浅述IGBT在高功率环境中的散热方法

日期:2022-07-13 阅读:495
核心提示:IGBT是一种新型的半导体器件,作为新型功率半导体器件的主流器件,无论在工业、 通信、3C电子等传统领域,还是轨道交通、新能源
IGBT是一种新型的半导体器件,作为新型功率半导体器件的主流器件,无论在工业、 通信、3C电子等传统领域,还是轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域,IGBT都发挥着至关重要的作用。

IGBT模块即是功率器件,其具有驱动电压低、功率处理能力强、开关频率高等优点。但也离不开热学特性,功率半导体模块的弱点是过压过热,因此,其处理热量的能力则会限制其高功率的应用。


一,IGBT模块中的热管理

IGBT因其高功率密度而产生大量热量,功率器件与散热器之间存在的空气间隙会产生非常大的接触热阻,显著增大两个界面之间的温差。为了确保IGBT模块高效、安全和稳定地工作,对其热管理技术也是新型产品设计和应用的最重要环节。

一般用来降低界面接触热阻的方法是填充柔软的导热材料,即热界面材料(Thermal Interface Materials,TIM)。合理的选择TIM,不仅要考虑其热传导能力,还要兼顾生产中的工艺、维护操作性及长期可靠性。10℃法则表明:器件温度每降低10℃,可靠性增加1倍,目前由于IGBT因热失控而导致失效的现象最为常见,可以说,大部分的IGBT功率半导体模块的失效原因都与热量有关,因此,可靠的热管理是保障IGBT长期使用的当务之急。IGBT的可靠性也成为目前行业研究的热点所在。

二,JONES针对IGBT模块的高效热管理方法

从热设计的角度而言,可以从三个方面降低热阻:封装材料,TIM,散热器。目前,IGBT主要散热方案为风冷与液冷,将IGBT直接安装在散热器上,IGBT模块的热量通过TIM直接传递到散热器的外壳,再通过风冷或液冷强制对流的方式将热量带走。

‍IGBT模块散热示意图

近年来,对IGBT用TIM提出了更高的要求:低热阻及长期使用的可靠性。为了保障客户对不同IGBT模块散热需求,JONES针对客户的不同应用需求,提出多项选择的高可靠性散热解决方案。

1) JonES 21-6series 系列TIM石墨
保驾IGBT模块,长效可靠不维修


JonES 21-6series系列 TIM石墨系列属于低密度石墨,具有一定的压缩性能,因其具有长期使用可靠性已在客户大量应用。JONES工程师用 200μm TIM 石墨和 3.3W/m·K 常规 Thermal Grease 进行了压缩—热阻测试对比,在 70 PSI 的压缩应力下,TIM 石墨的热阻更低,具有更加优异的导热效果,并且具有长期的耐高低温性能。可大幅度降低客户后期因维修产生的费用。

与此同时,TIM 石墨水平热扩散系数达到900 mm2/s,且可模切成特定形状易安装,目前已实现在终端客户的自动化装配。
                                                                                
Thermal Resistance vs Compression

 

2) JonES 21-4series 系列抗“Pump-out”导热硅脂
保护IGBT模块,安全运行恒稳定

导热硅脂因其表面润湿性好,接触热阻低,最早作为 TIM 应用在 IGBT 模块。但受功率器件长期工作热胀冷缩的影响,根据以往使用传统导热硅脂的经验,多少会存在固有材料的迁移现象,也就是所说的“泵出”(pump-out)的问题,从而使 IGBT 模块与散热器之间产生空气间隙,接触热阻增大。另一方面,传统硅脂还会随着小分子硅油的挥发,出现砂化变干的问题,从而影响散热效果,且后期维护不易清理、厚度不可控。因此,传统硅脂散热方案,也会使客户对IGBT模块的可靠性和性能会产生疑虑。

 

JONES抗“Pump-out”导热硅脂系列产品,完美解决传统导热硅脂泵出问题,确保 IGBT 模块更加有效的散热和可靠的运行。

 

3)JonES 21-7series 系列导热相变材料
保障IGBT模块,释放潜热新选择

导热相变材料是一种随温度变化而改变形态的材料。JonES 21-7系列导热相变材料,在室温下保持固态,直到 IGBT 模块设备的工作热量使其“熔化”并浸润整个界面,其极低的热阻可高效的将热量导出。在低于相变温度时,又转变成固态,可避免像导热硅脂那样溢出的风险。

JONES持续探索热界面材料新配方,应对IGBT模块导热的新挑战,确保设备在其生命周期内,具有稳定的热性能而开发更加散热高效和运行可靠的整体热管理解决方案。

(来源:
JONES

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