東莞東超新材料科技有限公司
已認(rèn)證
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隨著電子技術(shù)的進步,IGBT模塊的小型化和集成化趨勢愈發(fā)明顯。這種趨勢帶來了芯片“熱失效”的問題,降低了芯片的運行效率,進而影響整個設(shè)備的工作效率和可靠性。因此,選擇合適的TIM材料來降低芯片溫度變得尤為重要。目前,TIM材料基本上是復(fù)合材料,由高分子基體和導(dǎo)熱填料組成。在導(dǎo)熱填料中,球形氧化鋁因其穩(wěn)定的相和批量化生產(chǎn)集成優(yōu)勢,成為了首選。
IGBT模塊由散熱片、TIM材料、DBC層、焊料層和芯片等組成,簡單來說,就是圍繞芯片的一個集成系統(tǒng)。IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是一種功率半導(dǎo)體器件,廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、工業(yè)節(jié)能、電動汽車和新能源裝備等領(lǐng)域。它具有節(jié)能、安裝方便、維護方便和散熱穩(wěn)定等特點,是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵难b置。IGBT可以說是MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和BJT(雙極結(jié)型晶體管)的結(jié)合體。
IGBT模塊的散熱設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)傳熱學(xué)原理,為功率器件設(shè)計一個熱阻盡可能低的通路,以便快速散發(fā)器件的熱能,保證器件運行時的內(nèi)部溫度保持在允許范圍內(nèi)。TIM材料是一種復(fù)合材料,其中的導(dǎo)熱填料種類繁多,包括碳材料、金屬顆粒及其氧化物、氮化物等。這些材料可以在基體中形成良好的導(dǎo)熱通道,從而提高聚合物的導(dǎo)熱性能。Cu、Al、Ag等金屬顆粒是常見的導(dǎo)熱填料,它們能顯著提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,但會降低復(fù)合材料的絕緣性能和介電擊穿電壓。因此,金屬顆粒不能用作電氣絕緣領(lǐng)域的填料。與金屬相比,碳基材料具有更高的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和低的熱膨脹系數(shù),如石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維、金剛石等。
碳基填料在較低負(fù)荷下更容易獲得較高的導(dǎo)熱系數(shù),但其分散性是應(yīng)用中需要解決的問題。
陶瓷填料主要包括氧化物填料、氮化物填料和碳化物填料,它們?nèi)狈ψ杂呻娮樱瑐鳠嶂饕ㄟ^聲子進行,因此在導(dǎo)熱和絕緣復(fù)合材料方面應(yīng)用最為廣泛。
球形填料如球形氧化鋁具有較高的粘度滲透閾值和較低比表面積,以及優(yōu)異的可分散性,在TIM材料中不僅可以有效連接填料表面的接觸點形成導(dǎo)熱通路,提高傳熱效率,還可以增加復(fù)合材料的強度,降低應(yīng)力集中的可能性,改善復(fù)合材料的力學(xué)性能,以及提高導(dǎo)熱復(fù)合材料的后續(xù)加工處理能力。
影響TIM材料中導(dǎo)熱填料性能的因素有很多,可以歸納為以下幾點:
1. 導(dǎo)熱填料本身的熱導(dǎo)率,如SiO2(10 W/(m·K))、Al2O3(30 W/(m·K))、AlN(200 W/(m·K))、BN(300 W/(m·K))等陶瓷粉體材料。
2. 導(dǎo)熱填料的形貌和粒徑,形貌包括球形、非球形、片狀形、樹杈形等。從晶格完整取向以減少聲子散射的角度來看,樹杈形的熱導(dǎo)最好。粒徑越大,熱導(dǎo)越高。
3. 填料在TIM材料中的負(fù)載量、填料顆粒的分散性和取向、界面熱阻。負(fù)載量越大,熱導(dǎo)越高;分散性和取向涉及導(dǎo)熱通道搭建的合理性;界面熱阻越低,導(dǎo)熱效果越好。
由于無機填料分散在有機聚合物基體中,會產(chǎn)生大量填料/聚合物界面。由于無機顆粒與聚合物的性質(zhì)不同,兩種材料的界面相容性不佳。如果不對顆粒表面進行改性處理,聚合物中易產(chǎn)生團聚體,直接影響無機顆粒的分散,從而降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。
為了解決這個問題,可以采用以下方法:
1. 直接共混法,通過機械攪拌、超聲分散、真空脫泡、高溫固化等方式制備導(dǎo)熱灌封膠。這種方法工藝簡單,實際量產(chǎn)中可以調(diào)控填料含量以達到最優(yōu)性能。
2. 隨著氧化鋁填料的增加,灌封膠的粘度逐漸增大,但熱導(dǎo)率逐漸上升。氧化鋁粉體添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80wt.%左右時,復(fù)合材料的熱導(dǎo)和力學(xué)性能都比較優(yōu)異。
3. 采用級配球形氧化鋁填料可以解決復(fù)合材料的氣泡和分層問題,并降低逾滲閾值。級配后的填料可以使復(fù)合材料內(nèi)部的導(dǎo)熱通路逐漸搭接,形成并完善導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
4. 進一步填充粉體材料填料會破壞基膠基體的連續(xù)性,導(dǎo)致灌封膠的拉伸強度和斷裂延伸率下降,但可以提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和降低熱膨脹系數(shù)。因此,粉體級配后使用是最優(yōu)選擇。
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