汽車用IGBT內(nèi)部接觸熱阻優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究

郎明志，孫元，李楚橋，王鳳輝，肖峰，楊歆雨

（長安大學(xué)，陜西 西安 710061）

引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車內(nèi)部電子器件越來越多，其功率密度也逐步增加，工作溫度也不斷升高。在 2016年10月8日德國參議院通過了關(guān)于2030年禁止內(nèi)燃機(jī)汽車上路的提案后，各大企業(yè)和高校紛紛展開對(duì)新能源汽車的猛烈研究，加快新能源汽車的發(fā)展，特別是大力投入電動(dòng)汽車的研發(fā)。IGBT作為電動(dòng)汽車控制控制器的核心模塊，其功率密度逐步增加，溫度也逐步增加。為了滿足電動(dòng)汽車對(duì) IGBT器件應(yīng)用的不斷需求，熱可靠性已經(jīng)成為了IGBT器件的巨大挑戰(zhàn)。故對(duì)IGBT器件的散熱性能研究具有重大意義。由于接觸熱阻大約占了壓蓋式 IGBT總熱阻的50%，所以優(yōu)化IGBT的接觸熱阻能極大改善其散熱性能。本文以簡(jiǎn)化后IGBT模型為實(shí)驗(yàn)主體，研究在接觸熱界面涂抹不同導(dǎo)熱硅脂對(duì)接觸熱阻的影響，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，根據(jù)是否涂抹導(dǎo)熱硅脂以及導(dǎo)熱硅脂性能分為三個(gè)大工況，在每個(gè)工況下又根據(jù)功率不同，每個(gè)大工況分為四個(gè)小工況，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 理論與模型簡(jiǎn)化

1.1 接觸熱阻定義

當(dāng)兩個(gè)粗糙表面被接觸時(shí)，實(shí)際接觸僅發(fā)生在某些離散點(diǎn)或微接觸處，而非接觸區(qū)域形成真空或者一些介質(zhì)（例如空氣，水或油）填充在內(nèi)。實(shí)際接觸面積大約只占理想接觸面積的0.01%-0.1%，即使在接觸壓力10 MPa下，該比例僅僅增加到 1%-2%。因?yàn)閷?shí)際的接觸面積相對(duì)較小，界面氣體的熱導(dǎo)率也相對(duì)微小，通過界面的熱流經(jīng)歷相對(duì)較大的熱阻，通常稱為接觸熱阻[2]。

1.2 接觸熱阻測(cè)量方法的選擇

接觸熱阻的測(cè)量方法一般有三種，一是熱電偶法，熱電偶是接觸式測(cè)量方法，存在較大干擾，故精度不高。二是紅外成像系統(tǒng)測(cè)量法，也叫紅外熱像儀，雖然精度可以達(dá)到0.1℃。但只能采集一個(gè)二維界面上的溫度。三是光熱法，光熱法是瞬時(shí)過程中廣泛使用的接觸熱阻測(cè)量方法。熱接觸電阻是通過熱波和調(diào)制波遇到界面后的相位差獲得的。然而，由于熱波在接觸界面擴(kuò)散，破壞了他們的相位關(guān)系，所以光熱法的精度受到界面特性的影響，結(jié)果也不太準(zhǔn)確。本實(shí)驗(yàn)采用紅外成像系統(tǒng)測(cè)量法，通過測(cè)量散熱器表面溫度變化來體現(xiàn)接觸熱阻的變化[3]。

1.3 模型簡(jiǎn)化

由于實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，無法對(duì)一個(gè)正在工作中的汽車IGBT工作負(fù)荷進(jìn)行任意調(diào)動(dòng)，以及涂抹不同的導(dǎo)熱硅脂在熱接觸面處，故需要對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。由于本文研究側(cè)重點(diǎn)在接觸熱阻，所以將IGBT的功率模塊簡(jiǎn)化為兩個(gè)模擬發(fā)熱模塊，發(fā)熱模塊由加熱電阻和銅片組成，通過控制加熱電阻上輸入的電流電壓來實(shí)現(xiàn)模塊發(fā)熱功率的變化。

2 實(shí)驗(yàn)的建立

本實(shí)驗(yàn)的目的是為了優(yōu)化汽車IGBT的內(nèi)部接觸熱阻，從而使IGBT工作在靠的溫度范圍內(nèi)，保證其可靠性。故設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn),測(cè)量在熱界面處涂抹不同導(dǎo)熱硅脂時(shí)散熱器表面溫度，并用來反應(yīng)其內(nèi)部接觸熱阻的變化，尋找減少接觸熱阻的方法。

