在功率半導(dǎo)體模塊散熱系統(tǒng)應(yīng)用中，通常都會(huì)采用導(dǎo)熱硅脂將功率器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱器上，再通過風(fēng)冷或水冷的方式將熱量散出。在實(shí)際應(yīng)用中，很多熱設(shè)計(jì)工程師更多地關(guān)注散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而忽略了導(dǎo)熱硅脂的正確使用。正確地使用導(dǎo)熱硅脂不僅能提高功率模塊的散熱能力，而且還能提高其在使用過程中的可靠性。那么對(duì)于一個(gè)特定的功率模塊，如何選擇種導(dǎo)熱硅脂?采用哪種涂抹方式?要涂抹多厚?這些都是我們常見的問題。回答這些問題之前，我們先了解下導(dǎo)熱硅脂在功率模塊散熱系統(tǒng)中的作用。

導(dǎo)熱硅脂在功率模塊散熱系統(tǒng)中的作用

在功率模塊散熱系統(tǒng)中，芯片為發(fā)熱源，通過多層不同材料將熱量傳遞到冷卻劑(風(fēng)或液體)，最后通過冷卻劑的流動(dòng)將熱量導(dǎo)出系統(tǒng)，其中每一層材料都有不同的導(dǎo)熱率。功率模塊基板及散熱器多使用銅和鋁等金屬材料，銅的導(dǎo)熱率約為390W/(m.K);鋁的導(dǎo)熱率約為200W/(m.K)。這些金屬材料的導(dǎo)熱率都非常高，表示其導(dǎo)熱性能非常好，那為何還要在功率模塊與散熱器之間使用導(dǎo)熱率只有0.5~6W/(m.K)的導(dǎo)熱硅脂呢?

原因在于，當(dāng)兩個(gè)金屬表面相接觸時(shí)，理想狀態(tài)為金屬表面直接接觸，實(shí)現(xiàn)完全金屬-金屬接觸，但在現(xiàn)實(shí)中兩金屬表面之間并不能形成直接接觸，微觀上兩金屬表面間存在大量的空隙，如圖1所示。這些空隙充滿著空氣，而空氣的導(dǎo)熱率只有約0.003W/(m.K)，導(dǎo)熱能力非常差，導(dǎo)熱硅脂的使用就是為了填充這些空隙中的空氣，同時(shí)保持既有的金屬-金屬接觸，以達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)散熱性能。

導(dǎo)熱硅脂的厚度

導(dǎo)熱硅脂的厚度直接影響模塊基板到散熱器的熱阻，導(dǎo)熱硅脂既不能太薄，也不能太厚，而是要控制在一定的范圍內(nèi)。若導(dǎo)熱硅脂涂的太薄，那么金屬接觸面處空隙中的空氣無法被充分填充，模塊散熱能力會(huì)降低;若導(dǎo)熱硅脂涂的太厚，模塊基板和散熱器之間無法形成有效的金屬-金屬接觸，模塊散熱能力同樣會(huì)降低。因此，在應(yīng)用中要將導(dǎo)熱硅脂的厚度控制在理想值附近的一個(gè)范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)功率模塊到散熱器最優(yōu)的熱傳導(dǎo)性能。

不同模塊型號(hào)對(duì)導(dǎo)熱硅脂的厚度要求是不同的，各半導(dǎo)體模塊生產(chǎn)廠家會(huì)對(duì)各模塊型號(hào)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格測試，以得出合適的導(dǎo)熱硅脂厚度，這個(gè)參數(shù)一般會(huì)標(biāo)注于各產(chǎn)品的安裝指導(dǎo)或技術(shù)說明中。需要指出的是，模塊生產(chǎn)廠家一般是根據(jù)某一特定型號(hào)導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行測試而得到厚度值，如果使用其它與之特性區(qū)別較大的導(dǎo)熱硅脂，需要重新進(jìn)行測試而得出最佳的厚度。實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于有銅基板的模塊，其導(dǎo)熱硅脂的厚度一般在80~100um;對(duì)于無銅基板的模塊，其導(dǎo)熱硅脂的厚度一般在40~50um。

導(dǎo)熱硅脂的涂抹方式

在現(xiàn)有工藝條件下，導(dǎo)熱硅脂的涂抹主要有三種方式：滾筒涂抹、絲網(wǎng)印刷和鋼網(wǎng)印刷。滾筒涂抹是最傳統(tǒng)、也是最簡易的涂抹方式，而絲網(wǎng)和鋼網(wǎng)印刷則為均勻度和厚度可精準(zhǔn)控制的涂抹方式，硅脂厚度由絲網(wǎng)或鋼網(wǎng)的厚度和網(wǎng)孔尺寸嚴(yán)格控制，印刷過程可保證硅脂的均勻度。絲網(wǎng)適用于硅脂厚度較薄的應(yīng)用，而鋼網(wǎng)適用于硅脂厚度較厚的應(yīng)用。