功率半导体需要高效、可靠的冷却。功率模块和散热器间的连接既是核心又是短板。在此，所使用的材料通常无法应对电力电子应用中的苛刻环境。英飞凌与汉高乐泰合作，开发一种专门用于功率模块散热连接材料。 任何电力电子器件的设计阶段，都必须特别考虑功率模块的散热方面，温度波动以及温度水平构成估算设计使用寿命的基础。因为使用了TIM，器件和散热器之间的热阻也非常重要，它必须尽可能小，且最好在整个预测寿命期间不会发生变化。开发人员热衷于使用基于为导热硅脂提供的数据模拟。假设器件和散热器间存在同质层，则可以提取简化模型。为了预测，可考虑改进热界面材料的选项，这个简化的模型就不合适，因为他不包括几个重要参数。为了展示简化模型的缺点，图1提示了一个扩展模型版本。
图1
从芯片到基板的热传输路径Rthjc及从散热器到环境RthHA的热阻由所选材料决定，不改变材料就无法改进。 然而，从图1中给出的扩展模型中，可以得出优化TIM的可能替代方案： - 最大化热导率，降低体热阻RthTIM;- 适当的组合材料降低接触电阻金属表面和热界面材料之间的RthContact -金属与金属接触区域的尽可能大以低RthM-M。因此，量的局部变化是必不可少，并尽可能减小厚度。 - 系统在预测的整个生命周期内保持稳定,不受热机械负载、毛细效应和干燥的影响。 此外，该材料必须符合RoHS标准，不含硅不导电。相变材料领域的发展是该领域研究的决定出路。提高导热性 优化解决方案的第一步是提高原材料的整体导热性。进行了大量测试，并生成了大量不同的材料用于测试和测量。图2描述了在此开发阶段采取的四个步骤。
图2
通用润滑脂GPG是电力电子中广泛使用和接受的材料，用作参考。从图中可得出，选择不同的填料和填料系统组合会有所改善。根据ASTM5470-12得到测试结果：使用Filler1，第一种材料无法超过参考值；通过将材料与不同粒度和粒度分布混合的第二种填料(Filler1+2)，形成具有改进热性能的双峰系统。摒弃传统的陶瓷填料，改用基于金属氧化物的填料，进一步提高了导热性。这种方法也受益于与第二种填料混合的想法。与参考相比，最终降低了74%的热阻。
接触热阻最小化 从图1可得，接触热阻的降低可以使整个系统提高两倍。依据ASTM对接触电阻测试完成，没有定论，因为抛光表面和施加的压力与功率模块应用中常见的不同。 由于成本压力，工业设计更喜欢具有铣削表面的散热器。这些表面的粗糙度约为10-15um，在普通导热硅脂的粒度范围内。为了降低接触电阻，必须在金属表面和TIM材料之间产生尽可能大的接触面积。为了同时增强金属与金属直接接触的形成，可以推导出所需材料的更多特征：1）最大粒径必须低于常用散热器的表面粗糙度；2）原材料具有成为能够进行丝网印刷的糊状物质。 这样，注定要形成金属直接接触的区域可以保持未被覆盖。图3给出了示意图，以提示不同粒径如何影响接触区域的形成。
图3
材料特性对接触区域形成的影响 A-单峰系统，粒径10um;B-单峰系统，粒径5um;C-双峰系统，最大粒径um; 双峰系统与周围环境产生最大接触面，因此接触热阻最低。此外，小颗粒增强了形成薄层的能力，进而使形成金属直接接触的区域最大化。这两个功能都改善了散热情况。 图3还解释了ASTM 测试与功率模块的应用不兼容的原理。该测试由粗糙度<0.4um的抛光平面表面组成。TIM层应用时要保持均匀，由距离保持器控制。在应用中，无法达到这个值，即使是有可能，也很难比较这些数据。功率模块极大地受益于极薄的TIM层和螺钉的安装压力，ASTM测试中不考虑两者。 除了材料特性外，应用材料的过程也具有至关重要的影响。如果功率模块基板的宏观几何形状是已知的，则可以以局部优化精确地印刷TIM材料。TIM可印刷到需要的区域。会形成直接金属接触或TIM会导致有害影响的区域保持清洁。对于安装螺钉下方的区域尤其如此。在这里，由于安装力高，金属直接接触被强制执行。
图4
例如，图4包含应用了TIM的EconopACK 4的图片。从图片中可以看出，螺钉周围的区域没有TIM，芯片位置下方的空腔印刷了更大的体积。除了对基板几何形状的详细了解外，印刷过程的精确控制也是不可缺少的。这样可以确保印刷的图案准确对齐，且每个单点的体积在规格范围内。为了达到这种精度水平，需要安装AOI，并且在印刷后对每个模块进行扫描。该系统的精度允许确定体积低至每单点远小于 1um³。 除了热改进之外，这种方法还带来了安装和组装方面的优势。由于螺钉下方没有施加任何材料，因此不会发生因位移引起的变化。即使在TIM 扩展后，施加在螺钉上的扭矩也保持不变，无需重新拧紧螺钉。 新材料的高填料含量和与接触热阻有关的特殊性能，即使在第一次启动时也能保证高性能，无需特殊的老化循环。
长期稳定性 对于应用来说，最重要的是热条件在整个预测寿命周期内保持稳定。最常见的故障是热导损失。常见的导热硅脂通常会因热机械运动而从热点挤走或因分离而失效。 结果，芯片温度升高，半导体的热应力也增加。有关长期稳定性的测试是高温储存测试(HTS)。测试中的每个样本都是安装在散热器上的带有TIM的功率模块组成。测量初始状态热性能，然后将样品置于125℃下一周，再测量热性能；循环到在125℃下完成1000h。 进行加速测试，该测试设置为在1000h测试内模拟15万小时的工作时间，即20年。寿命终止标准是最高芯片结温150℃，因为超过150℃，器件将超其规格。
图5
图5中的图表总结了收集到的结果。使用通用硅脂(GPG-1)，第一次试运行在不到600h后就失效终止，这是致命的。使用普通材料进行的第二次测试达到了近800h，结果保持不变。由Henkel Loctite创建并专用于Infineon 功率模块的材料从一开始就可实现最低温度。最值得注意的是，测试在4000h后没有失效就停止了。由于指数相关性，这类似于预期寿命的四倍多。（这个材料是啥型号？）结论 功率半导体已在高速发展状态，需要对涉及高效逆变器的所有组件采取整体方法。常被低估的导热油脂主题中，出现了一种高性能材料，现在具有类似于其他功能层的意义，例如将芯片连接到基板的焊点，热传递能力的丧失是最常见的故障原因之一。这也可能是寿命预期增加和功率密度更高的结果。使用专用材料并将客户的装配线从应用导热硅脂的过程中解放出来是应对电力电子设计不断增长的需求的合乎逻辑的步骤。
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