如何正確使用導熱硅脂？
在功率半導體模塊應用中，通常都會採用導熱硅脂將功率器件產生的熱量傳導到散熱器上，再通過風冷或水冷的方式將熱量散出。在實際應用中，我們發現很多熱設計工程師更多地關注散熱器的優化設計，而忽略了導熱硅脂的正確使用。殊不知，正確地使用導熱硅脂不僅能提高功率模塊的散熱能力，而且還能提高其在使用過程中的可靠性。那麼對於一個特定的功率模塊，選用哪種導熱硅脂？採用哪種塗抹方式？要塗抹多厚？這些都是我們常見的問題。回答這些問題之前，我們先了解下導熱硅脂在功率模塊散熱系統中的作用。
導熱硅脂在功率模塊散熱系統中的作用
在功率模塊散熱系統中，晶元為發熱源，通過多層不同材料將熱量傳遞到冷卻劑（風或液體），最後通過冷卻劑的流動將熱量導出系統，其中每一層材料都有不同的導熱率。功率模塊基板及散熱器多使用銅和鋁等金屬材料，銅的導熱率約為390W/(m.K)；鋁的導熱率約為200W/(m.K)。這些金屬材料的導熱率都非常高，表示其導熱性能非常好，那為何還要在功率模塊與散熱器之間使用導熱率只有0.5~6W/(m.K)的導熱硅脂呢？
圖1模塊基板和散熱器接觸微觀圖
原因在於，當兩個金屬表面相接觸時，理想狀態為金屬表面直接接觸，實現完全金屬-金屬接觸，但在現實中兩金屬表面之間並不能形成直接接觸，微觀上兩金屬表面間存在大量的空隙，如圖1所示。這些空隙充滿著空氣，而空氣的導熱率只有約0.003W/(m.K)，導熱能力非常差，導熱硅脂的使用就是為了填充這些空隙中的空氣，同時保持既有的金屬-金屬接觸，以達到系統的最優散熱性能。
導熱硅脂的厚度
?導熱硅脂的厚度直接影響模塊基板到散熱器的熱阻，如圖2所示，導熱硅脂既不能太薄，也不能太厚，而是要控制在一定的範圍內。若導熱硅脂塗的太薄，那麼金屬接觸面處空隙中的空氣無法被充分填充，模塊散熱能力會降低；若導熱硅脂塗的太厚，模塊基板和散熱器之間無法形成有效的金屬-金屬接觸，模塊散熱能力同樣會降低。因此，在應用中要將導熱硅脂的厚度控制在理想值附近的一個範圍內，以實現功率模塊到散熱器最優的熱傳導性能。
圖2導熱硅脂厚度和熱阻之間的關係
不同模塊型號對導熱硅脂的厚度要求是不同的，各半導體模塊生產廠家會對各模塊型號按照標準進行嚴格測試，以得出合適的導熱硅脂厚度，這個參數一般會標註於各產品的安裝指導或技術說明中。需要指出的是，模塊生產廠家一般是根據某一特定型號導熱硅脂進行測試而得到厚度值，如果使用其它與之特性區別較大的導熱硅脂，需要重新進行測試而得出最佳的厚度。實際應用經驗表明，對於有銅基板的模塊，其導熱硅脂的厚度一般在80~100um；對於無銅基板的模塊，其導熱硅脂的厚度一般在40~50um。
導熱硅脂的塗抹方式
在現有工藝條件下，導熱硅脂的塗抹主要有三種方式：滾筒塗抹、絲網印刷和鋼網印刷。滾筒塗抹是最傳統、也是最簡易的塗抹方式，而絲網和鋼網印刷則為均勻度和厚度可精準控制的塗抹方式，硅脂厚度由絲網或鋼網的厚度和網孔尺寸嚴格控制，印刷過程可保證硅脂的均勻度。絲網適用於硅脂厚度較薄的應用，而鋼網適用於硅脂厚度較厚的應用。
滾筒塗抹方式：滾筒塗抹即使用滾筒將導熱硅脂直接塗抹於模塊基板，這種方法簡單且成本低，適用於小批量生產。但滾筒塗抹的導熱硅脂一致性較差，厚度較難控制。一般推薦使用橡膠滾筒，如圖3所示，其硬度建議在50A到70A之間，這個硬度的滾筒可以防止雜質的進入從而保證塗抹的均勻。
圖3橡膠滾筒
絲網印刷方式：絲網印刷是一個非常成熟的工藝，同時也非常適合於導熱硅脂的塗抹，絲網印刷工藝可以保證精確的厚度，生產效率較高，適合於大批量生產使用。絲網印刷是在一個絲網上製作出與模塊底板相匹配的網眼區域，網眼是一系列矩形通孔，硅脂在刮刀的壓力作用下可通過網眼而塗抹於模塊底板或散熱器，如圖4所示。刮刀一般使用鋁材做手柄，並將硬度為60A到80A的橡膠刮刀安裝於手柄中，並以設定好的角度和壓力刮動硅膠，印刷過程一般使用自動化設備。
圖4絲網印刷
