热界面是提升IGBT使用寿命的关键因素(2)

以上所有测试均顺利通过所有被测设备的热性能均无明显变化。随后我们进行了王动热循环电应力测试。通过IGBT的电流会周期性加热模块。  共进行了100.000次循环。
模块先开通约一分钟，然后关断两分钟。选定电流，使温度升至120℃的结温。结温变化由所用热界面材料决定。
用热成像仪记录被测装置的芯片温度。被测装置包含三组，每组中有两个功率模块安装于普通的强制风冷散热器上。测试最终选出六种热界面材料备用，这六种材料从最初的80多种材料中精选而来。由于同一组中的两个模块串联，它们在功率循环应力测试期间流过的电流相同。图2左侧所示为典型的测量结果。 最引入关注的是模块内达到的最高温度。测量设备可标记待测量的面积并测出该面积内的最高温度，每平方毫米测量四次。
图2右侧图表为本实验中100000次循环测试的热结果汇总。显而易见，实验中所达到的芯片温度与数据手册中热导率值无关。
以上进行的循环测试很好地解释了热界面材料是否产生可接受的热性能。另外，在测试中还可观察其机械性能。热界面材料不应因热量的机械运动而被从模块底部挤出。在加热至正常运行温度时也不应在垂直安装的情况下开始流动，更不应因散热片微表面结构引起的毛细管效应而分离。所有这些效应均很容易在所描述的测试装置中进行观察。然而，对于电力电子材料而言，必需具有可靠的长期稳定性。
如果在某一运行工作点的芯片温度在整个预测的使用期内保持恒定，那么对使用寿命的计算将十分重要。最终测试在较高温度水平下完成。在高温存储测试中(HTS)中，模块被置于125℃下长达1000小时。记录初始热行为，并每周重复测量一次。
在试验过程中，若温度发生变化，肯定是热界面材料性能退化所致。将产生一些意外的不同效应。图3所示为四种材料的测试结果。 标记为Mod-3的材料因老化性能不断退化。干燥、分离或弹性丧失是导致此效应的原因。Mod-2样本开始性能良好，但五周以后芯片温度突然升高这表明材料正丧失热性能。
Mod-1材料行为稳定，与电力电子设备中热界面材料的预期一样，但标记为“英飞凌解决方案”的专用材料性能胜过普通组件。
使用寿命考量
从图2所记录的试验结果容易看出，计算所用热模型的不确认性，使得无法预测热性能因而错误预估使用寿命。
图2所示材料4是个很好的例子。若仅根据技术手册值来计算热工工况，则结温最低，应力最小并且使用寿命预测最为乐观。相反，实验结果表明，测量结果与预估值相差甚远。这样的结果对于最终设计而言可能是致命的。温度波动过大将产生非常不利的影响，图4所示图表可很好地解释这点。 环境温度为25℃时，使用材料4引起的温度波动△Tvj测量值为约107K。根据图4中的对应Tvj,max=125℃的曲线，这相当于约7*10e4个循环周期的功率循环性能。若用最佳材料改进实验，芯片温度可降低18K，这相当于提升了1.5*10e5个循环周次的功率循环性能，尽管参考线仍为Tvj,max=125℃线，然而热界面材料的改变使得循环性能提升一倍。当结温降到125℃以下时，此预测值告更大。
结论
合适的热管理是设计电力电子设备的关键因系。尽管我们己竭力提升每个组件的热性能，还需特别注意建立合适的热界面以将电力电子元件与其散热片连接。专用材料、尤其是专用于这些应用的材料可显著改善热工工况，从而大大延长设备的使用寿命。