变频器IGBT导热介质涂抹

  “什么是热” 热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。热传递的方式有3种，分别为“传导”、“对流”及“热辐射”。传导是指在物体（固体）中传播的热能的传递，变频器的散热器与IGBT之间的热量传递就属于热传导。

       导热硅脂俗称散热膏,是以有机硅酮为主要原料,添加耐热､导热性能优异的材料而制成的导热型有机硅脂状复合物,具有低油离度､耐高低温､耐水､臭氧､耐气候老化等特性,可在-50℃至+230℃的温度下保持使用时的脂膏状态｡而导热硅脂的液体部分是由硅胶和硅油组成,市场上大部分产品是用二甲基硅油为原料,而二甲基硅油的沸点在140-180℃之间,易产生挥发,在长时间的使用后会产生硅油分离,影响导热性能,同时线路板上会留有油脂痕迹｡

   图为IGBT热传导示意图,IGBT外壳通过对流和辐射的形式与环境进行的少量热量交换可忽略不计｡由图可见,芯片内损耗产生的热能通过芯片传到外壳底座,再由外壳将少量的热量直接传到环境中去(以对流和辐射的形式),而大部分热量通过底座经绝缘垫片直接传到散热器,最后由散热器传入空气中｡

   在IGBT的热传导中,主要热量依靠IGBT散热面与散热器表面的金属接触来传递,常用铜或铝作为基底材料,其热导率在200-300W/(m·K)之间｡由于接触面间的不平整度使间隙中存有一定空气,而空气的热导率仅为0.025W/(m·K),因此严重阻碍了热传导;若将导热材料先涂覆至IGBT散热面表面,在装配及螺钉紧固力的作用下,挤出接触面间的空气并将间隙填充(图2b),导热材料的热导率一般在0.8-4W/(m·K)之间,其热导率是空气的32-160倍,虽然主要的热传导仍是由金属之间的热传导完成,但能够较好地改善接触面间的热流传递情况,减小热阻,提高散热效率｡

    由于导热硅脂的导热系数约为1~2W/（m·K），而铝型材散热器约为300W/（m·K），因此涂抹硅脂一定要适量，涂上薄薄一层就可以了，目前导热硅脂的厚度要求约为80~150µm(IGBT和散热器表面粗糙度要求Ra≤6.3µm，平面度≤100µm/100mm)

  目前IGBT导热硅脂涂覆工艺主要分两种，滚筒印刷和丝网板印刷

   通过对比观察:滚筒涂覆器件时，容易造成导热硅脂过量分布不均匀,而丝网板印刷涂覆后的导热硅脂分布均匀，提高了IGBT的散热性.

   对于IGBT的导热材料而言,其实际应用的导热性能受涂覆效果的影响较大,合适的粘度才能较好地发挥导热材料的导热性能;导热材料的导热性能也与其材料本身热导率成正比,选取合适粘度的高热导率材料更有利于IGBT散热｡相变导热材料在实际工况的实验中散热效果较佳,用丝网的湿涂印刷工艺进行涂覆能较好地发挥其性能,考虑其耐久性较好的特点,应在IGBT的散热方面扩大应用｡