鋼網印刷方式：鋼網印刷同絲網印刷方式比較類似，鋼網一般使用不鏽鋼材料，利用激光在一定厚度的不鏽鋼平板上按照設計好的圖案切割出相應網孔，如圖5所示。工藝要求切割邊緣平滑無毛刺或轉邊；網孔的設計需要相對儘可能小，以最大可能減小刮塗過程刮刀角度偏移而引起硅脂厚度的偏差；同時網孔大多使用蜂窩形狀，以保證硅脂均勻分布。鋼網印刷完成後的硅脂以蜂窩狀圖形附著在模塊基板上，待模塊安裝後硅脂在壓力和溫度循環作用下將自行擴散以實現均勻分布。硅脂最終均勻分布的厚度將小於印刷完的厚度，厚度變化量理論上由網孔占整個印刷區域的比例決定，實際鋼網會粘走一部分硅脂，因此實際厚度可能會略微小於理論厚度。
圖5鋼網及印刷後的圖案
導熱硅脂的選擇
導熱硅脂的選擇需要考慮很多因素，比如導熱率、粘稠度、介電強度、揮發物含量及溢出和變干特性。
導熱硅脂一般由載體和填充物組成。載體分為含硅和無硅兩種，含硅的載體相對穩定、成本低、可靠性高，但某些特定環境中需要無硅載體。導熱硅脂中的填充物大多使用金屬氧化物（ZnO，BN，Al2O3）、銀或者石墨。填充物是決定導熱率的關鍵物質，填充物比例越高，導熱性也就越好；填充物顆粒體積也直接影響導熱率，顆粒越大導熱性越好。
導熱硅脂的導熱率是一個重要指標，對於熱設計而言，硅脂的導熱率越高，越有利於功率模塊的散熱。但並不是說導熱率越高就越好，高導熱性能硅脂使用相對大顆粒（例如50um）的填充物，這將限制硅脂塗抹時的最小厚度，對於無銅底板的模塊不太適用。同時，高導熱率的硅脂的粘稠度也相對較大，不利於硅脂的擴散，在模塊安裝過程中陶瓷絕緣基板容易由於受力不均而破裂，特別是無銅底板模塊。
導熱硅脂的介電強度與導熱率剛好是相背的，也主要受填充物比例影響，所以高導熱率硅脂的介電強度比較低，絕緣性相對較差，如果應用於無銅底板模塊，硅脂可能會進入到硅膠中，這將影響模塊應用的絕緣性能。
採用不同的塗抹方式對導熱硅脂的選擇也不同。如果使用絲網印刷方式，則不建議使用導熱率太高的硅脂，因為高導熱性硅脂中的大顆粒填充物容易阻塞網孔，從而破壞絲網。
導熱硅脂厚度的測量
在導熱硅脂的應用過程中，經常需要對其厚度進行測量。比如在設計階段要驗證不同厚度導熱硅脂對模塊散熱的影響；在生產階段，由於絲網及鋼網材料的磨損，需要在每個生產任務前對硅脂厚度進行測量，如發現硅脂厚度超過下限，需更換新的絲網或鋼網。導熱硅脂厚度測量一般使用激光測厚儀，稱重測厚法及濕膜測厚儀。
圖6測量梳及測量滾軸
激光測厚儀可在不破壞硅脂形狀的情況下對硅脂平面進行掃描並得出相關厚度數據，但測量成本較高。稱重測厚法對模塊塗抹導熱硅脂前後的重量進行測量，重量差要求控制在某個範圍，稱重測厚法適合於小模塊的應用，大模塊應用時需要相對高精度的稱重儀。濕膜測厚儀是低成本且相對準確的測量方法，但測試過程會破壞硅脂形狀，濕膜測厚儀有測量梳和測量滾軸兩種，如圖6所示。需要注意的是，如導熱硅脂是直接印刷在模塊上一般不推薦使用測量梳，因為模塊的底板平整度可能會影響到測量的精度。
使用導熱硅脂其它注意事項
導熱硅脂使用前準備：導熱硅脂使用前需要充分攪拌直至顏色和粘稠度均勻。
導熱硅脂存儲及壽命：導熱硅脂對存儲條件例如溫度和濕度有嚴格要求，規格書中一般會標註具體參數，同時會標註最佳使用截止日期。如果硅脂已經塗抹到模塊上，存儲時間一般不要超過18個月，導熱率越高，存儲時間越短。以賽米控驗證過的導熱硅脂為例，Wacker P12（0.81W/(m.K)）的存儲時間為18個月，而HPTP（2.5W/(m.K)）的存儲時間則為12個月。
導熱硅脂塗抹效果評估：導熱硅脂安裝後，安裝壓力並不能完全使硅脂均勻分布，三個以上的溫度循環將非常有利於硅脂分布。如果要評估硅脂塗抹效果，可以在溫度循環後將模塊從散熱器上垂直拿開，直接觀察硅脂分布而進行評估；如果需要定量評估，則需要對整個散熱系統進行熱阻測試，從熱阻值可直接反映硅脂的塗抹效果。
導熱硅脂擦除：在某些情況下需要將導熱硅脂從模塊基板或散熱器上擦除，酒精或異丙醇是可行的擦除溶液，同時推薦使用無塵紙或無塵布進行擦除。
參考文獻：
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