絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）是新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和高壓電源開(kāi)關(guān)裝置中的關(guān)鍵部件，也是大功率半導(dǎo)體中具有代表性的平臺(tái)器件，它能大幅提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率，目前廣泛應(yīng)用于照明、汽車、高鐵等領(lǐng)域。它作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，無(wú)論在工業(yè)、 通信、3C電子等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還是軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，IGBT都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
IGBT模塊即是功率器件，其具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功率處理能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。但也離不開(kāi)熱學(xué)特性，功率半導(dǎo)體模塊的弱點(diǎn)是過(guò)壓過(guò)熱，因此，其處理熱量的能力則會(huì)限制其高功率的應(yīng)用。作為一個(gè)具有高熱流密度的電力電子控制電路的核心功能器件，大部分的 IGBT 模塊的失效都與熱故障有關(guān)，熱量的積累會(huì)嚴(yán)重影響器件的工作狀態(tài)和性能，若溫度過(guò)高（150°C），也會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模塊的正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至是損壞。因此，對(duì)IGBT做有效的熱檢測(cè)與管理十分重要。正和鋁業(yè)針對(duì)高熱流密度元器件有專業(yè)的技術(shù)及設(shè)計(jì)工程師，可以針對(duì)不同的IGBT項(xiàng)目設(shè)計(jì)高效，穩(wěn)定，緊湊輕便的液冷換熱方案。
一，IGBT的熱管理
IGBT因其高功率密度而產(chǎn)生大量熱量，功率器件與散熱器之間存在的空氣間隙會(huì)產(chǎn)生非常大的接觸熱阻，顯著增大兩個(gè)界面之間的溫差。為了確保IGBT模塊高效、安全和穩(wěn)定地工作，對(duì)其熱管理技術(shù)也是新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用的最重要環(huán)節(jié)。一般用來(lái)降低界面接觸熱阻的方法是填充柔軟的導(dǎo)熱材料，即熱界面材料（Thermal Interface Materials，TIM）。合理的選擇TIM，不僅要考慮其熱傳導(dǎo)能力，還要兼顧生產(chǎn)中的工藝、維護(hù)操作性及長(zhǎng)期可靠性。10℃法則表明：器件溫度每降低10℃，可靠性增加1倍，目前由于IGBT因熱失控而導(dǎo)致失效的現(xiàn)象最為常見(jiàn)，可以說(shuō)，大部分的IGBT功率半導(dǎo)體模塊的失效原因都與熱量有關(guān)，因此，可靠的熱管理是保障IGBT長(zhǎng)期使用的當(dāng)務(wù)之急。IGBT的可靠性也成為目前行業(yè)研究的熱點(diǎn)所在。
二、IGBT散熱的分類
目前IGBT散熱形式有2種：被動(dòng)散熱（通過(guò)自然對(duì)流的方式進(jìn)行散熱，無(wú)需借助外界力即可將熱量散至大氣環(huán)境中）和主動(dòng)散熱（如風(fēng)冷或水冷）。
1、被動(dòng)散熱包括：
翅片散熱：IGBT 產(chǎn)生的熱量將通過(guò)散熱器翅片自然對(duì)流散發(fā)；
熱管冷卻技術(shù)：作為兩相傳熱設(shè)備的熱管，具有低傳熱溫差、高傳熱性能，高有效熱導(dǎo)率優(yōu)點(diǎn)，工作原理簡(jiǎn)單，無(wú)需機(jī)械維護(hù)，純簡(jiǎn)單易操作的被動(dòng)方式（若嵌入翅片，散熱效率將有更大的提升）；
基于相變材料（Phase Change Material,PCM）的散熱：利用物質(zhì)在相變時(shí)釋放或吸收潛熱，實(shí)現(xiàn)傳熱控制的新型材料。
2、主動(dòng)散熱包括：風(fēng)冷散熱技術(shù)：對(duì)有大功率和熱通量的IGBT散熱需求提供足夠的冷卻，強(qiáng)化風(fēng)冷散熱的措施主要為增大散熱面積、提高換熱系數(shù)和合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，這與散熱器材料，結(jié)構(gòu)，翼片等有關(guān)。相較于自然冷卻的方式，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱量可提高5~12倍。但需要注意的是強(qiáng)制風(fēng)冷需要配置風(fēng)機(jī)和風(fēng)路，可能會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。
