0引言
隨著現代電力電子技術的進步,電氣產品的發展趨向于微型化和密集化,電子器件的功率及散熱要求也隨之增加?電子器件工作時散發的熱量如不能及時導出,易造成局部高溫,輕則影響電子器件使用壽命,重則影響器件的工作性能?目前IGBT功率器件上廣泛使用以導熱硅脂為代表的導熱材料,其目的在于填充安裝面與器件散熱面之間的間隙,避免高溫對器件的影響?導熱材料的導熱性能主要取決于導熱材料本身的熱導率以及接觸熱阻,但在實際使用中由于IGBT實際涂覆貼合程度不同,其導熱效果也有所不同,本文通過設計實驗,模擬實際工況下的導熱情況,對比不同導熱材料之間的性能差異?
1 IGBT導熱材料特性及熱傳導原理
1.1 IGBT導熱材料特性
目前IGBT散熱使用的導熱材料主要是導熱硅脂,近幾年相變導熱材料在IGBT的導熱上才有一定的應用空間?導熱硅脂在使用1-2年后會出現性能下降的問題;而相變導熱材料除成本較高外,其耐久性?導熱性均較好,具有較大的市場潛力?
1.1.1導熱硅脂
導熱硅脂俗稱散熱膏,是以有機硅酮為主要原料,添加耐熱?導熱性能優異的材料而制成的導熱型有機硅脂狀復合物,具有低油離度?耐高低溫?耐水?臭氧?耐氣候老化等特性,可在-50℃至+230℃的溫度下保持使用時的脂膏狀態?而導熱硅脂的液體部分是由硅膠和硅油組成,市場上大部分產品是用二甲基硅油為原料,而二甲基硅油的沸點在140-180℃之間,易產生揮發,在長時間的使用后會產生硅油分離,影響導熱性能,同時線路板上會留有油脂痕跡?
1.1.2相變導熱材料
相變導熱材料也稱相變導熱膏,是利用聚合物技術以高性能的有機高分子材料為主體,以高導熱性材料?相變填充料等材料為輔精制而成的絕緣材料,適用于散熱器與各種產生高熱量功率元器件間的熱量傳遞?
相變導熱材料的關鍵性能是其相變特性,在室溫下材料為固體,并且便于處理,可以將其作為干墊清潔而堅固地用于散熱片或器件的表面?當達到器件工作溫度時相變材料變軟,在壓緊力的作用下材料就像熱滑脂一樣與兩個配合表面整合?填充間隙?這種完全填充界面氣隙和器件與散熱片間空隙的能力,可以使相變材料提前涂覆,便于運輸和安裝,并且獲得類似于熱滑脂的性能?
此外,相變導熱材料另一大優勢在于其穩定性與耐久性,能夠在長時間熱循環和HAST試驗后依然保持杰出的熱穩定特性,并且其熱阻表現為降低趨勢?因此相比于導熱硅脂,相變導熱材料有助于提升IGBT這類電子器件裝配的整體耐久性?
1.2 IGBT熱傳導原理
圖1為IGBT熱傳導示意圖,IGBT外殼通過對流和輻射的形式與環境進行的少量熱量交換可忽略不計?由圖可見,芯片內損耗產生的熱能通過芯片傳到外殼底座,再由外殼將少量的熱量直接傳到環境中去(以對流和輻射的形式),而大部分熱量通過底座經絕緣墊片直接傳到散熱器,最后由散熱器傳入空氣中?
1.3導熱材料導熱原理
導熱材料在接觸面間熱流示意如圖2所示,該圖描述了在IGBT散熱面與散熱器表面存在加工不平整度以及粗糙度情況下微觀接觸的熱流情況?
在IGBT的熱傳導中,主要熱量依靠IGBT散熱面與散熱器表面的金屬接觸來傳遞,常用銅或鋁作為基底材料,其熱導率在200-300W/(m·K)之間?由于接觸面間的不平整度使間隙中存有一定空氣(圖2a),而空氣的熱導率僅為0.025W/(m·K),因此嚴重阻礙了熱傳導;若將導熱材料先涂覆至IGBT散熱面表面,在裝配及螺釘緊固力的作用下,擠出接觸面間的空氣并將間隙填充(圖2b),導熱材料的熱導率一般在0.8-4W/(m·K)之間,其熱導率是空氣的32-160倍,雖然主要的熱傳導仍是由金屬之間的熱傳導完成,但能夠較好地改善接觸面間的熱流傳遞情況,減小熱阻,提高散熱效率?
2導熱性能實驗方案
目前對硅脂類材料導熱性能測試主要內容有材料的熱導率和熱阻,其試驗方法主要有熱流法和激光法,每種導熱材料在出廠時其相關參數已經經過廠家測試,并配有相應手冊進行參數說明?由于導熱材料實際應用環境的不同,其發揮的性能也有所差別,因此有必要對實際應用工況進行實驗,驗證并對比各導熱材料的實際導熱性能?
