汽車用IGBT內部接觸熱阻優化的實驗研究

郎明志，孫元，李楚橋，王鳳輝，肖峰，楊歆雨

（長安大學，陜西 西安 710061）

引言

隨著汽車工業的不斷發展，汽車內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于2030年禁止內燃機汽車上路的提案后，各大企業和高校紛紛展開對新能源汽車的猛烈研究，加快新能源汽車的發展，特別是大力投入電動汽車的研發。IGBT作為電動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。為了滿足電動汽車對 IGBT器件應用的不斷需求，熱可靠性已經成為了IGBT器件的巨大挑戰。故對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%，所以優化IGBT的接觸熱阻能極大改善其散熱性能。本文以簡化后IGBT模型為實驗主體，研究在接觸熱界面涂抹不同導熱硅脂對接觸熱阻的影響，搭建實驗臺架，根據是否涂抹導熱硅脂以及導熱硅脂性能分為三個大工況，在每個工況下又根據功率不同，每個大工況分為四個小工況，從而進行實驗。

1 理論與模型簡化

1.1 接觸熱阻定義

當兩個粗糙表面被接觸時，實際接觸僅發生在某些離散點或微接觸處，而非接觸區域形成真空或者一些介質（例如空氣，水或油）填充在內。實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%。因為實際的接觸面積相對較小，界面氣體的熱導率也相對微小，通過界面的熱流經歷相對較大的熱阻，通常稱為接觸熱阻[2]。

1.2 接觸熱阻測量方法的選擇

接觸熱阻的測量方法一般有三種，一是熱電偶法，熱電偶是接觸式測量方法，存在較大干擾，故精度不高。二是紅外成像系統測量法，也叫紅外熱像儀，雖然精度可以達到0.1℃。但只能采集一個二維界面上的溫度。三是光熱法，光熱法是瞬時過程中廣泛使用的接觸熱阻測量方法。熱接觸電阻是通過熱波和調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散，破壞了他們的相位關系，所以光熱法的精度受到界面特性的影響，結果也不太準確。本實驗采用紅外成像系統測量法，通過測量散熱器表面溫度變化來體現接觸熱阻的變化[3]。

1.3 模型簡化

由于實驗受到實驗條件的限制，無法對一個正在工作中的汽車IGBT工作負荷進行任意調動，以及涂抹不同的導熱硅脂在熱接觸面處，故需要對其進行模型簡化。由于本文研究側重點在接觸熱阻，所以將IGBT的功率模塊簡化為兩個模擬發熱模塊，發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現模塊發熱功率的變化。

2 實驗的建立

本實驗的目的是為了優化汽車IGBT的內部接觸熱阻，從而使IGBT工作在靠的溫度范圍內，保證其可靠性。故設計以下實驗,測量在熱界面處涂抹不同導熱硅脂時散熱器表面溫度，并用來反應其內部接觸熱阻的變化，尋找減少接觸熱阻的方法。

圖1

實驗工具如圖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，測量散熱器表面溫度；溫度計，其作用是測量室內環境溫度，使實驗控制在 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，使每次拍攝時紅外熱像儀保持相同焦距，減少實驗誤差；直流穩壓電源，為發熱模塊施加可調大小的電流和電壓，為發熱模塊提供不同的發熱功率；筆記本電腦，其作用是讀取紅外熱像圖；數據采集卡用于記錄各個工況下散熱器表面溫度。實驗主體是由發熱模塊，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，其中圖2系統原理圖。

圖2

根據是否涂抹導熱硅脂以及導熱硅脂的性能將實驗工況分為如下三個大工況：

①涂抹導熱硅脂②涂抹導熱系數為1.2W/m·K的導熱硅脂（型號為國產卡夫特K-5211）③涂抹導熱系數為6.0 W/m· K的導熱硅脂（型號為德國 Keratherm KP-98）根據不同的功率負荷，每個工況包含四個不同功率負荷。發熱模塊功率分配表如表1。

表1 模擬發熱模塊功耗分配表

實驗方法是將導熱硅脂均勻涂抹在與熱界面材料接觸的發熱模塊上表面以及散熱器底面，如圖2所示，然后將穩壓直流電源調試到表2的相應功率負荷，對發熱模塊進行加熱至穩態，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。重復以上步驟，直至所有工況實驗做完。

3 實驗結果及分析

根據實驗步驟和要求，完成實驗后得到了各個工況負荷下散熱器表面的最高溫度，平均溫度如表3所示，abc分別代表不涂抹導熱硅脂、涂抹導熱系數為1.2W/m·K的導熱硅脂和涂抹導熱系數為6.0 W/m·K的導熱硅脂的三種工況。

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

圖3 涂抹不同導熱硅脂對散熱器表面平均溫度的影響

4 結論

給熱接觸面涂抹導熱硅脂以后，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。這是由于導熱硅脂的導熱系數遠遠大于空氣的導熱系數，可以迅速將熱量從IGBT內部帶出。

涂抹導熱系數較高的導熱硅脂比導熱系數一般的導熱硅脂的效果好，在采用涂抹導熱硅脂來降低接觸熱阻時，應該選擇導熱系數較高的導熱硅脂。

本次實驗中涂抹導熱硅脂后，散熱器表面的溫度升高，其主要原因是涂抹導熱硅脂后，接觸熱阻降低，大量熱量就帶到了散熱器，實驗是在整個裝置自然冷卻的條件下進行的，散熱器表面熱量沒及時傳導到空氣中，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,李強界面接觸熱阻的研究進展[J].化工學報.2012.02.