Способ охлаждения модуля IGBT

«Закон Мура» точно предсказал быстрое развитие полупроводниковой промышленности, но с быстрым развитием технологии электронных корпусов и технологии микрообработки размер и интеграция транзисторов все ближе и ближе приближаются к физическому пределу.Точность существующей технологии литографии ограничена, в сочетании с частым возникновением таких проблем, как утечка и рассеивание тепла, закон Мура больше не сможет точно управлять темпами развития полупроводниковой промышленности в будущем.Проблема рассеивания тепла, которая становится все более актуальной, но до конца не решена, привлекает широкое внимание в отрасли.Управление температурным режимом высокоинтегрированных механических и электронных устройств стало узким местом для непрерывного развития электронной промышленности и даже всей области машиностроения и техники электронного управления.Способность рассеивания тепла традиционной технологии воздушного охлаждения больше не может соответствовать требованиям к рассеиванию тепла электронного оборудования с высоким тепловым потоком.В то же время, по мере того, как типы и области применения электронных устройств становятся более разнообразными, условия эксплуатации усложняются, а рабочая среда становится более сложной, что требует соответствующей системы управления температурным режимом для достижения эффективного отвода тепла в различных условиях работы.Таким образом, как выбрать подходящую технологию охлаждения и рационально спроектировать систему управления температурным режимом, которая была бы стабильной, надежной и гибкой для адаптации к различным сценариям работы, стало одной из основных проблем, которые необходимо решить в области охлаждения с высоким тепловым потоком.

IGBT - это новый тип силового полупроводникового самовыключающегося устройства, которое имеет преимущества небольшой мощности привода, простой схемы управления, низких установившихся потерь, высокого входного импеданса, высокой стойкости к короткому замыканию и пропускной способности по току, а также широко используется в преобразователях частоты, тяговых приводах, двигателях переменного тока, бытовой технике и других областях.Это представитель нового поколения электронных компонентов.На рабочие характеристики IGBT сильно влияет температура.В процессе работы выделяется большое количество тепла из-за частых отключений.Как только он не рассеется вовремя, внутренняя температура модуля повысится, что приведет к изменению его физических констант полупроводника и внутренних параметров устройства.Это ухудшает рабочие характеристики, такие как падение напряжения во включенном состоянии, скорость выключения, пиковое напряжение в выключенном состоянии, время спада тока и потери, и в конечном итоге приводит к тому, что модуль IGBT не работает нормально и сокращает срок его службы.Кроме того, большая разница температур внутри модуля также вызывает тепловое напряжение, что приводит к тепловому разгону, снижая надежность модуля.Поэтому необходимо срочно решить проблему рассеивания тепла модуля IGBT.В случае, если воздушное охлаждение не может удовлетворить требования модуля по рассеиванию тепла, однофазное охлаждающие плиты с водяным охлаждением стали основным методом охлаждения для существующей системы рассеивания тепла модуля IGBT большой мощности.Однако в последние годы процесс миниатюризации и увеличения мощности IGBT ускорился.Из-за увеличения тепловой нагрузки модуля однофазная охлаждающая плита с водяным охлаждением постепенно перестает удовлетворять быстро растущую потребность в рассеивании тепла, а принудительная конвективная теплопередача циркулирующей воды внутри холодная тарелка имеет неизбежную проблему однородности при низких температурах.По этой причине многие ученые стали уделять внимание теплопередаче при кипении потока.Теплопередача микроканального потока с кипением имеет преимущества высокой теплопередающей способности, высокого коэффициента теплопередачи, хорошей однородности температуры и меньшего заряда рабочей жидкости.Это идеальный метод рассеивания тепла для IGBT.В последние годы, с развитием технологии микрообработки и снижением стоимости обработки микроканалов, большие перспективы развития имеет поточно-кипящая теплопередача в микроканалах.

