随着高功率、小型化电力电子设备需求的不断增长，现代半导体技术在热管理方面面临更高要求。尤其是碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)半导体，相较于传统硅基方案，具有更高的耐压能力、更低的开关损耗，以及在高温条件下更优异的效率表现。然而，更高的功率密度也意味着对散热能力提出了更严苛的挑战。

传统的散热方式通常通过半导体底部进行(底部散热，Bottom Side Cooling)，即热量通过基板和焊层传导至封装外壳。这种方式由于存在多个热界面，会限制整体散热效率。顶部散热(Top-Side Cooling)则是一种具有前景的替代方案，热量可通过芯片顶部直接传导至散热器，从而降低热阻，提高半导体内部的温度均匀性，进一步提升整个系统的使用寿命和效率。

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成功实现顶部散热的关键因素之一，是选择合适的导热界面材料(TIM)，以实现高效的热传递。

传统TIM在顶部散热中的挑战

为优化顶部散热效果，TIM材料必须满足多项要求：高导热性、低热阻、在大多数应用中具备电气绝缘能力，以及良好的机械稳定性与可靠性。

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由于具有较低的键合层厚度(BLT)，导热硅脂的热阻非常低，但其通常不具备电气绝缘性。部分市售产品在频繁功率循环条件下还可能出现“泵出效应”(Pump-Out Effect)。KP100产品即是为显著降低该效应而专门开发的。总体而言，采用丝网印刷或钢网印刷方式涂覆膏状材料工艺耗时较长。此外，导热膏本身并不适合用于公差补偿，这方面通常需要使用可交联体系，例如液态间隙填充材料。

相变材料(PCM)在较高工作温度下会发生熔融，从而降低接触热阻。然而，在长时间或高循环次数条件下，其机械稳定性较差，性能可能下降。这类材料同样不适用于需要电气绝缘的应用场景。此外，PCM的应用通常需要丝网印刷等特殊且耗时的装配工艺。

图3

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液态间隙填充材料近年来逐渐成为热门解决方案，尤其适用于大批量生产。其优势在于兼具较高导热性、较低材料成本以及易于通过点胶系统实现自动化。与前述材料不同，液态间隙填充材料通常具备电气绝缘性。

其不足之处在于材料本身需要交联固化，导致生产过程时间较长。在复杂几何结构下，由于依赖点胶工艺及器件公差，材料分布的精确控制相对困难。尽管如此，凭借“湿对湿”(wet-on-wet)装配方式所带来的优异公差补偿能力以及较低的装配机械压力，液态间隙填充材料仍然是非常受欢迎的选择。

KERAMOLD解决方案

KERAMOLD是一种基于TPE(热塑性弹性体)的特殊开发颗粒材料，具备高导热性与电气绝缘性，结合了多种TIM材料的优势。它通过包覆成型(Overmolding)工艺直接应用于电路板或半导体芯片表面，在无需交联固化的情况下，形成精确贴合、导热且绝缘的保护层。

延伸：混合薄膜(Hybrid Foil)

随着汽车行业等领域从传统400V架构向800V架构升级，对电气绝缘强度提出了更高要求。出于安全考虑，例如在金属颗粒污染或存在气隙的情况下，通常需要双层TIM结构以确保可靠绝缘。

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一种方案是导热薄膜与液态间隙填充材料的组合，两层材料均具备导热与电气绝缘性能，且间隙填充材料可实现公差补偿。另一种方案是采用特殊开发的超薄陶瓷材料，在仅40μm厚度下仍具备约5kV的高绝缘能力，同时保持一定柔性。

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KERAMOLD在顶部散热中的应用领域

顶部散热面临诸多机械、电气与热管理方面的挑战。SiC半导体的热耗散包括导通损耗与开关损耗，依据应用不同，每个模块的功耗可达数百瓦(例如电动车行业逆变器中的SiC mosfet)。此外，绝缘强度要求也在提升，TIM材料通常需达到数千伏的绝缘等级，而KERAMOLD材料可以满足这一要求。

包覆成型工艺可最大限度降低KERAMOLD与半导体之间的接触热阻。其材料柔软且富有弹性(Shore A低硬度范围)，这一特性优于传统塑料材料。

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高导热性能： 通过特殊填料配方，KERAMOLD系列产品在Z方向(垂直方向)导热率超过2.5 W/m·K，在X/Y方向(平面方向)超过3.2 W/m·K，明显优于传统塑料材料。目前导热率达3.5 W/m·K的KERAMOLD 35也正在开发中。更优的散热与热扩散能力有助于降低热点温度，并可在必要时减小散热器尺寸。

精准贴合： TIM材料的3D成型结构不仅改善热传导，还可更好地处理爬电问题，例如对半导体接触面及引脚进行整体包覆封装。材料利用率高，且工艺可重复性好。KERAMOLD的CTI值大于600V，可归类为绝缘等级I，有助于缩小器件间距。

优异的机械强度： 采用柔软弹性的TPE进行包覆，可有效缓解振动、热膨胀系数(CTE)不匹配、湿气及环境因素带来的机械应力，从而延长电子元件使用寿命。

一体化解决方案： 由于对电路板及SiC半导体实现全面封装，无需再使用灌封或三防涂层等其他材料和工艺步骤。KERAMOLD不仅用于导热，同时具备电子组件保护功能。

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结论

KERAMOLD是实现高效顶部散热的一项关键技术。电力电子领域的应用需求复杂且高度个性化，因此无法笼统地界定应选用哪类TIM材料，具体方案需综合多方面因素决定。

尽管如此，KERAMOLD代表了一种全新的技术路径，为开发人员提供了更大的设计自由度。

通过直接在半导体表面包覆导热保护层，并减少制造过程时间，可在散热性能、电气绝缘及机械稳定性方面实现整体优化。当应用场景既需要电子保护又需要提升热性能时，KERAMOLD产品系列展现出显著优势。未来，其性能仍将持续优化，以满足更多高要求应用场景。