IGBT导热硅脂涂敷工艺研究

黄 庆,李强辉

(株洲时代电气股份有限公司 制造中心,湖南株洲412001)

导热硅脂目前被广泛使用在散热器上的IGBT安装面上,其目的在于填补各器件安装面与散热器之间的间隙,达到更均匀、更有效的散热效果,避免器件温度过高而损坏。为保证导热硅脂均匀的分布在IGBT上,其涂敷工艺至关重要。

1 导热硅脂散热性能

导热硅脂成份为硅油和填料。填料为磨得很细的粉末,成分为ZnO/Al2O3/氮化硼/碳化硅/铝粉等。硅油保证了一定的流动性,而填料填充了IGBT和散热器之间的微小空隙,保证了导热性。

散热片与IGBT之间传热主要通过传导途径,通过散热片与IGBT之间的直接接触实现。导热硅脂的意义在于填充二者之间的空隙接触处更加完全。如果硅脂使用过量,在IGBT和散热片之间形成一个硅脂层,则散热途径变为IGBT—硅脂—散热片。由于硅脂的导热系数约为λ=1～2 W/(m◦K),而铝合金的散热片在300 W/(m◦K)以上,在此情况下硅脂成了阻碍传热的因素。因此涂抹硅脂一定要适量,在IGBT上涂上薄薄一层就可以了,目前导热硅脂的厚度要求约100～150 μ m(IGBT 和散热器表面粗燥度要求Ra≤6.3 μ m,平面度≤100 μ m/100 mm)。

2 导热硅脂涂敷工艺

目前,IGBT导热硅脂的涂敷工艺主要有两种,滚筒印刷和筛网板印刷。

2.1 滚筒法涂敷

涂敷工艺为目前使用最广泛的方法,滚筒法涂敷作业步骤:(1)IGBT安装前,用酒精将器件的安装面和散热器清洗干净;(2)将导热硅脂倒入容器内,用滚筒刷粘上导热硅脂;(3)在IGBT的安装面反复滚刷上一层导热硅脂,目测硅脂是否涂满IGBT安装面,最后再将IGBT安装在散热器上,见图1。

图1 导热硅脂涂覆过程

2.2 丝网板印刷涂敷

2.2.1 丝网板设计方法1

(1)计算丝网上筛网孔区导热硅脂的涂敷面积

式中A为丝网上导热硅脂的涂敷面积;S为IGBT安装面的封装面积;d1为导热硅脂的厚度(一般取120 μ m);d2为丝网面的厚度。安装方法如图2～图4所示。

(2)根据IGBT的封装大小,确定筛网孔区的分布如图5、图6。

(3)作业步骤

根据散热器的大小制造筛网板,然后将筛网板固定在散热器上,放入导热硅脂,用刮刀刮导热硅脂,在散热器上留下导热硅脂涂敷区域。在散热器上安装定位销,将IGBT顺着定位销安装到散热器上。

图2 两点安装方式

图3 4点(或 6点)安装方式

2.2.2 丝网板设计方法2

该方法是根据IGBT需要的导热硅脂的涂覆厚度、面积及表面粗糙度设计出每种IGBT的丝网的网板,再根据网板设计丝网涂覆工装,最后在IGBT上用丝网涂覆导热硅脂。

(1)对IGBT的安装面进行微观放大分析如图7、图8。蓝色、紫色区域表示器件安装面与散热器接触的地方,红色表示器件安装面凹进去最深的地方,须涂导热硅脂最深的地方。根据分析,制作丝网板上相应的丝网网孔,粗孔对应凹入区域,漏的硅脂较多,小孔对应凸的区域,漏的硅脂少些。

图4 IGBT安装示意图

图5 IGBT安装面分析图

图6 丝网网孔

图7 网孔设计图纸

图8 放置IGBT

图9 盖上丝网网板

(2)丝网设计

根据丝网网孔,来做下一步的丝网网板设计。

①计算出IGBT安装面S1的大小

式中A为IGBT安装面长度尺寸;B为GBT安装面宽度尺寸。

②计算导热硅脂的用量V

式中S1为IGBT安装面面积;H1为器件上标准的导热硅脂的厚度。

导热硅脂的标准厚度为100～150 μ m,因此一般取120 μ m 。

③计算出丝网的网板厚度L

式中S2为网板上网孔的总面积。

2.2.3 丝网涂覆作业

(1)将IGBT元件倒放在涂敷工装上,如图8所示。

(2)将工装的丝网网板面合上,确认IGBT涂敷模孔和IGBT散热面正好吻合,如图9。

(3)将适量的导热硅脂倒在IGBT涂敷框上

(4)用一只手压住网框(非合页边),另一只手抓涂敷刷,用力下压涂敷刷,将导热硅脂从网框一边刮到另一边,如此来回刮3～4次,直到导热硅脂将丝网的网孔填平,如图10。

(5)用一只手抓住IGBT元件侧边,避免IGBT由于导热硅脂附着力被滤网框带上,另一只手将涂敷网框打开,如图11。

图10 涂覆导热硅脂

图11 打开网板

3 导热硅脂涂敷工艺效果对比

(1)通过上述几种涂敷工艺的使用,进行对比。见表 1,图 12、图 13 、图 14。

(2)导热硅脂厚度测量

①滚筒涂覆后导热硅脂厚度测量

厚度测试板在 25 ～ 75 μ m 有 显示,50 μ m,75 μ m显示不明显,因此测试的导热硅脂厚度应在25～75 μ m之间。

②丝网印刷方法1涂覆后导热硅脂厚度测量

厚度测试板在25～150 μ m均有显示,150 μ m 显示不明显,因此测试的导热硅脂厚度应在125～150 μ m之间。

③丝网印刷方法2涂覆后导热硅脂厚度测量

厚度测试板在25～125 μ m有显示,125 μ m 显示不明显,因此测试的导热硅脂厚度应在100～125 μ m 之间。

表1 涂敷方法对比

图12 滚筒法涂后效果

图13 丝网印刷方法1

图14 丝网印刷方法2

4 结束语

通过上述涂敷工艺的分析可以看出,丝网印刷涂敷后的导热硅脂分布均匀,提高了IGBT的散热性,特别是丝网印刷方法2能更好的控制IGBT上导热硅脂的厚度均匀度,因此产品将按此方法来替换原有滚筒法涂覆工艺,从而进一步的提高IGBT散热效果和IGBT使用寿命。