摘要：大功率三菱IGBT的应用中, 三菱IGBT的紧固工艺对三菱IGBT的散热效果起着非常关键的作用, 直接影响三菱IGBT的长期可靠运行。对现有三菱IGBT导热硅脂涂敷工艺和紧固工艺进行了阐述, 并分析其在三菱IGBT安装中的不足之处, 提出了相对应的优化工艺。
在三菱IGBT安装工艺中, 导热硅脂的涂敷被广泛使用, 导热硅脂涂敷在散热器与三菱IGBT基板之间, 用于填补三菱IGBT与散热器接触的空隙, 进而增加散热器与三菱IGBT的热交换效率, 提升三菱IGBT散热效果, 改善三菱IGBT的使用可靠性和使用寿命, 三菱IGBT的安装工艺又决定了三菱IGBT与散热器之间的接触情况, 与导热硅脂的涂敷密切相关。随着三菱IGBT批量化应用的加速, 从现有三菱IGBT的应用情况看, 目前所使用导热硅脂涂敷工艺和器件安装工艺并不太适用于批量三菱IGBT的安装, 三菱IGBT导热硅脂的涂覆工艺和安装工艺的研究和改进越来越重要。
1 现有工艺问题分析
通过对现有的导热硅脂涂敷工艺和器件安装工艺分析, 存在以下不足。
1.1 导热硅脂涂敷厚度偏低
现有工艺导热硅脂厚度偏小。导热硅脂涂敷厚度取值由三菱IGBT模块基板参数决定, 通过分别对不同厂家的三菱IGBT模块基板拱度以及拱度分布进行测量发现, 各个厂家的模块基板拱度以及拱度分布差异较大。现有工艺的导热硅脂厚度不能很好地适用于目前在用三菱IGBT的拱度分布。
1.2 丝网网格分布不适合
目前, 所用丝网网格分布为中心区域网格密度大、单个网孔面积大, 往外侧延伸后其网格网孔面积减小, 网格密度减小, 呈蝴蝶状, 同时, 网格密度越小, 单个网孔面积越大的区域其导热硅脂涂敷量越大, 其网格分布考虑到了在模块衬板焊接处分布较多导热硅脂, 在基板平整度较好的情况下, 保证了衬板下方的接触良好。但对于中心拱度偏大, 且拱度大值区域集中在中央衬板区域的模块, 使用此类丝网网格进行涂敷硅脂, 使各衬板下方导热硅脂涂敷厚度一致, 将会使两侧衬板区域下方出现接触不良现象, 进而影响其散热情况。
1.3 紧固力矩偏小
现有工艺所采用的紧固力矩仅适用于部分三菱IGBT模块的组装, 但是由于在进行三菱IGBT芯片焊接和衬板焊接时, 不同厂商采用不同焊料, 各类焊料的熔点差别较大, 不同焊料在焊接后会对基板硬度和拱度造成不同的影响。如果使用硬焊料, 其熔点较高, 因此, 在焊接过程中, 三菱IGBT模块基板产生的形变较大。同时, 不同三菱IGBT所使用的基板其原始拱度与弯曲形式均存在差异。目前, 基板原始形状存在2种: (1) 双面拱原始基板, 焊接衬板的一面向内凹陷, 接触散热器的一面向外凸出; (2) 单面拱原始基板, 即焊接衬板一侧为平整面, 接触散热器一面向外凸出。
双面拱原始基板对紧固力矩的要求更大, 现用紧固力矩适用于单面拱器件的紧固, 对于双面拱器件而言, 则显偏小。
2 工艺改进的分析
通过对原用工艺进行分析后, 根据其不足, 对原用工艺进行以下改进。
2.1 增加导热硅脂涂敷厚度
对不同三菱IGBT模块基板拱度最大值进行测试对比, 对数据进行分析后得出, 最大拱度器件其拱度相较于最低拱度器件, 其模块拱度偏大8.9%;同时, 考虑到三菱IGBT模块基板拱度较大值区域的区别, 因此, 将导热硅脂厚度增加至原用厚度的10%~20%, 即厚度增加至130~150μm。
2.2 增加紧固力矩
由于不同焊料所导致的基板硬度的不同, 在紧固时需增大其紧固力矩, 而过大的紧固力矩则会对三菱IGBT模块本身造成一定的影响, 所以, 紧固力矩不能过量增大, 同时, 由于导热硅脂厚度增加10%~15%, 通过现场的试验, 将其力矩增大10%较为合适。
图1 改进前效果 图2 改进后效果
3 工艺改进后对比分析
在使用原用丝网网板, 改进导热硅脂涂敷厚度、紧固力矩的条件下, 对改进前后的三菱IGBT导热硅脂涂敷情况进行了一系列试验对比, 改进前效果如图1所示, 改进后效果如图2所示, 右侧为改进后效果。
4 结论
通过上述分析可以得出, 原有导热硅脂涂敷工艺与三菱IGBT模块紧固工艺不能较好地适用于现用三菱IGBT的组装, 而改进后的导热涂敷工艺与紧固工艺, 有效地改善了现用三菱IGBT与散热器的接触情况, 相对于原用工艺, 改善了三菱IGBT的散热情况, 提高了三菱IGBT的使用可靠性和使用寿命。
