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富士電機TIM預涂IGBT 模塊資料參數


安裝IGBT 模塊時,為迅速傳導IGBT 模塊所產生的熱量,在散熱片與IGBT 模塊間涂布導熱硅脂。現在要求IGBT 供應商涂布此導熱硅脂的顧客不斷增加。為滿足該需求,開發出使用相變型導熱界面材料TIM(Thermal Interface Material)的預涂IGBT 模塊所采用的TIM 擁有傳統材料3 倍以上的散熱性能,并且能在45℃左右液化,更低溫度下固化,運輸起來更加方便。從而使IGBT 模塊的散熱性和可靠性(熱管理)得以提高。

1. 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊在太陽能發電和風力發電等可再生能源、汽車、工業機械、社會基礎設施等領域是重要核心零部件之一。在改善IGBT 模塊特性方面,減少損耗,提高散熱性和可靠性非常重要。本文將針對實現散熱性和可靠性提高(熱管理)的TIM(Thermal Interface Material)預涂IGBT 模塊進行介紹。


2. 開發背景

IGBT 模塊轉換電力時所發生的損耗是作為熱量排出的。散熱性會對產品壽命和電力轉換裝置的性能造成巨大影響。通常安裝前會在風冷或水冷散熱器和IGBT 模塊間涂布導熱硅脂。多數情況使用稱為1 W 材的傳熱系數1 W/(m·K)左右的導熱硅脂。此時涂布圖樣和涂布量將非常重要。近年來為省去對涂布工具和專用設備的投資,要求IGBT 模塊供應商預涂導熱硅脂的顧客不斷增加。富士電機為滿足這種需求,開發出TIM 預涂IGBT 模塊。該模塊采用具有傳統材料3 倍以上散熱性能的3 W 材,另外考慮到要方便運輸,沒有采用傳統的導熱硅脂,而是采用了能在45 ℃左右液化更低溫度固化的相變型導熱界面材料TIM。

一般情況下,相變型TIM 難以控制濕潤擴散性,但使用富士電機設計的絲網可以解決此問題。


3. 相變型TIM 的特點

這次開發的預涂IGBT 模塊的特點是采用了相變型TIM。此TIM 具有以下性質。

a)初期為脂狀。

b)通過加熱等方式除去揮發性溶劑后會變成橡膠狀。

c)再高于一定溫度后,又會從橡膠狀變回脂狀。

此TIM 的使用步驟如下。

a)將脂狀TIM 涂布于IGBT 模塊背面。此時使用絲網進行涂布,以保證厚度均勻。 通過加熱除去揮發性溶劑,使其變成橡膠狀。由于TIM 已經固化,因此可以進行包裝運輸。

b)在常溫下安裝到散熱器上。

c)元件啟動使IGBT 模塊溫度上升,TIM 變成脂狀,均勻擴散到散熱片上。

實際使用步驟如圖1 所示。

相變型TIM 和傳統導熱硅脂的比較結果如表1 所示。導熱硅脂的熱導率為0.9 W/(m · K),而相變型TIM 則為3.4 W/(m ·K),熱導率大約3.8 倍。

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圖1 相變型TIM 的使用步驟

表1 TIM 的基本參數 

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4. 預涂IGBT 模塊的性能

對預涂IGBT 模塊進行了性能測試。用于測試的模塊和TIM 如下。

○ 測試模塊: 1200 V/600 A IGBT(2MBI600 VJ-120)

○ 使用TIM : 相變型TIM

4 . 1 濕潤擴散性

使用富士電機設計的絲網涂布TIM,在TIM 廠商推薦條件60 ℃下干燥20 分鐘后,以規定扭矩安裝到玻璃磚上(圖2)。為模擬通電狀態使用烤箱以60 ℃進行加熱,在加熱經過10 分鐘、30 分鐘、60 分鐘時進行抽樣,確認TIM 已擴散到整個表面(濕潤擴散性)。烤箱加熱時的模塊溫度如圖3 所示。確認加熱開始10 分鐘,發生TIM 從橡膠狀變成脂狀的相變,再經過50 分鐘可確保良好的濕潤散性(圖4)。

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圖2 玻璃磚安裝狀態 

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圖3 烤箱加熱時的模塊溫度

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圖4 TIM 的濕潤擴散性 

4 . 2 接觸熱阻

對從1 W 材導熱硅脂變成3 W 材相變型TIM 所產生的接觸熱阻降低效果進行了確認。接觸熱阻的測試方法如圖5 所示。在模塊、散熱片兩面進行加工后設置熱電偶,以公式⑴算出接觸熱阻。

R th(c-f)=(T c ?T f)/P ……………………………… ⑴

  R th(c-f) :接觸熱阻

  T c :模塊外殼溫度

  T f :散熱片溫度

  P :對元件的外加電力

測試結果如圖6 所示。接觸熱阻基本與計算值相同,降到了原來1/3。

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圖5 熱阻測試方法

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圖6 接觸熱阻比較 

4 . 3 力矩丟失

在散熱性方面,除了考慮TIM 性能外,還必須考慮安裝散熱器時所產生的力矩丟失。力矩丟失是指TIM 濕潤擴散后TIM 膜厚略微變薄,導致將模塊安裝到散熱器上時的螺絲擰緊力矩有所降低(螺絲松動)的現象。TIM 膜厚較厚容易發生力矩丟失。在這個問題上,建議散熱器安裝螺絲上使用彈簧墊圈。使用彈簧墊圈在進行安裝時不會產生力矩丟失問題,這點已得到確認(圖7)。力矩丟失評估將以初期力矩3.5N·m 擰緊后再擰松螺絲時的zui大力矩定義為擰松力矩,若擰松力矩為規定力矩以上,則判斷沒有問題。雖然相對于擰緊力矩3.5N·m 出現了些許力矩降低的情況,但增加膜厚后并未低于規定力矩的2.5N·m,得到了與過去熱膠相同的結果。

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圖7 力矩丟失評估 

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5. 今后的發展

正在推出的預涂IGBT 模塊有M254、M629 兩種封裝。另外,我們已經著手開發M271、M272 封裝產品,并計劃擴大到其他封裝系列。TIM 預涂IGBT 模塊除提高散熱性外,還能以涂布TIM 的狀態進行包裝運輸(圖8),有望向逐漸增加的要求IGBT 供應商預涂導熱硅脂的顧客群體推廣。


6.后記

本文針對實現散熱性和可靠性提高的TIM 預涂IGBT模塊進行了介紹。我們今后將為滿足顧客更高需求而擴大產品系列,進一步開發TIM 等高散熱材料,不斷提高IGBT 模塊的熱管理技術,并開發新產品。


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