電力電子行業(yè)正在不斷努力以增強(qiáng)功率模塊的可靠性。該行業(yè)研究工作的主要焦點(diǎn)是半導(dǎo)體芯片、封裝技術(shù)和DBC陶瓷基板。然而，對(duì)于安裝在散熱器上的功率模塊，其脆弱點(diǎn)是模塊和散熱器之間因接觸面不平整而產(chǎn)生的“縫隙”，必須用導(dǎo)熱介質(zhì)填充以除去其中的氣泡。

    賽米控正在設(shè)法使這兩層間的“縫隙”閉合。首先，通過(guò)提供專業(yè)的導(dǎo)熱涂層處理服務(wù)：Pre-applied Thermal Paste for Power Modules（預(yù)涂功率模塊導(dǎo)熱涂層），已有超過(guò)70萬(wàn)塊功率模塊印刷上了導(dǎo)熱涂層。

    導(dǎo)熱介質(zhì)的指定用途

    導(dǎo)熱介質(zhì)通常由塑料載體材料（如硅油）和諸如氧化鋅、石墨或銀等的導(dǎo)熱填充物質(zhì)組成。它們可以以膏狀物、粘合劑、相變材料和薄膜的形式提供。熱界面材料導(dǎo)熱比空氣好，通常熱導(dǎo)率（λ）為0.5–6W/mK。表1顯示了功率模塊中常用材料的比熱導(dǎo)率。Wacker公司的導(dǎo)熱涂層P12被選為參照樣本。熱阻值R(th)是基于特定模塊的熱擴(kuò)散來(lái)顯示的。

    表1：功率半導(dǎo)體模塊中常用材料的比熱導(dǎo)率

    如果導(dǎo)熱涂層的熱導(dǎo)率與功率模塊中其他組件的熱導(dǎo)率相比較（見(jiàn)表1），導(dǎo)熱涂層的并不是特別好。取決于模塊和與散熱器結(jié)合，導(dǎo)熱涂層對(duì)模塊總體熱阻R(thjs)的貢獻(xiàn)度約為20-65％。因此，導(dǎo)熱涂層必須盡可能薄，但又要達(dá)到所需的厚度（見(jiàn)圖1）。

圖1：熱阻對(duì)熱界面材料層厚度的關(guān)聯(lián)性

    太薄的導(dǎo)熱涂層會(huì)使模塊底部和散熱器頂部之間產(chǎn)生氣泡，帶來(lái)較高的熱阻Rth(cs)。一旦達(dá)到最佳厚度，外殼和散熱器之間的熱阻再次隨導(dǎo)熱涂層厚度的增加而快速增大。這是因?yàn)闊醾鲗?dǎo)介質(zhì)的熱導(dǎo)率是非常低于功率半導(dǎo)體模塊中的其他材料的熱導(dǎo)率。每種安裝在散熱器上的模塊的最小值是不同的，必須通過(guò)合適的測(cè)試進(jìn)行確定。

    導(dǎo)熱涂層成分的重要性

    R(th)測(cè)試表明，實(shí)際應(yīng)用中的導(dǎo)熱涂層熱導(dǎo)率不僅僅取決于它的比熱導(dǎo)率，而且還與其成分相關(guān)。導(dǎo)熱涂層填料粒子越大，比導(dǎo)熱率越高。填料粒子的大小決定了最小層厚度。經(jīng)過(guò)幾次溫度循環(huán)，粒子小的涂層，幾乎可以允許在那些壓力特別高的點(diǎn)上進(jìn)行金屬對(duì)金屬的接觸，從而使R(thcs)顯著減小。

    可采用滾輪或印刷工藝將導(dǎo)熱涂層涂在模塊或散熱器上。在采用滾輪涂覆時(shí)，通常用橡膠輥，而最常用的印刷方法是絲網(wǎng)印刷或模版印刷。

    在模板和絲網(wǎng)印刷中，如果采用自動(dòng)印刷方法，可以得到比滾輪處理更好的效果。手工印刷，可能會(huì)帶來(lái)相當(dāng)大的處理偏差。但是，自動(dòng)模板印刷處理的發(fā)展，其特點(diǎn)是連續(xù)過(guò)程監(jiān)測(cè)，需要大量的投資，在經(jīng)濟(jì)上只對(duì)大批量的生產(chǎn)有意義。

    除了遵守建議的涂層厚度，處理時(shí)應(yīng)注意確保導(dǎo)熱涂層在模塊的底部或者散熱器的表面均勻分布。非均勻分布的導(dǎo)熱涂層（極端的例子：一個(gè)或幾個(gè)導(dǎo)熱膏小斑點(diǎn)）會(huì)導(dǎo)致DBC陶瓷基板破損（圖2）。這適用于帶底板或不帶底板的模塊。除此之外，導(dǎo)熱涂層的不均勻也可能由于模塊底部和散熱器表面頂部之間的氣泡而導(dǎo)致局部過(guò)熱。

