《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Thermal interface materials for thermal management of Insulated Gate Bipolar Transistor
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IGBT热管理中TIM材料研究综述，系统分析其材料科学进展、温度监测与误差补偿技术，探讨液态金属、碳基复合材料等新型TIM的性能优势与应用场景，提出高导热、耐久性及适配自动化生产的未来发展方向。
Bingjie Zhu|Baoshan Xie|Chuanchang Li
湖南省可再生能源电力技术重点实验室，长沙理工大学能源与动力工程学院，中国长沙410114
摘要
作为现代电力电子系统的核心器件，绝缘栅双极晶体管（IGBT）的高效可靠运行在很大程度上依赖于有效的热管理。热界面材料（TIM）应用于IGBT芯片和散热器之间，以消除界面处的空气间隙并降低接触热阻，是热管理路径中的关键环节；其性能直接决定了模块的散热效率和服务寿命。本文系统回顾了IGBT热管理领域中TIM的研究进展。首先，概述了IGBT的主要冷却方案及其热瓶颈，并分析了依赖于TIM性能的温度监测技术，以及TIM老化过程中的误差补偿策略。其次，深入分析了适用于IGBT的TIM的基本特性，包括主要的传热机制、定制的制造工艺，以及热导率和界面热阻对IGBT运行的关键影响。此外，通过典型案例研究，详细介绍了基于液态金属的TIM等先进材料在IGBT模块中的应用优势及实现途径。最后，本文指出了现有TIM技术在应对长期热循环可靠性、与自动化工艺的兼容性以及高填料含量导致的机械不匹配方面所面临的挑战，并提出了针对高功率密度、高可靠性IGBT模块的TIM未来发展方向。本综述旨在为IGBT热管理系统的材料选择和技术创新提供系统性的见解。
引言
绝缘栅双极晶体管（IGBT）因其高效率和快速切换速度而在电力电子应用中得到广泛应用[1]。IGBT产生的热量主要来源于以下机制[2]：电子-声子散射[3]、电子和空穴的复合过程[4]、高电压下通过撞击电离产生的电子-空穴对[5]、短通道效应[6]。IGBT器件中由于功率耗散产生的热量主要来自导通损耗和开关损耗[1]。所有损耗最终都会转化为热能，导致IGBT芯片的结温升高。过高的结温会加剧损耗，进而导致IGBT模块失效甚至完全烧毁。因此，需要设计有效的散热系统来及时去除热量或减少模块内的热损耗[7]。
IGBT的热管理技术已成为电力电子领域的研究热点[8,9]。许多学者在这一领域进行了深入探索并取得了丰硕的研究成果。Nima Mazaheri等人[10]提出了一种新型的高热流密度热管理系统，该系统结合了超临界二氧化碳和双层微喷射散热器，用于冷却电动汽车逆变器中高热量产生的IGBT模块。通过数值模拟研究，这种方法为电动汽车IGBT模块的高效热管理提供了新的解决方案。Han等人[11]提出将多孔介质模型应用于带鳍片的散热器，并结合基于T-Q特性曲线的热流体仿真模型，为预测IGBT模块的结温提供了可靠的方案。Li等人[12]分析了IGBT的失效机制，以研究其整体失效概率分布。该模型考虑了耦合效应，与未考虑耦合效应的模型相比，预测误差降低了4.1%，显示出更出色的预测精度。Xiao等人[13]也在计算机科学领域做出了贡献。他们通过获取IGBT失效老化测试的瞬态热阻抗曲线数据，提出了一种预测框架，能够在仅使用在线数据或结合离线数据的情况下实现高精度的IGBT剩余寿命预测。