1. Анализ структуры и теплового сопротивления модуля IGBT

Большинство продуктов, представленных в настоящее время на рынке, представляют собой модульные продукты IGBT.Это модульный полупроводниковый продукт, который состоит из микросхем IGBT и FWD через специальный схемный мост.Он обладает характеристиками энергосбережения, удобной установки и обслуживания, а также стабильным рассеиванием тепла.Упакованный модуль IGBT в основном состоит из микросхемы, слоя медной схемы, изолирующего керамического слоя, медного слоя и подложки, как показано на рисунке 1.

Три части слоя медной цепи, изолирующий керамический слой и медный слой в основном играют роль теплопередачи, изоляции и снятия теплового напряжения.Внутри модуля IGBT можно разместить несколько микросхем IGBT.За счет параллельного соединения нескольких микросхем IGBT в модуле можно достичь высокой пропускной способности по току, чтобы избежать проблемы снижения производительности микросхем IGBT при увеличении активной площади.По сравнению с однокристальными модулями, корпусированные модули с несколькими микросхемами IGBT внутри имеют более сложную структуру и предъявляют более высокие требования к терморегулированию.Модуль IGBT представляет собой силовое устройство с высокой теплотворной способностью, и его производительность сильно зависит от температуры.В реальной работе температура перехода должна контролироваться в разумных пределах, чтобы обеспечить нормальную работу.Чрезмерно высокая рабочая температура изменит его физические константы полупроводника и внутренние параметры устройства, что приведет к отказу IGBT-модуля нормально работать.В тяжелых случаях это даже влияет на срок его службы.Вообще говоря, когда температура перехода кристалла IGBT превышает 125 °C, его производительность резко падает, и даже IGBT будет поврежден.Более того, тепловая нагрузка в модуле IGBT из-за большой разницы температур между внутренними микросхемами может привести к тепловому разгону и снизить надежность модуля.Таким образом, при управлении температурой упаковочного модуля необходимо не только следить за тем, чтобы температура каждого чипа не превышала номинальное значение, но также необходимо уделять особое внимание разнице температур чипов в разных положениях.

В качестве силового полупроводникового самовыключающегося устройства модуль IGBT имеет определенные потери мощности при работе проводимости и в процессе включения/выключения, которые обычно называют потерями во включенном состоянии и потерями при переключении.Потери в открытом состоянии обычно зависят от действующего напряжения и тока в процессе проводимости, тогда как потери при переключении в основном зависят от характеристик переключения и частоты переключения IGBT-устройства.Существование потерь в открытом состоянии и коммутационных потерь является наиболее важным фактором, приводящим к проблеме нагрева модуля IGBT.В то же время изменение температуры внутри модуля из-за нагрева также влияет на потери во включенном состоянии и потери при переключении, что влияет на рабочие характеристики модуля.Путь передачи тепла, создаваемого потерями мощности внутри IGBT, связан с составом его корпуса, то есть чип → слой пайки чипа → слой медной схемы → керамический слой → слой меди → слой пайки системы → подложка → радиатор.

2. БТИЗ Cохлаждение Tтехнология

В настоящее время методы охлаждения IGBT, которые широко используются на рынке, включают технологию воздушного охлаждения, охлаждение с помощью тепловых трубок и технологию охлаждения циркулирующей водой.Технология рассеивания тепла, обычно используемая в IGBT, и применимый диапазон теплового потока технологии охлаждения, которая является горячей темой исследований в области управления тепловым режимом IGBT, суммированы, как показано на рисунке 2.

