富士电机 预涂导热相变材料的IGBT模块介绍

2019-10-04 16:44:04 Westpac Electronics

富士电机TIM预涂IGBT 模块资料参数

 

安装IGBT 模块时,为迅速传导IGBT 模块所产生的热量,在散热片与IGBT 模块间涂布导热硅脂。现在要求IGBT 供应商涂布此导热硅脂的顾客不断增加。为满足该需求,开发出使用相变型导热界面材料TIM(Thermal Interface Material)的预涂IGBT 模块所采用的TIM 拥有传统材料3 倍以上的散热性能,并且能在45℃左右液化,更低温度下固化,运输起来更加方便。从而使IGBT 模块的散热性和可靠性(热管理)得以提高。

 1. 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块在太阳能发电和风力发电等可再生能源、汽车、工业机械、社会基础设施等领域是重要核心零部件之一。在改善IGBT 模块特性方面,减少损耗,提高散热性和可靠性非常重要。本文将针对实现散热性和可靠性提高(热管理)的TIM(Thermal Interface Material)预涂IGBT 模块进行介绍。

 2. 开发背景

IGBT 模块转换电力时所发生的损耗是作为热量排出的。散热性会对产品寿命和电力转换装置的性能造成巨大影响。通常安装前会在风冷或水冷散热器和IGBT 模块间涂布导热硅脂。多数情况使用称为1 W 材的传热系数1 W/(m·K)左右的导热硅脂。此时涂布图样和涂布量将非常重要。近年来为省去对涂布工具和专用设备的投资,要求IGBT 模块供应商预涂导热硅脂的顾客不断增加。富士电机为满足这种需求,开发出TIM 预涂IGBT 模块。该模块采用具有传统材料3 倍以上散热性能的3 W 材,另外考虑到要方便运输,没有采用传统的导热硅脂,而是采用了能在45 ℃左右液化更低温度固化的相变型导热界面材料TIM。
一般情况下,相变型TIM 难以控制湿润扩散性,但使用富士电机设计的丝网可以解决此问题。

 3. 相变型TIM 的特点
这次开发的预涂IGBT 模块的最大特点是采用了相变型TIM。此TIM 具有以下性质。

 a)初期为脂状。

 b)通过加热等方式除去挥发性溶剂后会变成橡胶状。

 c)再高于一定温度后,又会从橡胶状变回脂状。

此TIM 的使用步骤如下。

 a)将脂状TIM 涂布于IGBT 模块背面。此时使用丝网进行涂布,以保证厚度均匀。 通过加热除去挥发性溶剂,使其变成橡胶状。由于TIM 已经固化,因此可以进行包装运输。

 b)在常温下安装到散热器上。

 c)元件启动使IGBT 模块温度上升,TIM 变成脂状,均匀扩散到散热片上。

实际使用步骤如图1 所示。

相变型TIM 和传统导热硅脂的比较结果如表1 所示。导热硅脂的热导率为0.9 W/(m · K),而相变型TIM 则为3.4 W/(m ·K),热导率大约3.8 倍。

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图1 相变型TIM 的使用步骤
表1 TIM 的基本参数 
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 4. 预涂IGBT 模块的性能

对预涂IGBT 模块进行了性能测试。用于测试的模块和TIM 如下。

○ 测试模块: 1200 V/600 A IGBT(2MBI600 VJ-120)

○ 使用TIM : 相变型TIM

4 . 1 湿润扩散性

使用富士电机设计的丝网涂布TIM,在TIM 厂商推荐条件60 ℃下干燥20 分钟后,以规定扭矩安装到玻璃砖上(图2)。为模拟通电状态使用烤箱以60 ℃进行加热,在加热经过10 分钟、30 分钟、60 分钟时进行抽样,确认TIM 已扩散到整个表面(湿润扩散性)。烤箱加热时的模块温度如图3 所示。确认加热开始10 分钟,发生TIM 从橡胶状变成脂状的相变,再经过50 分钟可确保良好的湿润散性(图4)。

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图2 玻璃砖安装状态 

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图3 烤箱加热时的模块温度

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图4 TIM 的湿润扩散性 

4 . 2 接触热阻

对从1 W 材导热硅脂变成3 W 材相变型TIM 所产生的接触热阻降低效果进行了确认。接触热阻的测试方法如图5 所示。在模块、散热片两面进行加工后设置热电偶,以公式⑴算出接触热阻。

R th(c-f)=(T c −T f)/P ……………………………… ⑴

  R th(c-f) :接触热阻

  T c :模块外壳温度

  T f :散热片温度

  P :对元件的外加电力

测试结果如图6 所示。接触热阻基本与计算值相同,降到了原来1/3。

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图5 热阻测试方法
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图6 接触热阻比较 

4 . 3 力矩丢失

在散热性方面,除了考虑TIM 性能外,还必须考虑安装散热器时所产生的力矩丢失。力矩丢失是指TIM 湿润扩散后TIM 膜厚略微变薄,导致将模块安装到散热器上时的螺丝拧紧力矩有所降低(螺丝松动)的现象。TIM 膜厚较厚容易发生力矩丢失。在这个问题上,建议散热器安装螺丝上使用弹簧垫圈。使用弹簧垫圈在进行安装时不会产生力矩丢失问题,这点已得到确认(图7)。力矩丢失评估将以初期力矩3.5N·m 拧紧后再拧松螺丝时的最大力矩定义为拧松力矩,若拧松力矩为规定力矩以上,则判断没有问题。虽然相对于拧紧力矩3.5N·m 出现了些许力矩降低的情况,但增加膜厚后并未低于规定力矩的2.5N·m,得到了与过去热胶相同的结果。

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图7 力矩丢失评估 
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    5. 今后的发展

正在推出的预涂IGBT 模块有M254、M629 两种封装。另外,我们已经着手开发M271、M272 封装产品,并计划扩大到其他封装系列。TIM 预涂IGBT 模块除提高散热性外,还能以涂布TIM 的状态进行包装运输(图8),有望向逐渐增加的要求IGBT 供应商预涂导热硅脂的顾客群体推广。

 6.后记

本文针对实现散热性和可靠性提高的TIM 预涂IGBT模块进行了介绍。我们今后将为满足顾客更高需求而扩大产品系列,进一步开发TIM 等高散热材料,不断提高IGBT 模块的热管理技术,并开发新产品。


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