IGBT導(dǎo)熱硅脂涂敷工藝研究

黃 慶,李強(qiáng)輝

(株洲時(shí)代電氣股份有限公司 制造中心,湖南株洲412001)

導(dǎo)熱硅脂目前被廣泛使用在散熱器上的IGBT安裝面上,其目的在于填補(bǔ)各器件安裝面與散熱器之間的間隙,達(dá)到更均勻、更有效的散熱效果,避免器件溫度過高而損壞。為保證導(dǎo)熱硅脂均勻的分布在IGBT上,其涂敷工藝至關(guān)重要。

1 導(dǎo)熱硅脂散熱性能

導(dǎo)熱硅脂成份為硅油和填料。填料為磨得很細(xì)的粉末,成分為ZnO/Al2O3/氮化硼/碳化硅/鋁粉等。硅油保證了一定的流動(dòng)性,而填料填充了IGBT和散熱器之間的微小空隙,保證了導(dǎo)熱性。

散熱片與IGBT之間傳熱主要通過傳導(dǎo)途徑,通過散熱片與IGBT之間的直接接觸實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)熱硅脂的意義在于填充二者之間的空隙接觸處更加完全。如果硅脂使用過量,在IGBT和散熱片之間形成一個(gè)硅脂層,則散熱途徑變?yōu)镮GBT—硅脂—散熱片。由于硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)約為λ=1～2 W/(m?K),而鋁合金的散熱片在300 W/(m?K)以上,在此情況下硅脂成了阻礙傳熱的因素。因此涂抹硅脂一定要適量,在IGBT上涂上薄薄一層就可以了,目前導(dǎo)熱硅脂的厚度要求約100～150 μ m(IGBT 和散熱器表面粗燥度要求Ra≤6.3 μ m,平面度≤100 μ m/100 mm)。

2 導(dǎo)熱硅脂涂敷工藝

目前,IGBT導(dǎo)熱硅脂的涂敷工藝主要有兩種,滾筒印刷和篩網(wǎng)板印刷。

2.1 滾筒法涂敷

涂敷工藝為目前使用最廣泛的方法,滾筒法涂敷作業(yè)步驟:(1)IGBT安裝前,用酒精將器件的安裝面和散熱器清洗干凈;(2)將導(dǎo)熱硅脂倒入容器內(nèi),用滾筒刷粘上導(dǎo)熱硅脂;(3)在IGBT的安裝面反復(fù)滾刷上一層導(dǎo)熱硅脂,目測(cè)硅脂是否涂滿IGBT安裝面,最后再將IGBT安裝在散熱器上,見圖1。

圖1 導(dǎo)熱硅脂涂覆過程

2.2 絲網(wǎng)板印刷涂敷

2.2.1 絲網(wǎng)板設(shè)計(jì)方法1

(1)計(jì)算絲網(wǎng)上篩網(wǎng)孔區(qū)導(dǎo)熱硅脂的涂敷面積

式中A為絲網(wǎng)上導(dǎo)熱硅脂的涂敷面積;S為IGBT安裝面的封裝面積;d1為導(dǎo)熱硅脂的厚度(一般取120 μ m);d2為絲網(wǎng)面的厚度。安裝方法如圖2～圖4所示。

(2)根據(jù)IGBT的封裝大小,確定篩網(wǎng)孔區(qū)的分布如圖5、圖6。

(3)作業(yè)步驟

根據(jù)散熱器的大小制造篩網(wǎng)板,然后將篩網(wǎng)板固定在散熱器上,放入導(dǎo)熱硅脂,用刮刀刮導(dǎo)熱硅脂,在散熱器上留下導(dǎo)熱硅脂涂敷區(qū)域。在散熱器上安裝定位銷,將IGBT順著定位銷安裝到散熱器上。

圖2 兩點(diǎn)安裝方式

圖3 4點(diǎn)(或 6點(diǎn))安裝方式

2.2.2 絲網(wǎng)板設(shè)計(jì)方法2

該方法是根據(jù)IGBT需要的導(dǎo)熱硅脂的涂覆厚度、面積及表面粗糙度設(shè)計(jì)出每種IGBT的絲網(wǎng)的網(wǎng)板,再根據(jù)網(wǎng)板設(shè)計(jì)絲網(wǎng)涂覆工裝,最后在IGBT上用絲網(wǎng)涂覆導(dǎo)熱硅脂。