圖1

實(shí)驗(yàn)工具如圖1所示主要包括：紅外熱像儀，其主要作用是拍攝紅外熱像圖，測(cè)量散熱器表面溫度；溫度計(jì)，其作用是測(cè)量室內(nèi)環(huán)境溫度，使實(shí)驗(yàn)控制在 22-23℃的室溫條件下；三腳架，其作用是固定紅外熱像儀的位置，使每次拍攝時(shí)紅外熱像儀保持相同焦距，減少實(shí)驗(yàn)誤差；直流穩(wěn)壓電源，為發(fā)熱模塊施加可調(diào)大小的電流和電壓，為發(fā)熱模塊提供不同的發(fā)熱功率；筆記本電腦，其作用是讀取紅外熱像圖；數(shù)據(jù)采集卡用于記錄各個(gè)工況下散熱器表面溫度。實(shí)驗(yàn)主體是由發(fā)熱模塊，底部基座，熱界面材料，肋板式散熱器組成的模擬IGBT封裝系統(tǒng)，其中圖2系統(tǒng)原理圖。

圖2

根據(jù)是否涂抹導(dǎo)熱硅脂以及導(dǎo)熱硅脂的性能將實(shí)驗(yàn)工況分為如下三個(gè)大工況：

①涂抹導(dǎo)熱硅脂②涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W/m·K的導(dǎo)熱硅脂（型號(hào)為國產(chǎn)卡夫特K-5211）③涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為6.0 W/m· K的導(dǎo)熱硅脂（型號(hào)為德國 Keratherm KP-98）根據(jù)不同的功率負(fù)荷，每個(gè)工況包含四個(gè)不同功率負(fù)荷。發(fā)熱模塊功率分配表如表1。

表1 模擬發(fā)熱模塊功耗分配表

實(shí)驗(yàn)方法是將導(dǎo)熱硅脂均勻涂抹在與熱界面材料接觸的發(fā)熱模塊上表面以及散熱器底面，如圖2所示，然后將穩(wěn)壓直流電源調(diào)試到表2的相應(yīng)功率負(fù)荷，對(duì)發(fā)熱模塊進(jìn)行加熱至穩(wěn)態(tài)，即散熱器表面溫度不在變化。并用紅外熱像儀拍攝散熱器表面的溫度分布圖。重復(fù)以上步驟，直至所有工況實(shí)驗(yàn)做完。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟和要求，完成實(shí)驗(yàn)后得到了各個(gè)工況負(fù)荷下散熱器表面的最高溫度，平均溫度如表3所示，abc分別代表不涂抹導(dǎo)熱硅脂、涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W/m·K的導(dǎo)熱硅脂和涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為6.0 W/m·K的導(dǎo)熱硅脂的三種工況。

由圖3可以看出，在熱接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂后，散熱器表面溫度增加，最大增加幅度約11.39%， 這說明涂抹導(dǎo)熱硅脂能有效的降低接觸面的熱阻，將熱量從IGBT內(nèi)部帶到散熱器表面。在低功率負(fù)荷功率時(shí)，溫度上升不明顯。在高功率負(fù)荷下溫度上升明顯，其散熱效果也就更好。

圖3 涂抹不同導(dǎo)熱硅脂對(duì)散熱器表面平均溫度的影響

4 結(jié)論

給熱接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂以后，散熱器表面最高溫度和平均溫度均有明顯的升高，接觸面的接觸熱阻下降也十分明顯。這是由于導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，可以迅速將熱量從IGBT內(nèi)部帶出。

涂抹導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱硅脂比導(dǎo)熱系數(shù)一般的導(dǎo)熱硅脂的效果好，在采用涂抹導(dǎo)熱硅脂來降低接觸熱阻時(shí)，應(yīng)該選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱硅脂。

本次實(shí)驗(yàn)中涂抹導(dǎo)熱硅脂后，散熱器表面的溫度升高，其主要原因是涂抹導(dǎo)熱硅脂后，接觸熱阻降低，大量熱量就帶到了散熱器，實(shí)驗(yàn)是在整個(gè)裝置自然冷卻的條件下進(jìn)行的，散熱器表面熱量沒及時(shí)傳導(dǎo)到空氣中，故散熱器表面溫度升高。

[1] Erping Deng a,b, Zhibin Zhao a, Peng Zhang b, Yongzhang Huang a,Jinyuan Li b. Optimization of the thermal contact resistance within press pack IGBTs [J] .Microelectronics Reliability 69(2017) 17-28.

[2] Yovanovich M M, Marotta E E.Thermal Spreading and Contact Resistances [M].New Jersey: wiley, 2003:261-395.

[3] 張平,宣益民,李強(qiáng)界面接觸熱阻的研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào).2012.02.