IG B T 导通,并打开IG B T 直流电源开关,设定电源输出电流的大小。f. 待达到功率平衡温度后用热成像仪采集 IG B T热图,并通过热图处理软件获取芯片结温,芯片结温获取如图 5 所示。g . 每升高 5 0 A 直流电流测量记录不同功率下的各组数据,直到 IG B T 结温接近1 2 5 ℃ ,停止升高电流。h . 关闭电源,卸下 IG B T ,更换待实验的导热材料,从步骤 c 开始重复实验过程,直至各材料完成实验。

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导热材料性能对比

热导率影响对实验记录的 IG B T 在不同发热功率情况下的结温数据点进行绘制并拟合成曲线,各材料结温曲线如图 6 所示。

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由图 6 可以看出,导热材料的导热性能由高到低,即芯片结温从低到高依次是导热硅脂 2 号,相变材料2 号,相变材料1 号,导热硅脂1 号,导热硅脂3 号。将各导热材料与导热硅脂 1 号进行不同发热功率下的温度对比,结点温差对比如图 7 所示。

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涂覆效果影响由于此次试验使用的三种硅脂、两种相变导热材料的粘度是不同的,所以其涂覆后拆下的效果也有所区别,涂覆效果如图 8 所示。

导热硅脂效果

由图 8 可见,由于导热硅脂 3 号的粘度较高,不仅加大了丝网印刷的难度,而且在相同的压力下硅脂的扩散和覆盖效果较差,大部分硅脂仍处于丝网涂覆的网点状态,无法较好地填充接触面空隙,降低了其散热效果。而两款相变导热材料在黏性状态下用钢网工装直接湿涂,均能达到较好的贴合效果。

试验结果

由导热硅脂的横向对比可见,在实际工况下散热效果与导热材料的热导率满足正比关系,热导率较高的导热硅脂 2 号相比于其他两款导热硅脂结温下降率明显,最大达到了 5 .0 % 的温差。

两款相变导热材料之间的导热性能差异也与其导热率的差异成正比。此外在湿涂的条件下,相变导热材料的导热效果仍优于导热硅脂 1 号的性能。

导热硅脂 2 号的应用效果超出了预期目标,甚至比两款相变导热材料的导热效果还好,这是由于硅脂在丝网湿涂工艺中的适用性更强。对于相变导热材料而言,需要一段时间的预热和足够的压紧力使其软化并填充空隙,并且相变材料的优势在于随着循环次数和工作时间的增加,其热阻呈降低趋势。

导热硅脂

导热硅脂 3 号由于其粘度较高,不利于硅脂的扩散和覆盖,因此尽管其材料热导率高于导热硅脂 1 号,但由于接触面间填充效果不佳,实际应用效果并未达到预期要求。

结束语

通过以上的分析可以看出,对于 IG B T 的导热材料而言,其实际应用的导热性能受涂覆效果的影响较大,合适的粘度才能较好地发挥导热材料的导热性能;导热材料的导热性能也与其材料本身热导率成正比,选取合适粘度的高热导率材料更有利于 IG B T 散热。

相变导热材料在实际工况的实验中散热效果较佳,用丝网的湿涂印刷工艺进行涂覆能较好地发挥其性能,考虑其耐久性较好的特点,应在 IG B T 的散热方面扩大应用。

文章装载于导热帮

本文网址:http://www.keshihua.com/news/485.html

关键词:导热界面材料,导热材料,导热介质

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