(1)對(duì)IGBT的安裝面進(jìn)行微觀放大分析如圖7、圖8。藍(lán)色、紫色區(qū)域表示器件安裝面與散熱器接觸的地方,紅色表示器件安裝面凹進(jìn)去最深的地方,須涂導(dǎo)熱硅脂最深的地方。根據(jù)分析,制作絲網(wǎng)板上相應(yīng)的絲網(wǎng)網(wǎng)孔,粗孔對(duì)應(yīng)凹入?yún)^(qū)域,漏的硅脂較多,小孔對(duì)應(yīng)凸的區(qū)域,漏的硅脂少些。

圖4 IGBT安裝示意圖

圖5 IGBT安裝面分析圖

圖6 絲網(wǎng)網(wǎng)孔

圖7 網(wǎng)孔設(shè)計(jì)圖紙

圖8 放置IGBT

圖9 蓋上絲網(wǎng)網(wǎng)板

(2)絲網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)絲網(wǎng)網(wǎng)孔,來做下一步的絲網(wǎng)網(wǎng)板設(shè)計(jì)。

①計(jì)算出IGBT安裝面S1的大小

式中A為IGBT安裝面長度尺寸;B為GBT安裝面寬度尺寸。

②計(jì)算導(dǎo)熱硅脂的用量V

式中S1為IGBT安裝面面積;H1為器件上標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)熱硅脂的厚度。

導(dǎo)熱硅脂的標(biāo)準(zhǔn)厚度為100～150 μ m,因此一般取120 μ m 。

③計(jì)算出絲網(wǎng)的網(wǎng)板厚度L

式中S2為網(wǎng)板上網(wǎng)孔的總面積。

2.2.3 絲網(wǎng)涂覆作業(yè)

(1)將IGBT元件倒放在涂敷工裝上,如圖8所示。

(2)將工裝的絲網(wǎng)網(wǎng)板面合上,確認(rèn)IGBT涂敷?？缀虸GBT散熱面正好吻合,如圖9。

(3)將適量的導(dǎo)熱硅脂倒在IGBT涂敷框上

(4)用一只手壓住網(wǎng)框(非合頁邊),另一只手抓涂敷刷,用力下壓涂敷刷,將導(dǎo)熱硅脂從網(wǎng)框一邊刮到另一邊,如此來回刮3～4次,直到導(dǎo)熱硅脂將絲網(wǎng)的網(wǎng)孔填平,如圖10。

(5)用一只手抓住IGBT元件側(cè)邊,避免IGBT由于導(dǎo)熱硅脂附著力被濾網(wǎng)框帶上,另一只手將涂敷網(wǎng)框打開,如圖11。

圖10 涂覆導(dǎo)熱硅脂

圖11 打開網(wǎng)板

3 導(dǎo)熱硅脂涂敷工藝效果對(duì)比

(1)通過上述幾種涂敷工藝的使用,進(jìn)行對(duì)比。見表 1,圖 12、圖 13 、圖 14。

(2)導(dǎo)熱硅脂厚度測(cè)量

①滾筒涂覆后導(dǎo)熱硅脂厚度測(cè)量

厚度測(cè)試板在 25 ～ 75 μ m 有 顯示,50 μ m,75 μ m顯示不明顯,因此測(cè)試的導(dǎo)熱硅脂厚度應(yīng)在25～75 μ m之間。

②絲網(wǎng)印刷方法1涂覆后導(dǎo)熱硅脂厚度測(cè)量

厚度測(cè)試板在25～150 μ m均有顯示,150 μ m 顯示不明顯,因此測(cè)試的導(dǎo)熱硅脂厚度應(yīng)在125～150 μ m之間。

③絲網(wǎng)印刷方法2涂覆后導(dǎo)熱硅脂厚度測(cè)量

厚度測(cè)試板在25～125 μ m有顯示,125 μ m 顯示不明顯,因此測(cè)試的導(dǎo)熱硅脂厚度應(yīng)在100～125 μ m 之間。

表1 涂敷方法對(duì)比

圖12 滾筒法涂后效果

圖13 絲網(wǎng)印刷方法1

圖14 絲網(wǎng)印刷方法2

4 結(jié)束語

通過上述涂敷工藝的分析可以看出,絲網(wǎng)印刷涂敷后的導(dǎo)熱硅脂分布均勻,提高了IGBT的散熱性,特別是絲網(wǎng)印刷方法2能更好的控制IGBT上導(dǎo)熱硅脂的厚度均勻度,因此產(chǎn)品將按此方法來替換原有滾筒法涂覆工藝,從而進(jìn)一步的提高IGBT散熱效果和IGBT使用壽命。