两个表面在宏观上可能看起来光滑，但在微观层面上存在许多不均匀的间隙和裂纹。如果直接压合在一起，空气会滞留在这些间隙中。由于空气的热导率非常低，这些滞留的空气会形成热阻。此外，只有部分固体表面直接接触，有限的接触面积也会因接触电阻而显著阻碍热传递。使用热界面材料（TIM）的主要目的是降低处理器和散热器之间的热阻[14,15]。Jorg等人[16]研究了没有基板或底座结构的MOSFET的喷射冲击冷却效果，发现去除芯片表面的油脂层可将热传递系数提高6000 W m?2 K?1。尽管这种方法在大多数实际应用中难以直接实施（通常需要去除基板），但Narumanchi等人的研究[17]进一步表明，将TIM的热阻降低到原来的五分之一可以将器件最高温度降低约10°C。这一效果可以通过减薄TIM层或选择具有更高热导率的界面材料来实现。图1展示了TIM的类型、性能表征和应用场景。目前，研究人员正在致力于开发新型热界面材料，如液态金属[18]、碳基复合材料[19]和纳米结构聚合物[20]，以提高它们的热性能。Chen等人[21]对基于液态金属的热界面材料进行了全面综述，强调了它们作为高性能TIM的基本特性和潜力。这项工作为未来的研究方向提供了指导，突出了材料属性在提高热传导性方面的作用。同样，Guo等人[22]关注碳基TIM，讨论了它们的热传导机制和测量技术。以Yu等人的研究[23]为例，他们开发了一种聚酰亚胺@垂直排列碳纳米管的复合材料，这种材料具有热导率、自修复性能和弹性。这种创新材料展示了智能热界面材料的潜力，结合了高热导率、耐用性和适应性。TIM的创新应用现已扩展到主动热管理设备领域。
尽管文献中有很多关于IGBT热管理中TIM的研究，但尚未进行系统的综述。鉴于此，本文旨在填补这一空白，提供IGBT热管理中TIM应用的系统回顾。本文的独特贡献主要体现在三个方面：首先，它不仅回顾了TIM材料科学的进展，还探讨了这些材料如何具体解决IGBT在冷却、散热和温度监测方面的实际挑战，强调了材料研究与工程应用之间的紧密整合；其次，它分析了TIM性能退化与IGBT状态监测之间的耦合关系，详细阐述了TIM老化如何导致热阻监测误差，并总结了各种用于补偿这些误差的策略，从而从材料角度为开发高度可靠的IGBT预测性健康管理技术提供了理论基础；第三，本文概述了从基础材料创新到模块级封装工艺的技术发展路径。通过对代表性先进TIM（如液态金属、柔性相变复合材料和烧结银纳米颗粒）的制备方法和应用案例进行比较分析，明确了其优势、适用场景，为TIM的选择和针对不同应用需求的进一步创新提供了明确指导。
节选内容
IGBT的热管理
在电力电子领域，IGBT作为核心功率器件，其性能与温度密切相关[24,25]。因此，IGBT的热管理对于确保其稳定高效运行至关重要[26]。本节系统阐述了IGBT的热管理技术。2.1节重点介绍了常用IGBT冷却方法的工作原理和应用瓶颈，分析了TIM在缓解散热中的作用机制
TIM在IGBT中的性能
如图6所示，从IGBT热管理的核心挑战出发，本研究指出界面热阻和散热限制是制约冷却技术效果的关键瓶颈，从而确立了TIM在热管理系统中的核心作用；其次，我们回顾了与TIM相关的IGBT结温监测技术，阐明了TIM性能对监测精度的直接影响，并揭示了相关机制
TIM在IGBT中的应用
基于前文的讨论，本小节将列出并描述几种适用于IGBT热管理的TIM类型。
结论
TIM是IGBT热管理系统中热传递路径的关键环节。它们的性能直接决定了IGBT结温控制的精度、功率损耗抑制的有效性以及长期运行的可靠性。早期的IGBT系统主要使用传统的TIM（如导热油脂），尽管成本低廉，但在长时间运行后热阻会显著增加。新型TIM的开发和应用
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52274252）的支持。
