IGBT導(dǎo)熱硅脂涂敷與緊固工藝研究

萬(wàn)超群

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

在IGBT安裝工藝中，導(dǎo)熱硅脂的涂敷被廣泛使用，導(dǎo)熱硅脂涂敷在散熱器與IGBT基板之間，用于填補(bǔ)IGBT與散熱器接觸的空隙，進(jìn)而增加散熱器與IGBT的熱交換效率，提升IGBT散熱效果，改善IGBT的使用可靠性和使用壽命，IGBT的安裝工藝又決定了IGBT與散熱器之間的接觸情況，與導(dǎo)熱硅脂的涂敷密切相關(guān)。隨著IGBT批量化應(yīng)用的加速，從現(xiàn)有IGBT的應(yīng)用情況看，目前所使用導(dǎo)熱硅脂涂敷工藝和器件安裝工藝并不太適用于批量IGBT的安裝，IGBT導(dǎo)熱硅脂的涂覆工藝和安裝工藝的研究和改進(jìn)越來(lái)越重要。

1 現(xiàn)有工藝問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的導(dǎo)熱硅脂涂敷工藝和器件安裝工藝分析，存在以下不足。

1.1 導(dǎo)熱硅脂涂敷厚度偏低

現(xiàn)有工藝導(dǎo)熱硅脂厚度偏小。導(dǎo)熱硅脂涂敷厚度取值由IGBT模塊基板參數(shù)決定，通過(guò)分別對(duì)不同廠家的IGBT模塊基板拱度以及拱度分布進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，各個(gè)廠家的模塊基板拱度以及拱度分布差異較大。現(xiàn)有工藝的導(dǎo)熱硅脂厚度不能很好地適用于目前在用IGBT的拱度分布。

1.2 絲網(wǎng)網(wǎng)格分布不適合

目前，所用絲網(wǎng)網(wǎng)格分布為中心區(qū)域網(wǎng)格密度大、單個(gè)網(wǎng)孔面積大，往外側(cè)延伸后其網(wǎng)格網(wǎng)孔面積減小，網(wǎng)格密度減小，呈蝴蝶狀，同時(shí)，網(wǎng)格密度越小，單個(gè)網(wǎng)孔面積越大的區(qū)域其導(dǎo)熱硅脂涂敷量越大，其網(wǎng)格分布考慮到了在模塊襯板焊接處分布較多導(dǎo)熱硅脂，在基板平整度較好的情況下，保證了襯板下方的接觸良好。但對(duì)于中心拱度偏大，且拱度大值區(qū)域集中在中央襯板區(qū)域的模塊，使用此類絲網(wǎng)網(wǎng)格進(jìn)行涂敷硅脂，使各襯板下方導(dǎo)熱硅脂涂敷厚度一致，將會(huì)使兩側(cè)襯板區(qū)域下方出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，進(jìn)而影響其散熱情況。

1.3 緊固力矩偏小

現(xiàn)有工藝所采用的緊固力矩僅適用于部分IGBT模塊的組裝，但是由于在進(jìn)行IGBT芯片焊接和襯板焊接時(shí)，不同廠商采用不同焊料，各類焊料的熔點(diǎn)差別較大，不同焊料在焊接后會(huì)對(duì)基板硬度和拱度造成不同的影響。如果使用硬焊料，其熔點(diǎn)較高，因此，在焊接過(guò)程中，IGBT模塊基板產(chǎn)生的形變較大。同時(shí)，不同IGBT所使用的基板其原始拱度與彎曲形式均存在差異。目前，基板原始形狀存在2種：①雙面拱原始基板，焊接襯板的一面向內(nèi)凹陷，接觸散熱器的一面向外凸出；②單面拱原始基板，即焊接襯板一側(cè)為平整面，接觸散熱器一面向外凸出。

雙面拱原始基板對(duì)緊固力矩的要求更大，現(xiàn)用緊固力矩適用于單面拱器件的緊固，對(duì)于雙面拱器件而言，則顯偏小。

2 工藝改進(jìn)的分析

通過(guò)對(duì)原用工藝進(jìn)行分析后，根據(jù)其不足，對(duì)原用工藝進(jìn)行以下改進(jìn)。

2.1 增加導(dǎo)熱硅脂涂敷厚度

對(duì)不同IGBT模塊基板拱度最大值進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出，最大拱度器件其拱度相較于最低拱度器件，其模塊拱度偏大8.9%；同時(shí)，考慮到IGBT模塊基板拱度較大值區(qū)域的區(qū)別，因此，將導(dǎo)熱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 增加緊固力矩

由于不同焊料所導(dǎo)致的基板硬度的不同，在緊固時(shí)需增大其緊固力矩，而過(guò)大的緊固力矩則會(huì)對(duì)IGBT模塊本身造成一定的影響，所以，緊固力矩不能過(guò)量增大，同時(shí)，由于導(dǎo)熱硅脂厚度增加10%～15%，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)，將其力矩增大10%較為合適。

圖1 改進(jìn)前效果

圖2 改進(jìn)后效果

3 工藝改進(jìn)后對(duì)比分析

在使用原用絲網(wǎng)網(wǎng)板，改進(jìn)導(dǎo)熱硅脂涂敷厚度、緊固力矩的條件下，對(duì)改進(jìn)前后的IGBT導(dǎo)熱硅脂涂敷情況進(jìn)行了一系列試驗(yàn)對(duì)比，改進(jìn)前效果如圖1所示，改進(jìn)后效果如圖2所示，右側(cè)為改進(jìn)后效果。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析可以得出，原有導(dǎo)熱硅脂涂敷工藝與IGBT模塊緊固工藝不能較好地適用于現(xiàn)用IGBT的組裝，而改進(jìn)后的導(dǎo)熱涂敷工藝與緊固工藝，有效地改善了現(xiàn)用IGBT與散熱器的接觸情況，相對(duì)于原用工藝，改善了IGBT的散熱情況，提高了IGBT的使用可靠性和使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

［1］黃慶，李強(qiáng)輝.IGBT導(dǎo)熱硅脂涂敷工藝研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011（31）：110-112.

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