Тел.: +86-18025912990 |Электронная почта: wst01@winsharethermal.com
Вы здесь: Дом » Новости » Блог » Тепловыделение мощных электронных устройств

Тепловыделение мощных электронных устройств

Просмотры:3     Автор:Pедактор сайта     Время публикации: 2023-03-21      Происхождение:Работает

Мощная электроника лежит в основе таких приложений, как электромобили, ветряные турбины, высокоскоростные железные дороги и электрические сети.В настоящее время мощные электронные устройства развиваются в сторону высокого уровня мощности и высокой степени интеграции.Поэтому неизбежно возникает проблема отвода тепла.Тепло, выделяемое мощными полупроводниковыми устройствами, вызывает повышение температуры чипа.Без надлежащих мер по отводу тепла рабочая температура чипа превысит максимально допустимую температуру.Это приведет к ухудшению или даже повреждению работоспособности устройства.Исследования показали, что при повышении температуры полупроводникового чипа на каждые 10°C его надежность снижается вдвое.Чем выше рабочая температура устройства, тем короче срок службы устройства.Снижение температуры устройства — эффективный способ продлить его жизненный цикл.На данном этапе было проведено множество исследований по тепловому расчету и оптимизации теплоотвода различных электронных устройств и оборудования.


Влияние температуры на срок службы электронных устройств в основном отражается в двух аспектах.Один из них — термический отказ чипа, а другой — стрессовое повреждение.Безопасная рабочая температура обычных кремниевых чипов обычно составляет -40 ~ 50 ℃, и устройство может нормально работать в безопасном диапазоне рабочих температур.Когда температура перехода превышает безопасную рабочую температуру, это приводит к тепловому отказу микросхемы.Максимально допустимая температура перехода для кремниевых микросхем обычно составляет 175°C.С другой стороны, из-за разницы коэффициентов расширения каждого материала в устройстве чрезмерно высокая температура перехода вызовет увеличение термического напряжения в микросхеме.Это, в свою очередь, вызывает механические повреждения, такие как изгиб припоя в микросхеме и отпадение соединительного провода.Некоторые ученые в своих исследованиях указали, что для флип-чипов на выводных рамах из-за большой разницы в коэффициенте теплового расширения между медным выводным каркасом и кремниевым чипом в корпусе тепловое напряжение под действием тепловой нагрузки вызовет повреждение. к структуре поверхности чипа, соединенной паяными соединениями..Некоторые ученые также указали в статье, что остаточное напряжение, создаваемое традиционной технологией соединения пайкой оплавлением, используемой в корпусах полупроводниковых устройств, будет еще больше усугубляться при высокой температуре.В конечном итоге приводят к хрупкому разрушению чипа и слоя припоя подложки.Кроме того, чрезмерно высокая температура перехода также может вызвать термический пробой чипа или даже термическое плавление чипа.Эти сбои являются неустранимыми сбоями, поэтому повреждение устройства высокой температурой является фатальным.

Whinshare радиатор

Параметры самого электронного устройства очень чувствительны к изменению температуры.Его сопротивление во включенном состоянии, прямое падение напряжения, пороговое напряжение, ток проводимости и другие параметры будут изменяться при изменении температуры.Например, сопротивление мощного полевого МОП-транзистора в открытом состоянии увеличивается примерно линейно с увеличением температуры перехода.Следовательно, гомоморфные потери устройства также будут увеличиваться, что приведет к выделению устройством большего количества тепла.Это еще больше увеличивает температуру перехода, создавая порочный круг.Для IGBT соответствующие исследования показали, что время задержки выключения будет увеличиваться с увеличением рабочей температуры перехода устройства.Разумное использование тепловых параметров может быть использовано в качестве параметра, характеризующего температуру перехода устройства.Потеря контроля над тепловыми параметрами может привести к серьезному повреждению устройства, а ущерб, вызванный тепловыми параметрами, имеет тенденцию к дальнейшему ухудшению с повышением температуры.


