導熱硅脂在模塊散熱系統中的應用

 在功率半導體模塊散熱系統應用中，通常都會采用導熱硅脂將功率器件產生的熱量傳導到散熱器上，再通過風冷或水冷的方式將熱量散出。在實際應用中，很多熱設計工程師更多地關注散熱器的優化設計，而忽略了導熱硅脂的正確使用。正確地使用導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。那么對于一個特定的功率模塊，如何選擇種導熱硅脂?采用哪種涂抹方式?要涂抹多厚?這些都是我們常見的問題?；卮疬@些問題之前，我們先了解下導熱硅脂在功率模塊散熱系統中的作用。

導熱硅脂在功率模塊散熱系統中的作用

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

原因在于，當兩個金屬表面相接觸時，理想狀態為金屬表面直接接觸，實現完全金屬-金屬接觸，但在現實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，而空氣的導熱率只有約0.003W/(m.K)，導熱能力非常差，導熱硅脂的使用就是為了填充這些空隙中的空氣，同時保持既有的金屬-金屬接觸，以達到系統的最優散熱性能。

導熱硅脂的厚度

導熱硅脂的厚度直接影響模塊基板到散熱器的熱阻，導熱硅脂既不能太薄，也不能太厚，而是要控制在一定的范圍內。若導熱硅脂涂的太薄，那么金屬接觸面處空隙中的空氣無法被充分填充，模塊散熱能力會降低;若導熱硅脂涂的太厚，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降低。因此，在應用中要將導熱硅脂的厚度控制在理想值附近的一個范圍內，以實現功率模塊到散熱器最優的熱傳導性能。

不同模塊型號對導熱硅脂的厚度要求是不同的，各半導體模塊生產廠家會對各模塊型號按照標準進行嚴格測試，以得出合適的導熱硅脂厚度，這個參數一般會標注于各產品的安裝指導或技術說明中。需要指出的是，模塊生產廠家一般是根據某一特定型號導熱硅脂進行測試而得到厚度值，如果使用其它與之特性區別較大的導熱硅脂，需要重新進行測試而得出最佳的厚度。實際應用經驗表明，對于有銅基板的模塊，其導熱硅脂的厚度一般在80~100um;對于無銅基板的模塊，其導熱硅脂的厚度一般在40~50um。

導熱硅脂的涂抹方式

在現有工藝條件下，導熱硅脂的涂抹主要有三種方式：滾筒涂抹、絲網印刷和鋼網印刷。滾筒涂抹是最傳統、也是最簡易的涂抹方式，而絲網和鋼網印刷則為均勻度和厚度可精準控制的涂抹方式，硅脂厚度由絲網或鋼網的厚度和網孔尺寸嚴格控制，印刷過程可保證硅脂的均勻度。絲網適用于硅脂厚度較薄的應用，而鋼網適用于硅脂厚度較厚的應用。