IGBT导热硅脂涂敷与紧固工艺研究

万超群

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

在IGBT安装工艺中，导热硅脂的涂敷被广泛使用，导热硅脂涂敷在散热器与IGBT基板之间，用于填补IGBT与散热器接触的空隙，进而增加散热器与IGBT的热交换效率，提升IGBT散热效果，改善IGBT的使用可靠性和使用寿命，IGBT的安装工艺又决定了IGBT与散热器之间的接触情况，与导热硅脂的涂敷密切相关。随着IGBT批量化应用的加速，从现有IGBT的应用情况看，目前所使用导热硅脂涂敷工艺和器件安装工艺并不太适用于批量IGBT的安装，IGBT导热硅脂的涂覆工艺和安装工艺的研究和改进越来越重要。

1 现有工艺问题分析

通过对现有的导热硅脂涂敷工艺和器件安装工艺分析，存在以下不足。

1.1 导热硅脂涂敷厚度偏低

现有工艺导热硅脂厚度偏小。导热硅脂涂敷厚度取值由IGBT模块基板参数决定，通过分别对不同厂家的IGBT模块基板拱度以及拱度分布进行测量发现，各个厂家的模块基板拱度以及拱度分布差异较大。现有工艺的导热硅脂厚度不能很好地适用于目前在用IGBT的拱度分布。

1.2 丝网网格分布不适合

目前，所用丝网网格分布为中心区域网格密度大、单个网孔面积大，往外侧延伸后其网格网孔面积减小，网格密度减小，呈蝴蝶状，同时，网格密度越小，单个网孔面积越大的区域其导热硅脂涂敷量越大，其网格分布考虑到了在模块衬板焊接处分布较多导热硅脂，在基板平整度较好的情况下，保证了衬板下方的接触良好。但对于中心拱度偏大，且拱度大值区域集中在中央衬板区域的模块，使用此类丝网网格进行涂敷硅脂，使各衬板下方导热硅脂涂敷厚度一致，将会使两侧衬板区域下方出现接触不良现象，进而影响其散热情况。

1.3 紧固力矩偏小

现有工艺所采用的紧固力矩仅适用于部分IGBT模块的组装，但是由于在进行IGBT芯片焊接和衬板焊接时，不同厂商采用不同焊料，各类焊料的熔点差别较大，不同焊料在焊接后会对基板硬度和拱度造成不同的影响。如果使用硬焊料，其熔点较高，因此，在焊接过程中，IGBT模块基板产生的形变较大。同时，不同IGBT所使用的基板其原始拱度与弯曲形式均存在差异。目前，基板原始形状存在2种：①双面拱原始基板，焊接衬板的一面向内凹陷，接触散热器的一面向外凸出；②单面拱原始基板，即焊接衬板一侧为平整面，接触散热器一面向外凸出。

双面拱原始基板对紧固力矩的要求更大，现用紧固力矩适用于单面拱器件的紧固，对于双面拱器件而言，则显偏小。

2 工艺改进的分析

通过对原用工艺进行分析后，根据其不足，对原用工艺进行以下改进。

2.1 增加导热硅脂涂敷厚度

对不同IGBT模块基板拱度最大值进行测试对比，对数据进行分析后得出，最大拱度器件其拱度相较于最低拱度器件，其模块拱度偏大8.9%；同时，考虑到IGBT模块基板拱度较大值区域的区别，因此，将导热硅脂厚度增加至原用厚度的10%～20%，即厚度增加至130～150 μm。

2.2 增加紧固力矩

由于不同焊料所导致的基板硬度的不同，在紧固时需增大其紧固力矩，而过大的紧固力矩则会对IGBT模块本身造成一定的影响，所以，紧固力矩不能过量增大，同时，由于导热硅脂厚度增加10%～15%，通过现场的试验，将其力矩增大10%较为合适。

图1 改进前效果

图2 改进后效果

3 工艺改进后对比分析

在使用原用丝网网板，改进导热硅脂涂敷厚度、紧固力矩的条件下，对改进前后的IGBT导热硅脂涂敷情况进行了一系列试验对比，改进前效果如图1所示，改进后效果如图2所示，右侧为改进后效果。

4 结论

通过上述分析可以得出，原有导热硅脂涂敷工艺与IGBT模块紧固工艺不能较好地适用于现用IGBT的组装，而改进后的导热涂敷工艺与紧固工艺，有效地改善了现用IGBT与散热器的接触情况，相对于原用工艺，改善了IGBT的散热情况，提高了IGBT的使用可靠性和使用寿命。

参考文献：

［1］黄庆，李强辉.IGBT导热硅脂涂敷工艺研究［J］.铁道机车车辆，2011（31）：110-112.

［2］Raffael Schnell，Samuel Hartmann.Mounting Instructions for HiPak™Modules.ABB Switzerland Ltd ，Semiconductors.