Являясь основными компонентами силового электронного оборудования, силовые электронные устройства неизбежно будут генерировать различные потери во время работы, включая потери проводимости и потери переключения.Если тепло, выделяемое устройством, не рассеивается вовремя в окружающую среду, высокая рабочая температура серьезно повлияет на нормальную работу устройства и его надежную работу.С развитием технологий силовой электроники оборудование развивается в направлении миниатюризации и компактности.Это делает характеристики концентрации тепла и малой площади рассеивания тепла силовыми электронными устройствами все более заметными, что приводит к постоянному увеличению поверхностной плотности теплового потока устройств.В приложениях большой мощности необходимо устанавливать дополнительные радиаторы для обеспечения надежной работы оборудования.Кроме того, с применением новых материалов, таких как карбид кремния, в силовых электронных устройствах, из-за уменьшения размера микросхемы локальная плотность теплового потока выше, а требования к отводу тепла выше.

Холоднокованый радиатор

С быстрым развитием силовых электронных устройств сценарии приложений постоянно расширяются и усложняются.Оборудование обычно сталкивается с различными внешними условиями, такими как высокая температура, высокая влажность, высокое содержание соли, вибрация и даже вакуум.Это подвергает устройство и компоненты внутри него различным испытаниям.При этом к системе теплоотвода оборудования предъявляются повышенные требования.Поэтому необходимо учитывать влияние различных параметров окружающей среды на тепловой расчет устройства.Некоторые ученые проанализировали потребности развития технологии силовой электроники при экстремальных температурах, указав, что экстремально высокие и низкие температуры в аэрокосмической и других областях неизбежны для устройств силовой электроники.Поэтому исследование производительности устройств в экстремальных условиях очень важно.Некоторые ученые рассмотрели характеристики высокой температуры и высокой влажности в среде угольной шахты и проанализировали характеристики повышения температуры преобразователя мощности шахтного двигателя во влажной среде.Путем моделирования и экспериментальных исследований установлено, что при одинаковой температуре окружающей среды максимальное повышение температуры силового преобразователя уменьшается с увеличением относительной влажности окружающей среды.В этом есть предварительное понимание закона нагревания во влажной среде.Из-за сложности среды применения при проектировании силового электронного оборудования необходимо учитывать не только влияние окружающей среды на внутренние компоненты, но и особенности теплового расчета оборудования.В соответствии с различными характеристиками окружающей среды оптимизируйте метод отвода тепла.Кроме того, также необходимо учитывать влияние окружающей среды на систему отвода тепла для повышения эффективности отвода тепла и надежности системы отвода тепла.


Тепловой расчет силовой электроники включает в себя больше, чем просто область теплопередачи.Как показано на рисунке 1, при анализе пути теплопередачи типичных силовых электронных устройств с использованием метода термоэлектрического моделирования для достижения хорошего эффекта рассеивания тепла и с учетом требований к надежности, легкому весу и миниатюризации оборудования необходимо необходимо всесторонне рассмотреть поле температур и поле напряжений, сопряженное с полем течения.Из вышеприведенного анализа видно, что тепловое проектирование силового электронного оборудования является исследованием, затрагивающим многие дисциплины, такие как механика, электроника, теплопередача и гидромеханика.Следовательно, необходимо рассмотреть конструкцию механической, электрической и тепловой интеграции силовых электронных устройств и сосредоточиться на соединении электро-тепло-механических мультифизических полей силовых электронных устройств.

Тепловыделение мощных электронных устройств

Процесс теплопередачи силовых электронных устройств включает три пути: теплопроводность, теплоконвекцию и тепловое излучение.Теплопроводность от чипа к радиатору и конвекция тепла от радиатора к окружающей среде являются основными методами передачи тепла.Конструкция рассеивания тепла силового электронного оборудования в основном начинается с этих двух аспектов.Общие методы отвода тепла можно разделить на активный отвод тепла, пассивный отвод тепла и термоэлектрическое охлаждение в зависимости от способа отвода тепла от радиатора.Пассивное рассеивание тепла в основном включает в себя обычную естественную конвекцию, непрямой контакт газ-жидкость, охлаждение с фазовым переходом твердое тело-жидкость, а также жидкостное охлаждение с погружением в прямой контакт и охлаждение с фазовым переходом.Активное охлаждение в основном включает обычное принудительное воздушное охлаждение и принудительное жидкостное охлаждение.Чтобы в полной мере использовать теплоотвод существующих методов отвода тепла, технология отвода тепла силового электронного оборудования постоянно оптимизирует и совершенствует существующие методы отвода тепла при разработке новых технологий отвода тепла.На рис. 2 представлена ​​схема диапазона теплового потока, соответствующего обычным методам отвода тепла.

