Anwendung von wärmeleitendem Silikonfett in modularen Wärmeableitungssystemen

Bei der Anwendung von Kühlsystemen für Leistungshalbleitermodule wird normalerweise Wärmeleitungssilikonfett verwendet, um die von Leistungsgeräten erzeugte Wärme auf den Kühler zu übertragen. Anschließend wird die Wärme durch Luftkühlung oder Wasserkühlung abgeführt.In der praktischen Anwendung legen viele Thermodesign-Ingenieure mehr Wert auf die optimale Gestaltung des Kühlers, vernachlässigen jedoch die korrekte Verwendung von wärmeleitendem Silikonfett.Die richtige Verwendung von wärmeleitendem Silikonfett kann nicht nur die Wärmeableitungskapazität des Leistungsmoduls verbessern, sondern auch seine Zuverlässigkeit im Nutzungsprozess verbessern.Wie wählt man also für ein bestimmtes Leistungsmodul ein wärmeleitendes Silikonfett aus?Welche Beschichtungsmethode wird verwendet?Wie dick ist die Beschichtung?Das sind unsere gemeinsamen Probleme.Bevor wir diese Fragen beantworten, wollen wir zunächst die Rolle des thermischen Silikonfetts im Kühlsystem des Leistungsmoduls verstehen.

Die Funktion von wärmeleitendem Silikonfett im Kühlsystem des Leistungsmoduls

Im Kühlsystem des Leistungsmoduls ist der Chip die Wärmequelle, die über mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien Wärme an das Kühlmittel (Wind oder Flüssigkeit) überträgt.Schließlich wird die Wärme über den Kühlmittelfluss an das System abgegeben, wobei jede Materialschicht eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweist.Die Grundplatte und der Kühler des Leistungsmoduls bestehen hauptsächlich aus Kupfer und Aluminium sowie anderen Metallmaterialien. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer beträgt etwa 390 W / (mk).die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium beträgt ca. 200W/(mk).Die Wärmeleitfähigkeit dieser Metallwerkstoffe ist sehr hoch, das heißt ihre Wärmeleitfähigkeit ist sehr gut.Warum sollte zwischen Leistungsmodul und Kühler wärmeleitendes Silikonfett mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur 0,5 ~ 6 W/(mk) verwendet werden?

Der Grund dafür ist, dass bei Kontakt zweier Metalloberflächen der ideale Zustand darin besteht, dass die Metalloberfläche in direktem Kontakt steht, um einen vollständigen Metallkontakt zu erreichen. In Wirklichkeit besteht jedoch kein direkter Kontakt zwischen den beiden Metalloberflächen, und es gibt einen große Anzahl von Hohlräumen zwischen den beiden Metalloberflächen auf Mikroebene, wie in Abbildung 1 dargestellt. Diese Hohlräume sind mit Luft gefüllt und die Wärmeleitfähigkeit von Luft beträgt nur etwa 0,003 W / (mk).Die Wärmeleitfähigkeit ist sehr schlecht.Die Verwendung von wärmeleitendem Silikonfett dient dazu, die Luft in diesen Hohlräumen zu füllen und gleichzeitig den bestehenden Metall-zu-Metall-Kontakt aufrechtzuerhalten, um die optimale thermische Leistung des Systems zu erreichen.

Dicke des wärmeleitenden Silikonfetts

Die Dicke des wärmeleitenden Silikonfetts wirkt sich direkt auf den Wärmewiderstand vom Modulsubstrat zum Kühler aus.Das wärmeleitende Silikonfett sollte nicht zu dünn oder zu dick sein, sondern innerhalb eines bestimmten Bereichs kontrolliert werden.Wenn das wärmeleitende Silikonfett zu dünn ist, kann die Luft im Spalt an der Metallkontaktfläche nicht vollständig gefüllt werden und die Wärmeableitungskapazität des Moduls wird verringert;Wenn das wärmeleitende Silikonfett zu dick ist, kann kein wirksamer Metallkontakt zwischen der Modulgrundplatte und dem Kühler hergestellt werden, und auch die Wärmeableitungskapazität des Moduls wird verringert.Daher sollte die Dicke des wärmeleitenden Silikonfetts in einem Bereich nahe dem Idealwert kontrolliert werden, um die optimale Wärmeleitfähigkeit vom Leistungsmodul zum Kühler zu erreichen.

Verschiedene Modulmodelle stellen unterschiedliche Anforderungen an die Dicke des wärmeleitenden Silikonfetts.Jeder Hersteller von Halbleitermodulen testet jedes Modulmodell streng gemäß der Norm, um die richtige Dicke des wärmeleitenden Silikonfetts zu erhalten.Dieser Parameter wird im Allgemeinen in den Installationsanweisungen oder technischen Anweisungen jedes Produkts gekennzeichnet.Es ist zu beachten, dass der Modulhersteller den Dickenwert in der Regel auf der Grundlage der Prüfung einer bestimmten Art von wärmeleitendem Silikonfett ermittelt.Wenn ein anderes wärmeleitendes Silikonfett mit anderen Eigenschaften verwendet wird, muss es erneut getestet werden, um die beste Dicke zu erhalten.Praktische Anwendungserfahrungen zeigen, dass die Dicke von wärmeleitendem Silikonfett bei Modulen mit Kupfersubstrat im Allgemeinen 80–100 µm und bei Modulen ohne Kupfersubstrat 40–50 µm beträgt.

Beschichtungsverfahren für wärmeleitendes Silikonfett

Unter den bestehenden Prozessbedingungen gibt es drei Hauptmethoden zum Auftragen des wärmeleitenden Silikonfetts: Walzenbeschichtung, Siebdruck und Stahlsiebdruck.Die Walzenbeschichtung ist die traditionellste und einfachste Art der Beschichtung, während der Sieb- und Stahlsiebdruck die Methode mit präziser Kontrolle der Gleichmäßigkeit und Dicke ist.Die Dicke des Silikonfetts wird streng durch die Dicke des Siebs oder Stahlsiebs und die Maschenweite gesteuert, und der Druckprozess kann die Gleichmäßigkeit des Silikonfetts gewährleisten.Drahtgeflecht eignet sich für Anwendungen mit dünnerem Silikonfett, während Stahlgeflecht für Anwendungen mit dickerem Silikonfett geeignet ist.