2.1實驗材料
為對比導熱硅脂之間的導熱性能,并研究導熱硅脂和相變導熱材料的性能差異,在此選取5種實驗材料進行試驗,實驗材料及性能見表1,IGBT以英飛凌FF600R12ME4A_B11作為本次試驗器件發熱源?
2.2實驗方案
為模擬實際工況下IGBT的發熱散熱情況,本實驗通過直流電源為IGBT提供恒定電流,使IGBT在開通狀態下發熱,并將IGBT涂覆導熱材料安裝至散熱片上進行風冷散熱,以進行恒定功率的熱量傳導及耗散?通過電流調節使IGBT產生不同的功耗,讀取IGBT的管壓降,計算當前發熱功率?達到溫度平衡時,通過熱成像儀采集熱圖并通過相應軟件對熱圖進行分析處理,以獲得一定功率熱傳導情況下的IGBT芯片結溫,進而得到不同發熱量功率下的溫度曲線,找出導熱材料的導熱性能差異?試驗原理框圖如圖3所示?
2.3實驗步驟
a. 將試驗用的IGBT內部凝膠清除并涂黑?
b. 打開風機,固定風速,記錄室溫?
c. 用酒精擦洗IGBT模塊散熱面及散熱板表面,用鋼網在IGBT散熱面上均勻涂覆導熱材料,導熱材料涂覆如圖4所示?
d. 用IGBT螺釘?1.5Nm力矩將涂覆后的IGBT安裝到散熱片上,間隔5min后再以3.5Nm的力矩緊固IGBT螺釘?
e. 通過+15V柵極電壓使IGBT導通,并打開IGBT直流電源開關,設定電源輸出電流的大小?
f. 待達到功率平衡溫度后用熱成像儀采集IGBT熱圖,并通過熱圖處理軟件獲取芯片結溫,芯片結溫獲取如圖5所示?
g. 每升高50A直流電流測量記錄不同功率下的各組數據,直到IGBT結溫接近125℃,停止升高電流?
h. 關閉電源,卸下IGBT,更換待實驗的導熱材料,從步驟c開始重復實驗過程,直至各材料完成實驗?
3導熱材料性能對比
3.1熱導率影響
對實驗記錄的IGBT在不同發熱功率情況下的結溫數據點進行繪制并擬合成曲線,各材料結溫曲線如圖6所示?
由圖6可以看出,導熱材料的導熱性能由高到低,即芯片結溫從低到高依次是導熱硅脂2號,相變材料2號,相變材料1號,導熱硅脂1號,導熱硅脂3號?將各導熱材料與導熱硅脂1號進行不同發熱功率下的溫度對比,結點溫差對比如圖7所示?
3.2涂覆效果影響
由于此次試驗使用的三種硅脂?兩種相變導熱材料的粘度是不同的,所以其涂覆后拆下的效果也有所區別,涂覆效果如圖8所示?
由圖8可見,由于導熱硅脂3號的粘度較高,不僅加大了絲網印刷的難度,而且在相同的壓力下硅脂的擴散和覆蓋效果較差,大部分硅脂仍處于絲網涂覆的網點狀態,無法較好地填充接觸面空隙,降低了其散熱效果?而兩款相變導熱材料在黏性狀態下用鋼網工裝直接濕涂,均能達到較好的貼合效果?
3.3試驗結果
由導熱硅脂的橫向對比可見,在實際工況下散熱效果與導熱材料的熱導率滿足正比關系,熱導率較高的導熱硅脂2號相比于其他兩款導熱硅脂結溫下降率明顯,最大達到了5.0%的溫差?
兩款相變導熱材料之間的導熱性能差異也與其導熱率的差異成正比?此外在濕涂的條件下,相變導熱材料的導熱效果仍優于導熱硅脂1號的性能?
導熱硅脂2號的應用效果超出了預期目標,甚至比兩款相變導熱材料的導熱效果還好,這是由于硅脂在絲網濕涂工藝中的適用性更強?對于相變導熱材料而言,需要一段時間的預熱和足夠的壓緊力使其軟化并填充空隙,并且相變材料的優勢在于隨著循環次數和工作時間的增加,其熱阻呈降低趨勢?
導熱硅脂3號由于其粘度較高,不利于硅脂的擴散和覆蓋,因此盡管其材料熱導率高于導熱硅脂1號,但由于接觸面間填充效果不佳,實際應用效果并未達到預期要求?
4結束語
通過以上的分析可以看出,對于IGBT的導熱材料而言,其實際應用的導熱性能受涂覆效果的影響較大,合適的粘度才能較好地發揮導熱材料的導熱性能;導熱材料的導熱性能也與其材料本身熱導率成正比,選取合適粘度的高熱導率材料更有利于IGBT散熱?相變導熱材料在實際工況的實驗中散熱效果較佳,用絲網的濕涂印刷工藝進行涂覆能較好地發揮其性能,考慮其耐久性較好的特點,應在IGBT的散熱方面擴大應用?
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