Тепловыделение электронных устройств большой мощности-1

В технологии естественной конвекции в качестве теплоносителя используется воздух.Он использует плавучесть, создаваемую тепловым расширением и холодным сжатием самого воздуха, чтобы заставить воздух обтекать ребра радиатора, чтобы реализовать обмен между горячим воздухом и холодным воздухом.По сравнению с другими методами отвода тепла, отвод тепла с естественной конвекцией не требует дополнительной энергии, имеет простую конструкцию, надежную работу и практически не требует технического обслуживания.Он широко используется в ситуации с низким тепловым потоком.Из-за простой структуры рассеивания тепла исследования рассеивания тепла естественной конвекцией в основном сосредоточены на оптимизации структуры рассеивания тепла и направления установки.В последние годы появилось много исследований по диссипации тепла, подкрепленных теорией полевой синергии.


В отличие от отвода тепла естественной конвекцией, движение охлажденного воздуха с принудительным воздушным охлаждением приводится в действие вентилятором.Поскольку скорость воздуха значительно увеличивается, его способность рассеивания тепла сильнее.Его тепловой поток явно выше, чем тепловыделение естественной конвекции, примерно в 5-10 раз больше, чем при естественном охлаждении воздуха.Конструкция конструкции принудительного воздушного охлаждения в основном включает в себя расчет параметров конструкции радиатора, выбор охлаждающего вентилятора и конструкцию воздуховода для жидкости.Эти три аспекта конструкции обеспечивают баланс площади рассеивания тепла, воздушного потока и падения давления воздуха, чтобы обеспечить наилучший эффект отвода тепла от принудительного воздушного охлаждения.Поскольку эффект рассеивания тепла при принудительном воздушном охлаждении, очевидно, лучше, чем у естественного воздушного охлаждения, хотя эффект рассеивания тепла не так хорош, как у принудительного жидкостного охлаждения, его сложность, объем, вес и позднее техническое обслуживание, очевидно, лучше, чем у жидкостное охлаждение.Его можно широко использовать и быстро развивать в тепловом расчете мощных электронных устройств.

Холодная тарелка Winshare

На рис. 3 показана типичная структура принудительного жидкостное охлаждение.Тепло, выделяемое источником тепла в конструкции рассеивания тепла, передается охлаждающей жидкости через упаковку устройства и пластину жидкостного охлаждения путем теплопроводности.Нагретая жидкость под действием насоса подается в секцию теплообменника, а тепло отводится в окружающую среду через теплообменник.Принудительное жидкостное охлаждение, в отличие от принудительного воздушного охлаждения, передает тепло от источника тепла к теплообменной части за счет охлаждения жидкости.Прямой контакт с источником тепла представляет собой жидкость, а теплопроводность жидкости значительно выше, чем у воздуха, поэтому ее эффект рассеивания тепла значительно лучше, чем рассеивание тепла принудительным воздушным охлаждением, примерно в 6 ~ 10 раз по сравнению с воздушным охлаждением.При отводе тепла жидкостным охлаждением использование среды с лучшей теплопроводностью может значительно улучшить эффект отвода тепла.Некоторые ученые предложили применение жидкого металла в качестве охлаждающей среды при тепловом развитии системы охлаждения силовых электронных устройств и проверили возможность применения жидкого металла для отвода тепла жидкостного охлаждения мощных электронных устройств посредством моделирования и эксперимента. .Из-за наличия жидкости в системе необходимо рассмотреть вопрос о замене жидкости и предотвратить повреждение устройства утечкой жидкости.Принудительное жидкостное охлаждение предъявляет высокие требования к надежности жидкости и системе трубопроводов.Из-за сложной структуры системы и множества компонентов объем и вес системы явно больше, чем тепловыделение при воздушном охлаждении.Поэтому среда применения принудительного жидкостного охлаждения имеет определенные ограничения.

