在現(xiàn)代電子電力行業(yè)中，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為功率半導(dǎo)體器件，是實現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換和控制的核心元件，廣泛應(yīng)用于各種變頻器、逆變器、電源轉(zhuǎn)換設(shè)備以及電動車輛中。然而，作為大功率半導(dǎo)體部件，IGBT 的熱流密度趨向于高功率、高集成度發(fā)展，模塊也因其高頻傳導(dǎo)和開合而不斷集中產(chǎn)生大量的熱 ，影響器件的性能。為了保證IGBT的安全性和可靠性，通常需要將IGBT的溫度控制在150℃下，這就要求為其設(shè)計一個有效的散熱系統(tǒng)。目前 在IGBT 功率器件的散熱系統(tǒng)上，導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱相變材料等導(dǎo)熱材料被廣泛使用。本篇文章，就主要從導(dǎo)熱材料的角度出發(fā)，談?wù)処GBT是如何實現(xiàn)散熱的！

來源：網(wǎng)絡(luò)

IGBT散熱結(jié)構(gòu)

IGBT通常采用由上到下的散熱路徑：芯片內(nèi)損耗產(chǎn)生的熱能通過芯片依次傳到陶瓷覆銅板（DCB）、基板，再由基板將少量的熱量直接傳到環(huán)境中去（以對流和輻射的形式），而大部分熱量通過底座經(jīng)絕緣墊片直接傳到散熱器，最后利用主動散熱或被動散熱將熱量帶走。在整個過程中，由于存在各個導(dǎo)熱材料存在界面熱阻，影響 IGBT 功率模塊散熱，因此往往會使用導(dǎo)熱界面材料來減小熱阻。

IGBT散熱結(jié)構(gòu)

用于IGBT的導(dǎo)熱材料

1、DCB陶瓷基板

在IGBT散熱基板中，IGBT晶體產(chǎn)生的熱量首先通過線路層傳導(dǎo)至DCB陶瓷基板中。DCB陶瓷基是通過高溫焊接工藝將銅直接鍵合到陶瓷襯底上的一種復(fù)合材料，除了可將IGBT產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)到外封裝，還可利用陶瓷材料的高機(jī)械強(qiáng)度支撐芯片，以承受裝配過程中的壓力和工作時的振動，同時提供可靠的電氣絕緣，保證高壓應(yīng)用的安全。

（來源：網(wǎng)絡(luò)）

目前，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硅等，其中，氮化鋁和氮化硅具有較高的散熱性（理論熱導(dǎo)率為200-300W/(m·K)），且熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體接近，因此常用于需要較高功率或精度要求的IGBT模塊。而氧化鋁具有原料來源豐富、價格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學(xué)腐蝕及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點，但熱導(dǎo)率相對較低，為30W/(m·K)，主要用于半導(dǎo)體照明、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

2、散熱基板

IGBT大功率模塊一般采用液冷散熱，而散熱基板作為功率模塊的核心散熱功能結(jié)構(gòu)與通道，直接關(guān)系到IGBT模塊的熱性能、可靠性和壽命。目前，IGBT通常采用凸臺結(jié)構(gòu)的銅針式散熱基板和銅平底式散熱基板，除了可利用銅材質(zhì)高耐壓、大電流、高頻率、導(dǎo)通電阻小等特點，還可利用凸臺結(jié)構(gòu)增加底板表面積，更有效地散熱，降低器件溫度，提高器件的可靠性和壽命。

①銅平底式散熱基板。

銅平底散熱基板是一種傳統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)，它應(yīng)用于功率半導(dǎo)體模塊中，主要作用是將模塊熱量向外傳遞，并為模塊提供機(jī)械支撐。在實際應(yīng)用中，主要用于間接液冷散熱結(jié)構(gòu)中，即通常會在其下面涂一層導(dǎo)熱硅脂等，熱量通過DBC基板傳到銅平底式散熱基板后，由導(dǎo)熱硅脂傳遞至也冷板中，液冷板再通過液冷對流的方式將熱量排出。

銅平底式散熱基板應(yīng)用（來源： 道芯IC）

②銅針式散熱基板：即具備針翅結(jié)構(gòu)。與平板式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不用，其通常可直接加上密封圈用于直接液冷散熱方式的IGBT中，使IGBT功率模塊與冷卻液直接接觸，由于大的散熱表面積，可以使模塊整體熱阻值可降低30%左右，因此可以促成功率半導(dǎo)體模塊小型化，IGBT功率模塊功率密度也可以設(shè)計的更高。

銅針式散熱基板及應(yīng)用（來源： 道芯IC、）

2、熱界面材料

在 IGBT 的熱傳導(dǎo)中，由于 IGBT 散熱面與散熱器表面之間的間隙中存有一定空氣，而空氣的熱導(dǎo)率僅為 0.025 W/（m·K），導(dǎo)致熱量無法快速散發(fā)，因此可在散熱器表面與IGBT散熱面之間使用填充導(dǎo)熱界面材料，以改善接觸面間的熱流傳遞情況，減小熱阻，提高散熱效率。

目前，中低端IGBT 主要采用導(dǎo)熱硅脂作為導(dǎo)熱界面材料，而高端則采用相變導(dǎo)熱材料。

①導(dǎo)熱硅脂

（來源：網(wǎng)絡(luò)）

導(dǎo)熱硅脂，又稱散熱膏、導(dǎo)熱膏，以有機(jī)硅酮（硅油、金屬氧化物）為主要原料，并添加導(dǎo)熱性能優(yōu)異的導(dǎo)熱填料（通常為氧化鋅、氧化鋁、氮化硼、氧化銀、銀粉、銅粉等）制成，是一種高導(dǎo)熱絕緣有機(jī)硅材料，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在1.0~5.0W/m·K之間，具有低油離度、耐高低溫、耐水、臭氧、耐氣候老化等特性，可在 -50 ℃ 至 +230 ℃ 的溫度下保持使用時的脂膏狀態(tài)。同時由于導(dǎo)熱硅脂具有一定的流動性和可塑性，能夠在施加壓力時完全潤濕接觸面，填充不規(guī)則表面之間的微小空隙，從而形成非常低的熱阻界面，提高散熱效果。不過，需要注意的是，不過導(dǎo)熱硅脂在使用 1-2 年后會出現(xiàn)性能下降的問題，目前主要用于較為低端的應(yīng)用中。

②導(dǎo)熱相變材料

（來源：廣東力王）

導(dǎo)熱相變材料是利用聚合物技術(shù)以高性能的有機(jī)高分子材料為主體，以高導(dǎo)熱性材料、相變填充料等材料為輔精制而成的絕緣材料，其最大的特點是可以在特定溫度范圍內(nèi)發(fā)生固液相變，即它的初始狀態(tài)是固體的，可便于裝配，當(dāng)達(dá)到器件工作溫度時相變材料除了可吸收熱量降低器件溫度，同時利用吸收的熱量使其變成液狀，在壓緊力的作用下與兩個配合表面整合、填充間隙，減少界面熱阻。
此外，相變導(dǎo)熱材料的可逆相變特性，也賦予了其優(yōu)異的穩(wěn)定性與耐久性，能夠在長時間熱循環(huán)和后依然保持杰出的熱穩(wěn)定特性，助于提升 IGBT 這類電子器件裝配的整體耐久性。但由于成本較高，目前主要用于較為高端的領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

1、道芯IC.《IGBT的熱管理，散熱銅基板？》

2、熱設(shè)計.《IGBT 不同導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱性能研究》

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