電力電子行業正在不斷努力以增強功率模塊的可靠性。該行業研究工作的主要焦點是半導體芯片、封裝技術和DBC陶瓷基板。然而，對于安裝在散熱器上的功率模塊，其脆弱點是模塊和散熱器之間因接觸面不平整而產生的“縫隙”，必須用導熱介質填充以除去其中的氣泡。

    賽米控正在設法使這兩層間的“縫隙”閉合。首先，通過提供專業的導熱涂層處理服務：Pre-applied Thermal Paste for Power Modules（預涂功率模塊導熱涂層），已有超過70萬塊功率模塊印刷上了導熱涂層。

    導熱介質的指定用途

    導熱介質通常由塑料載體材料（如硅油）和諸如氧化鋅、石墨或銀等的導熱填充物質組成。它們可以以膏狀物、粘合劑、相變材料和薄膜的形式提供。熱界面材料導熱比空氣好，通常熱導率（λ）為0.5–6W/mK。表1顯示了功率模塊中常用材料的比熱導率。Wacker公司的導熱涂層P12被選為參照樣本。熱阻值R(th)是基于特定模塊的熱擴散來顯示的。

    表1：功率半導體模塊中常用材料的比熱導率

    如果導熱涂層的熱導率與功率模塊中其他組件的熱導率相比較（見表1），導熱涂層的并不是特別好。取決于模塊和與散熱器結合，導熱涂層對模塊總體熱阻R(thjs)的貢獻度約為20-65％。因此，導熱涂層必須盡可能薄，但又要達到所需的厚度（見圖1）。

圖1：熱阻對熱界面材料層厚度的關聯性

    太薄的導熱涂層會使模塊底部和散熱器頂部之間產生氣泡，帶來較高的熱阻Rth(cs)。一旦達到最佳厚度，外殼和散熱器之間的熱阻再次隨導熱涂層厚度的增加而快速增大。這是因為熱傳導介質的熱導率是非常低于功率半導體模塊中的其他材料的熱導率。每種安裝在散熱器上的模塊的最小值是不同的，必須通過合適的測試進行確定。

    導熱涂層成分的重要性

    R(th)測試表明，實際應用中的導熱涂層熱導率不僅僅取決于它的比熱導率，而且還與其成分相關。導熱涂層填料粒子越大，比導熱率越高。填料粒子的大小決定了最小層厚度。經過幾次溫度循環，粒子小的涂層，幾乎可以允許在那些壓力特別高的點上進行金屬對金屬的接觸，從而使R(thcs)顯著減小。

    可采用滾輪或印刷工藝將導熱涂層涂在模塊或散熱器上。在采用滾輪涂覆時，通常用橡膠輥，而最常用的印刷方法是絲網印刷或模版印刷。

    在模板和絲網印刷中，如果采用自動印刷方法，可以得到比滾輪處理更好的效果。手工印刷，可能會帶來相當大的處理偏差。但是，自動模板印刷處理的發展，其特點是連續過程監測，需要大量的投資，在經濟上只對大批量的生產有意義。

    除了遵守建議的涂層厚度，處理時應注意確保導熱涂層在模塊的底部或者散熱器的表面均勻分布。非均勻分布的導熱涂層（極端的例子：一個或幾個導熱膏小斑點）會導致DBC陶瓷基板破損（圖2）。這適用于帶底板或不帶底板的模塊。除此之外，導熱涂層的不均勻也可能由于模塊底部和散熱器表面頂部之間的氣泡而導致局部過熱。

圖2：導熱涂層處理有問題的模塊底部

    導熱涂層厚度的測量

    導熱涂層的厚度可以直接或間接測量。例如，一種間接測量厚度的方法是通過使用合適的秤測量皮重來秤導熱涂層。一個導熱涂層直接非接觸測量的例子是采用光學輪廓測定儀進行測量，如Nano Focus的µSCAN。其他可用于直接測量導熱涂層的設備包括測厚儀，如濕膜梳（例如Zehntner公司的ZND 2051或Elcometer Instruments或BYK Gardner（PG-3504）或濕膜輪（如Zehntner公司的ZWW 2100-2102或BYK Gardner），然而，這些儀器的缺點是它們可能會導致某些地方涂層的損壞。

    確定導熱涂層的最佳厚度

    與特定散熱器表面想匹配的特定導熱涂層的最小厚度可通過一個規定的過程確定。起始的最小厚度約為10µm，然后每一步增加10µm（另一種選擇是輪換這些步驟）。這里，導熱涂層根據模塊制造商指定的規格被涂覆到模塊或散熱片或者鋁板上。當擰緊安裝螺絲，必須遵守模塊制造商做規定的擰緊力矩。為了實現松弛的系統狀態，已安裝和擰緊的模塊應經過3次熱循環（20°C/100°C/1h）。

    熱循環后，無底板模塊無法輕易地在沒有破壞的情況下被移走，因為模塊被壓到散熱片/鋁板上了，粘的導熱涂層分布其中，產生巨大的附著力。為確保非破壞性拆除，模塊在螺絲擰松后應該在室溫下保持不被觸摸12小時，或者經歷1-2次熱循環。

    一旦模塊被旋松，模塊底部的壓印花紋將顯示出導熱涂層是否在模塊和散熱器之間提供了最佳的接觸。圖3（左）顯示了一個含有大面積導熱涂層沒被接觸的模塊底部。這表明，導熱涂層實際太薄（約30µm左右）。圖3（右）顯示了一個完全被導熱涂層覆蓋的散熱底部，除了一些實現了金屬對金屬接觸的高壓點。這是導熱涂層最佳（約50µm）的象征。

圖3：糟糕的（左）和最佳的（右）模塊導熱涂層處理

    通過為單獨的安裝在散熱器上的模塊提供優化的導熱涂層厚度和采用自動處理工藝以保證質量標準，熱傳導介質的缺點可在一定程度上被彌補。然而，功率模塊和散熱器之間出現的“縫隙”問題，仍然具有最大的改善潛力。

    導熱涂層處理服務

    賽米控提供的導熱涂層處理服務，簡化了模塊往散熱器上的組裝。生產人員的手套不再有被導熱涂層污染的風險，導熱涂層也不會偶然進入產品中。這種被優化的，為模塊特制的導熱涂層厚度降低了整體的熱阻及 DBC陶瓷基板破碎的風險。導熱涂層通過自動印刷過程處理，模塊特定的導熱涂層號稱精度達到+/-10µm。處理過程采用六西格瑪質量控制方法監控。帶有導熱涂層的模塊用特制的、受專利保護的包裝運給客戶，以確保含有導熱涂層的成品模塊在運輸中不被接觸。導熱涂層的模塊最長可以存儲在包裝中18個月。現可以為SKiM 63和93、SEMIPACK 2、SEMITRANS 2和MiniSKiiP模塊提供導熱涂層處理服務。■