Тепловыделение электронных устройств большой мощности-2

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Партье полупроводниковых материалов, в котором электрический ток протекает через поверхность раздела двух разных материалов, поглощая или выделяя тепло из внешнего мира.В последние годы, с развитием технологии производства полупроводниковых материалов, быстро развивается термоэлектрическое охлаждение.На рис. 4 представлена ​​типичная структура термоэлектрического охлаждения.Хотя охлаждающий конец термоэлектрического охлаждения может значительно снизить температуру источника тепла, его общая способность рассеивания тепла ограничена мощностью горячего конца.Эффект рассеивания тепла всей системы тесно связан с режимом рассеивания тепла на горячем конце.Из-за необходимости принятия мер по отводу тепла на горячем конце термоэлектрического охлаждения общая система отвода тепла сложна и громоздка, что ограничивает ее применение.

Тепловыделение электронных устройств большой мощности-3

Отвод тепла тепловой трубкой представляет собой принцип теплопередачи с изменением жидкой фазы.Насыщенная жидкость внутри тепловой трубки поглощает тепло со стороны высокой температуры и испаряется.Насыщенный пар течет на сторону с низкой температурой, чтобы экзотермиться и конденсироваться в жидкость, и возвращается на сторону с высокой температурой под действием силы тяжести или капиллярной силы, чтобы продолжать участвовать в цикле абсорбции и экзотермии.На рис. 5 показана типичная конструкция гравитационной тепловой трубы.Хотя теплоотвод с помощью тепловых трубок является пассивным, он обладает превосходной теплопроводностью, несравнимой с другими металлами.В последние годы быстро развиваются различные формы технологии отвода тепла с помощью тепловых трубок.

Тепловыделение электронных устройств большой мощности-4

Существует два основных определения микроканалов.Канал с гидравлическим диаметром 0,01~0,2 мм можно назвать микроканалом.Другой определяется отношением плавучести к поверхностному натяжению.Независимо от определения, технология микроканального отвода тепла привлекает все большее внимание исследователей благодаря своим выдающимся преимуществам, таким как небольшой размер, небольшая разница температур теплопередачи и высокая эффективность теплопередачи на единицу площади.В последние годы, с постоянным совершенствованием теории микроканалов и быстрым развитием технологий обработки, эта технология стала горячей темой исследований ученых.Исследование микроканала технология рассеивания тепла в основном фокусируется на оптимизации размера канала и характеристиках потока и теплопередачи среды канала.


По мере углубления исследований и разработок новые материалы стали применяться на различных структурных уровнях.Применение полупроводниковых материалов SiC с запрещенной зоной в коммутационных устройствах.Применение новой среды с фазовым переходом с высокой надежностью при отводе тепла с фазовым переходом.В материалах теплового интерфейса, различных компонентах жидких металлов.

Тарелка с холодной водой Winshare

При решении проблемы теплоотвода мощных электронных устройств в первую очередь следует опираться на теорию термодинамики.Начиная с основных законов термодинамики;Придавайте большое значение исследованиям и разработкам новых материалов и производства.Будь то материал для рассеивания тепла или материал для теплового интерфейса, новый материал обладает несравненными преимуществами.Разрабатывайте новые материалы с превосходными термическими свойствами и снижайте стоимость производства и применения, чтобы их можно было широко использовать.Это может в полной мере раскрыть потенциал технологии рассеивания тепла и улучшить эффект рассеивания тепла.Исследования новых технологий отвода тепла также должны быть углубленными.В процессе развития существующей технологии отвода тепла от пассивной к активной, от естественной конвекции к принудительному воздушному охлаждению и к принудительному жидкостному охлаждению, а также от однофазного отвода тепла к многофазному отводу тепла поток тепла значительно увеличился.Хотя новый режим отвода тепла неизбежно будет сопровождаться изменением общей конструкции, увеличение теплового потока является значительным, что имеет большое значение для улучшения общего эффекта отвода тепла от оборудования.


Расскажите мне о своем проекте
По любым вопросам по вашему проекту обращайтесь к нам, мы ответим вам в течение 12 часов, спасибо!
Send a message