液冷散熱技術(shù)：當(dāng)設(shè)備的功率十分大時(shí)（兆伏安級(jí)別下），受風(fēng)道、風(fēng)壓與噪聲指標(biāo)等條件的限制，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱技術(shù)無(wú)法滿足更高的散熱需求時(shí)，水冷散熱是個(gè)很好的選擇，液冷板散熱系數(shù)約為空氣自然冷卻的100-300倍。有時(shí)出于對(duì)絕緣性要求的考慮，在高壓大功率的電力電子裝置中會(huì)使用油冷式散熱。
三，JONES針對(duì)IGBT模塊的高效熱管理方法
從熱設(shè)計(jì)的角度而言，可以從三個(gè)方面降低熱阻：封裝材料，TIM，散熱器。目前，IGBT主要散熱方案為風(fēng)冷與液冷，將IGBT直接安裝在散熱器上，IGBT模塊的熱量通過(guò)TIM直接傳遞到散熱器的外殼，再通過(guò)風(fēng)冷或液冷強(qiáng)制對(duì)流的方式將熱量帶走。
近年來(lái)，對(duì)IGBT用TIM提出了更高的要求：低熱阻及長(zhǎng)期使用的可靠性。為了保障客戶對(duì)不同IGBT模塊散熱需求，JONES針對(duì)客戶的不同應(yīng)用需求，提出多項(xiàng)選擇的高可靠性散熱解決方案。
1、JONES 21-6series 系列TIM石墨
保駕IGBT模塊，長(zhǎng)效可靠不維修
JONES 21-6series系列 TIM石墨系列屬于低密度石墨，具有一定的壓縮性能，因其具有長(zhǎng)期使用可靠性已在客戶大量應(yīng)用。JONES工程師用 200μm TIM 石墨和 3.3W/m·K 常規(guī) Thermal Grease 進(jìn)行了壓縮—熱阻測(cè)試對(duì)比，在 70 PSI 的壓縮應(yīng)力下，TIM 石墨的熱阻更低，具有更加優(yōu)異的導(dǎo)熱效果，并且具有長(zhǎng)期的耐高低溫性能?？纱蠓冉档涂蛻艉笃谝蚓S修產(chǎn)生的費(fèi)用。與此同時(shí)，TIM 石墨水平熱擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到900 mm2/s，且可模切成特定形狀易安裝，目前已實(shí)現(xiàn)在終端客戶的自動(dòng)化裝配。
2、JONES 21-4series 系列抗“Pump-out”導(dǎo)熱硅脂
保護(hù)IGBT模塊，安全運(yùn)行恒穩(wěn)定
導(dǎo)熱硅脂因其表面潤(rùn)濕性好，接觸熱阻低，最早作為 TIM 應(yīng)用在 IGBT 模塊。但受功率器件長(zhǎng)期工作熱脹冷縮的影響，根據(jù)以往使用傳統(tǒng)導(dǎo)熱硅脂的經(jīng)驗(yàn)，多少會(huì)存在固有材料的遷移現(xiàn)象，也就是所說(shuō)的“泵出”（pump-out）的問(wèn)題，從而使 IGBT 模塊與散熱器之間產(chǎn)生空氣間隙，接觸熱阻增大。另一方面，傳統(tǒng)硅脂還會(huì)隨著小分子硅油的揮發(fā)，出現(xiàn)砂化變干的問(wèn)題，從而影響散熱效果，且后期維護(hù)不易清理、厚度不可控。因此，傳統(tǒng)硅脂散熱方案，也會(huì)使客戶對(duì)IGBT模塊的可靠性和性能會(huì)產(chǎn)生疑慮。
JONES抗“Pump-out”導(dǎo)熱硅脂系列產(chǎn)品，完美解決傳統(tǒng)導(dǎo)熱硅脂泵出問(wèn)題，確保 IGBT 模塊更加有效的散熱和可靠的運(yùn)行。
3、JONES 21-7series 系列導(dǎo)熱相變材料
保障IGBT模塊，釋放潛熱新選擇導(dǎo)熱相變材料是一種隨溫度變化而改變形態(tài)的材料。JONES 21-7系列導(dǎo)熱相變材料，在室溫下保持固態(tài)，直到 IGBT 模塊設(shè)備的工作熱量使其“熔化”并浸潤(rùn)整個(gè)界面，其極低的熱阻可高效的將熱量導(dǎo)出。在低于相變溫度時(shí)，又轉(zhuǎn)變成固態(tài)，可避免像導(dǎo)熱硅脂那樣溢出的風(fēng)險(xiǎn)。
JONES持續(xù)探索熱界面材料新配方，應(yīng)對(duì)IGBT模塊導(dǎo)熱的新挑戰(zhàn)，確保設(shè)備在其生命周期內(nèi)，具有穩(wěn)定的熱性能而開(kāi)發(fā)更加散熱高效和運(yùn)行可靠的整體熱管理解決方案。
因此，盡管目前主動(dòng)散熱中的“液冷”方式由于是借助了外力的散熱，可有效提高散熱器的散熱效率1~2個(gè)能量級(jí)，冷卻速度更快，特別深受市場(chǎng)的青睞，但是IGBT在高功率環(huán)境中的散熱問(wèn)題，到底是選用主動(dòng)散熱還是被動(dòng)散熱，這都要是根據(jù)產(chǎn)品的使用場(chǎng)景和工況去選擇合適的散熱方式