圖2：導(dǎo)熱涂層處理有問(wèn)題的模塊底部

    導(dǎo)熱涂層厚度的測(cè)量

    導(dǎo)熱涂層的厚度可以直接或間接測(cè)量。例如，一種間接測(cè)量厚度的方法是通過(guò)使用合適的秤測(cè)量皮重來(lái)秤導(dǎo)熱涂層。一個(gè)導(dǎo)熱涂層直接非接觸測(cè)量的例子是采用光學(xué)輪廓測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)量，如Nano Focus的µSCAN。其他可用于直接測(cè)量導(dǎo)熱涂層的設(shè)備包括測(cè)厚儀，如濕膜梳（例如Zehntner公司的ZND 2051或Elcometer Instruments或BYK Gardner（PG-3504）或濕膜輪（如Zehntner公司的ZWW 2100-2102或BYK Gardner），然而，這些儀器的缺點(diǎn)是它們可能會(huì)導(dǎo)致某些地方涂層的損壞。

    確定導(dǎo)熱涂層的最佳厚度

    與特定散熱器表面想匹配的特定導(dǎo)熱涂層的最小厚度可通過(guò)一個(gè)規(guī)定的過(guò)程確定。起始的最小厚度約為10µm，然后每一步增加10µm（另一種選擇是輪換這些步驟）。這里，導(dǎo)熱涂層根據(jù)模塊制造商指定的規(guī)格被涂覆到模塊或散熱片或者鋁板上。當(dāng)擰緊安裝螺絲，必須遵守模塊制造商做規(guī)定的擰緊力矩。為了實(shí)現(xiàn)松弛的系統(tǒng)狀態(tài)，已安裝和擰緊的模塊應(yīng)經(jīng)過(guò)3次熱循環(huán)（20°C/100°C/1h）。

    熱循環(huán)后，無(wú)底板模塊無(wú)法輕易地在沒(méi)有破壞的情況下被移走，因?yàn)槟�塊被壓到散熱片/鋁板上了，粘的導(dǎo)熱涂層分布其中，產(chǎn)生巨大的附著力。為確保非破壞性拆除，模塊在螺絲擰松后應(yīng)該在室溫下保持不被觸摸12小時(shí)，或者經(jīng)歷1-2次熱循環(huán)。

    一旦模塊被旋松，模塊底部的壓印花紋將顯示出導(dǎo)熱涂層是否在模塊和散熱器之間提供了最佳的接觸。圖3（左）顯示了一個(gè)含有大面積導(dǎo)熱涂層沒(méi)被接觸的模塊底部。這表明，導(dǎo)熱涂層實(shí)際太薄（約30µm左右）。圖3（右）顯示了一個(gè)完全被導(dǎo)熱涂層覆蓋的散熱底部，除了一些實(shí)現(xiàn)了金屬對(duì)金屬接觸的高壓點(diǎn)。這是導(dǎo)熱涂層最佳（約50µm）的象征。

圖3：糟糕的（左）和最佳的（右）模塊導(dǎo)熱涂層處理

    通過(guò)為單獨(dú)的安裝在散熱器上的模塊提供優(yōu)化的導(dǎo)熱涂層厚度和采用自動(dòng)處理工藝以保證質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，熱傳導(dǎo)介質(zhì)的缺點(diǎn)可在一定程度上被彌補(bǔ)。然而，功率模塊和散熱器之間出現(xiàn)的“縫隙”問(wèn)題，仍然具有最大的改善潛力。

    導(dǎo)熱涂層處理服務(wù)

    賽米控提供的導(dǎo)熱涂層處理服務(wù)，簡(jiǎn)化了模塊往散熱器上的組裝。生產(chǎn)人員的手套不再有被導(dǎo)熱涂層污染的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)熱涂層也不會(huì)偶然進(jìn)入產(chǎn)品中。這種被優(yōu)化的，為模塊特制的導(dǎo)熱涂層厚度降低了整體的熱阻及 DBC陶瓷基板破碎的風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)熱涂層通過(guò)自動(dòng)印刷過(guò)程處理，模塊特定的導(dǎo)熱涂層號(hào)稱精度達(dá)到+/-10µm。處理過(guò)程采用六西格瑪質(zhì)量控制方法監(jiān)控。帶有導(dǎo)熱涂層的模塊用特制的、受專利保護(hù)的包裝運(yùn)給客戶，以確保含有導(dǎo)熱涂層的成品模塊在運(yùn)輸中不被接觸。導(dǎo)熱涂層的模塊最長(zhǎng)可以存儲(chǔ)在包裝中18個(gè)月。現(xiàn)可以為SKiM 63和93、SEMIPACK 2、SEMITRANS 2和MiniSKiiP模塊提供導(dǎo)熱涂層處理服務(wù)。■