モジュール式放熱システムにおける熱伝導性シリコーングリースの適用

パワー半導体モジュールの冷却システムでは、通常、パワーデバイスから発生する熱を熱伝導性シリコーングリースを用いてラジエーターに伝え、空冷や水冷により放熱します。実際のアプリケーションでは、多くの熱設計エンジニアはラジエーターの最適設計に注意を払いますが、熱伝導性シリコーン グリースの正しい使用を無視します。熱伝導性シリコーングリースを正しく使用すると、パワーモジュールの放熱能力が向上するだけでなく、使用プロセスにおける信頼性も向上します。では、特定のパワーモジュールの場合、熱伝導性シリコーン グリースはどのように選択すればよいのでしょうか?どのような塗装方法が採用されているのでしょうか？コーティングの厚さはどれくらいですか？これらは私たちによくある問題です。これらの質問に答える前に、まずパワー モジュール冷却システムにおけるサーマル シリコーン グリースの役割を理解しましょう。

パワーモジュール冷却システムにおける熱伝導性シリコーングリースの役割

パワーモジュール冷却システムでは、チップが熱源となり、異なる材料の複数の層を介して熱を冷却剤 (風または液体) に伝達します。最後に、熱は冷却剤の流れを通じてシステムに放出され、材料の各層は異なる熱伝導率を持ちます。パワーモジュールのベースプレートとラジエーターは主に銅、アルミニウム、その他の金属材料を使用しており、銅の熱伝導率は約390W / (mk)です。アルミニウムの熱伝導率は約200W/(mk)です。これらの金属材料は熱伝導率が非常に高く、熱伝導率が非常に優れています。なぜパワーモジュールとラジエーターの間に熱伝導率がわずか0.5～6W/(mk)の熱伝導性シリコーングリースを使用するのでしょうか？

その理由は、2 つの金属表面が接触する場合、理想的な状態は金属表面が直接接触して完全な金属金属接触が達成されることですが、実際には 2 つの金属表面は直接接触しておらず、金属表面間には直接接触が存在しないためです。図1に示すように、2つの金属表面の間にはミクロレベルで多数の空隙が存在します。この空隙は空気で満たされており、空気の熱伝導率はわずか約0.003w/(mk)です。熱伝導率が非常に悪いです。熱伝導性シリコーン グリースを使用すると、既存の金属間の接触を維持しながら、これらの空隙に空気を充填して、システムの最適な熱性能を実現できます。

熱伝導性シリコーングリスの厚み

熱伝導性シリコングリスの厚さは、モジュール基板からラジエーターまでの熱抵抗に直接影響します。熱伝導性シリコーングリースは、薄すぎず、厚すぎず、一定の範囲内に制御する必要があります。熱伝導性シリコーングリスが薄すぎると金属接触面の隙間に空気を十分に充填できず、モジュールの放熱能力が低下します。熱伝導性シリコングリースが厚すぎると、モジュールのベースプレートとラジエーターの間に効果的な金属接触を形成できず、モジュールの放熱能力も低下します。したがって、パワーモジュールからラジエーターまで最適な熱伝導率を実現するには、熱伝導性シリコーングリースの厚さを理想値に近い範囲に制御する必要があります。

モジュールのモデルが異なれば、熱伝導性シリコーン グリースの厚さに関する要件も異なります。各半導体モジュールメーカーは、規格に従って各モジュールモデルを厳密にテストし、適切な厚さの熱伝導性シリコーングリースを取得します。このパラメータは通常、各製品の取り付け説明書または技術説明書に記載されています。モジュールの製造元は通常、特定の種類の熱伝導性シリコーン グリースのテストに基づいて厚さの値を取得していることに注意してください。特性の異なる他の熱伝導性シリコーン グリースを使用する場合は、最適な厚さを得るために再テストする必要があります。実際の使用経験によると、熱伝導性シリコーン グリースの厚さは一般に、銅基板を備えたモジュールの場合は 80 ～ 100 um、銅基板のないモジュールの場合は 40 ～ 50um です。

熱伝導性シリコーングリスの塗布方法

既存のプロセス条件では、熱伝導性シリコーン グリースを塗布するには、ローラー コーティング、スクリーン印刷、スチール スクリーン印刷の 3 つの主な方法があります。ローラーコーティングは最も伝統的でシンプルなコーティング方法ですが、スクリーン印刷とスチールスクリーン印刷は正確な均一性と厚さの制御が可能です。シリコーン グリースの厚さは、スクリーンまたはスチール スクリーンの厚さとメッシュ サイズによって厳密に制御され、印刷プロセスによりシリコーン グリースの均一性が保証されます。ワイヤーメッシュはより薄いシリコーングリースを使用する用途に適しており、スチールメッシュはより厚いシリコーングリースを使用する用途に適しています。