在现代电子电力行业中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为功率半导体器件，是实现电能高效转换和控制的核心元件，广泛应用于各种变频器、逆变器、电源转换设备以及电动车辆中。然而，作为大功率半导体部件，IGBT 的热流密度趋向于高功率、高集成度发展，模块也因其高频传导和开合而不断集中产生大量的热 ，影响器件的性能。为了保证IGBT的安全性和可靠性，通常需要将IGBT的温度控制在150℃下，这就要求为其设计一个有效的散热系统。目前 在IGBT 功率器件的散热系统上，导热硅脂、导热相变材料等导热材料被广泛使用。本篇文章，就主要从导热材料的角度出发，谈谈IGBT是如何实现散热的！

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IGBT散热结构

IGBT通常采用由上到下的散热路径：芯片内损耗产生的热能通过芯片依次传到陶瓷覆铜板（DCB）、基板，再由基板将少量的热量直接传到环境中去（以对流和辐射的形式），而大部分热量通过底座经绝缘垫片直接传到散热器，最后利用主动散热或被动散热将热量带走。在整个过程中，由于存在各个导热材料存在界面热阻，影响 IGBT 功率模块散热，因此往往会使用导热界面材料来减小热阻。

IGBT散热结构

用于IGBT的导热材料

1、DCB陶瓷基板

在IGBT散热基板中，IGBT晶体产生的热量首先通过线路层传导至DCB陶瓷基板中。DCB陶瓷基是通过高温焊接工艺将铜直接键合到陶瓷衬底上的一种复合材料，除了可将IGBT产生的热量快速散发到外封装，还可利用陶瓷材料的高机械强度支撑芯片，以承受装配过程中的压力和工作时的振动，同时提供可靠的电气绝缘，保证高压应用的安全。

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目前，常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝、氮化铝、氮化硅等，其中，氮化铝和氮化硅具有较高的散热性（理论热导率为200-300W/(m·K)），且热膨胀系数与半导体接近，因此常用于需要较高功率或精度要求的IGBT模块。而氧化铝具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点，但热导率相对较低，为30W/(m·K)，主要用于半导体照明、电气设备等领域。

2、散热基板

IGBT大功率模块一般采用液冷散热，而散热基板作为功率模块的核心散热功能结构与通道，直接关系到IGBT模块的热性能、可靠性和寿命。目前，IGBT通常采用凸台结构的铜针式散热基板和铜平底式散热基板，除了可利用铜材质高耐压、大电流、高频率、导通电阻小等特点，还可利用凸台结构增加底板表面积，更有效地散热，降低器件温度，提高器件的可靠性和寿命。

①铜平底式散热基板。

铜平底散热基板是一种传统的散热结构，它应用于功率半导体模块中，主要作用是将模块热量向外传递，并为模块提供机械支撑。在实际应用中，主要用于间接液冷散热结构中，即通常会在其下面涂一层导热硅脂等，热量通过DBC基板传到铜平底式散热基板后，由导热硅脂传递至也冷板中，液冷板再通过液冷对流的方式将热量排出。

铜平底式散热基板应用（来源： 道芯IC）

②铜针式散热基板：即具备针翅结构。与平板式结构的应用不用，其通常可直接加上密封圈用于直接液冷散热方式的IGBT中，使IGBT功率模块与冷却液直接接触，由于大的散热表面积，可以使模块整体热阻值可降低30%左右，因此可以促成功率半导体模块小型化，IGBT功率模块功率密度也可以设计的更高。

铜针式散热基板及应用（来源： 道芯IC、）

2、热界面材料

在 IGBT 的热传导中，由于 IGBT 散热面与散热器表面之间的间隙中存有一定空气，而空气的热导率仅为 0.025 W/（m·K），导致热量无法快速散发，因此可在散热器表面与IGBT散热面之间使用填充导热界面材料，以改善接触面间的热流传递情况，减小热阻，提高散热效率。

目前，中低端IGBT 主要采用导热硅脂作为导热界面材料，而高端则采用相变导热材料。

①导热硅脂

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导热硅脂，又称散热膏、导热膏，以有机硅酮（硅油、金属氧化物）为主要原料，并添加导热性能优异的导热填料（通常为氧化锌、氧化铝、氮化硼、氧化银、银粉、铜粉等）制成，是一种高导热绝缘有机硅材料，其导热系数一般在1.0~5.0W/m·K之间，具有低油离度、耐高低温、耐水、臭氧、耐气候老化等特性，可在 -50 ℃ 至 +230 ℃ 的温度下保持使用时的脂膏状态。同时由于导热硅脂具有一定的流动性和可塑性，能够在施加压力时完全润湿接触面，填充不规则表面之间的微小空隙，从而形成非常低的热阻界面，提高散热效果。不过，需要注意的是，不过导热硅脂在使用 1-2 年后会出现性能下降的问题，目前主要用于较为低端的应用中。

②导热相变材料

（来源：广东力王）

导热相变材料是利用聚合物技术以高性能的有机高分子材料为主体，以高导热性材料、相变填充料等材料为辅精制而成的绝缘材料，其最大的特点是可以在特定温度范围内发生固液相变，即它的初始状态是固体的，可便于装配，当达到器件工作温度时相变材料除了可吸收热量降低器件温度，同时利用吸收的热量使其变成液状，在压紧力的作用下与两个配合表面整合、填充间隙，减少界面热阻。
此外，相变导热材料的可逆相变特性，也赋予了其优异的稳定性与耐久性，能够在长时间热循环和后依然保持杰出的热稳定特性，助于提升 IGBT 这类电子器件装配的整体耐久性。但由于成本较高，目前主要用于较为高端的领域。

参考文献：

1、道芯IC.《IGBT的热管理，散热铜基板？》

2、热设计.《IGBT 不同导热材料导热性能研究》

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