随着电子技术的进步，IGBT模块的小型化和集成化趋势愈发明显。这种趋势带来了芯片“热失效”的问题，降低了芯片的运行效率，进而影响整个设备的工作效率和可靠性。因此，选择合适的TIM材料来降低芯片温度变得尤为重要。目前，TIM材料基本上是复合材料，由高分子基体和导热填料组成。在导热填料中，球形氧化铝因其稳定的相和批量化生产集成优势，成为了首选。

      IGBT模块由散热片、TIM材料、DBC层、焊料层和芯片等组成，简单来说，就是围绕芯片的一个集成系统。IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种功率半导体器件，广泛应用于轨道交通、智能电网、工业节能、电动汽车和新能源装备等领域。它具有节能、安装方便、维护方便和散热稳定等特点，是能量转换和传输的核心装置。IGBT可以说是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极结型晶体管）的结合体。

       IGBT模块的散热设计目标是根据传热学原理，为功率器件设计一个热阻尽可能低的通路，以便快速散发器件的热能，保证器件运行时的内部温度保持在允许范围内。TIM材料是一种复合材料，其中的导热填料种类繁多，包括碳材料、金属颗粒及其氧化物、氮化物等。这些材料可以在基体中形成良好的导热通道，从而提高聚合物的导热性能。Cu、Al、Ag等金属颗粒是常见的导热填料，它们能显著提高复合材料的热导率，但会降低复合材料的绝缘性能和介电击穿电压。因此，金属颗粒不能用作电气绝缘领域的填料。与金属相比，碳基材料具有更高的导热性、耐腐蚀性和低的热膨胀系数，如石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、金刚石等。

       碳基填料在较低负荷下更容易获得较高的导热系数，但其分散性是应用中需要解决的问题。

       陶瓷填料主要包括氧化物填料、氮化物填料和碳化物填料，它们缺乏自由电子，传热主要通过声子进行，因此在导热和绝缘复合材料方面应用最为广泛。

       球形填料如球形氧化铝具有较高的粘度渗透阈值和较低比表面积，以及优异的可分散性，在TIM材料中不仅可以有效连接填料表面的接触点形成导热通路，提高传热效率，还可以增加复合材料的强度，降低应力集中的可能性，改善复合材料的力学性能，以及提高导热复合材料的后续加工处理能力。

影响TIM材料中导热填料性能的因素有很多，可以归纳为以下几点：

       1. 导热填料本身的热导率，如SiO2(10 W/(m·K))、Al2O3(30 W/(m·K))、AlN(200 W/(m·K))、BN(300 W/(m·K))等陶瓷粉体材料。

       2. 导热填料的形貌和粒径，形貌包括球形、非球形、片状形、树杈形等。从晶格完整取向以减少声子散射的角度来看，树杈形的热导最好。粒径越大，热导越高。

       3. 填料在TIM材料中的负载量、填料颗粒的分散性和取向、界面热阻。负载量越大，热导越高；分散性和取向涉及导热通道搭建的合理性；界面热阻越低，导热效果越好。

       由于无机填料分散在有机聚合物基体中，会产生大量填料/聚合物界面。由于无机颗粒与聚合物的性质不同，两种材料的界面相容性不佳。如果不对颗粒表面进行改性处理，聚合物中易产生团聚体，直接影响无机颗粒的分散，从而降低复合材料的导热性能。

       为了解决这个问题，可以采用以下方法：

1. 直接共混法，通过机械搅拌、超声分散、真空脱泡、高温固化等方式制备导热灌封胶。这种方法工艺简单，实际量产中可以调控填料含量以达到最优性能。

2. 随着氧化铝填料的增加，灌封胶的粘度逐渐增大，但热导率逐渐上升。氧化铝粉体添加的质量分数在80wt.%左右时，复合材料的热导和力学性能都比较优异。

3. 采用级配球形氧化铝填料可以解决复合材料的气泡和分层问题，并降低逾渗阈值。级配后的填料可以使复合材料内部的导热通路逐渐搭接，形成并完善导热网络。

4. 进一步填充粉体材料填料会破坏基胶基体的连续性，导致灌封胶的拉伸强度和断裂延伸率下降，但可以提高复合材料的热稳定性和降低热膨胀系数。因此，粉体级配后使用是最优选择。

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