В технологии воздушного охлаждения используется воздушная конвекционная теплопередача для отвода тепла для достижения цели рассеивания тепла, которую можно разделить на пассивное воздушное охлаждение с естественной конвекцией и активное воздушное охлаждение с принудительной конвекцией.Естественное конвекционное охлаждение воздуха в основном связано с разницей в плотности, вызванной разницей температур воздуха в разных местах.Создаваемая плавучесть является движущей силой, которая заставляет окружающий воздух отводить тепло.Радиатор этого метода охлаждения имеет простую конструкцию и прост в обслуживании и широко использовался в первые дни.Но его теплопередающая способность плохая, поэтому его можно использовать только для охлаждения устройств с малой мощностью, низкой теплотворной способностью и тепловым потоком, не превышающим 0,08 Вт/см 2 .С интеграцией силовых устройств IGBT и развитием высокой мощности потребность в охлаждении растет день ото дня.Чтобы удовлетворить требования по рассеиванию тепла и повысить эффективность теплообмена, на устройстве IGBT устанавливается вентилятор или вентилятор для обеспечения принудительной конвекции воздуха.Термическое сопротивление принудительного конвекционного воздушного охлаждения может быть снижено до 1/5–1/15 сопротивления естественного конвекционного воздушного охлаждения, а способность рассеивания тепла значительно увеличивается.Однако из-за добавления вентиляторов/вентиляторов и других устройств необходимо разумно проектировать воздуховод и проводить регулярное техническое обслуживание, что снижает надежность системы и интеграции устройств, а также сопровождается относительно большим шумом во время работы. операция.

Чтобы повысить эффективность охлаждения технологии воздушного охлаждения, на модуль IGBT обычно устанавливается радиатор для увеличения площади теплообмена, а общий радиатор представляет собой ребристый радиатор.На эффективность рассеивания тепла радиатора с воздушным охлаждением влияют структура ребер, размер, конструкция, положение и скорость вентилятора, а также температура окружающей среды.После долгих исследований и оптимизаций радиатор с воздушным охлаждением, особенно радиатор с параллельным алюминиевым оребрением, стал наиболее часто используемым радиатором в современном охлаждении IGBT из-за его простой конструкции и отработанного производственного процесса.Однако из-за проблем малого удельного объема воздуха и низкой теплопроводности даже воздушное охлаждение с принудительной конвекцией имеет ограниченную способность рассеивания тепла.Он не может хорошо справиться с требованиями по рассеиванию тепла современных интегральных модулей IGBT с высокой плотностью теплового потока и быстрым мгновенным повышением температуры.Кроме того, такие проблемы, как неравномерность температуры, шум и надежность системы, также сильно ограничивают дальнейшее развитие технологии воздушного охлаждения.

Чтобы оптимизировать производительность радиаторов с воздушным охлаждением, поверх них обычно добавляют тепловые трубки.Технология охлаждения с тепловыми трубками для отвода тепла IGBT оптимизирована на основе воздушного охлаждения, и ее типовая конструкция радиатора с тепловыми трубками показана на рисунке 3.

Тепловые трубы имеют преимущества низкой разницы температур теплопередачи, небольшого размера и не требуют механического обслуживания.Как правило, тепловая трубка не используется сама по себе в качестве радиатора, а обычно встроена в ребра радиатора с воздушным охлаждением и использует эффективную передачу тепла с фазовым переходом для быстрой передачи тепла от подложки модуля IGBT к воздуху для достижения целью отвода тепла.

По сравнению с технологией воздушного охлаждения с принудительной конвекцией внедрение тепловой трубки значительно повышает производительность радиатора.Радиатор с тепловыми трубками отличается высокой надежностью и низким риском утечки рабочей жидкости.Следовательно, у него есть определенная прикладная основа на современном рынке управления тепловым режимом IGBT.Однако большинство радиаторов с тепловыми трубками, таких как радиаторы с воздушным охлаждением, должны взаимодействовать с внешними вентиляторами/вентиляторами для достижения более высокой эффективности рассеивания тепла.На эффективность работы радиатора с тепловыми трубками также влияет тип вентилятора, скорость ветра, температура окружающей среды и т. д., а также возникают такие проблемы, как регулярное техническое обслуживание и шум во время работы.Кроме того, после добавления конструкции тепловых трубок общий размер радиатора увеличивается.Например, цилиндрический радиатор с тепловыми трубками в сочетании с ребрами обычно подходит только для сценариев рассеивания тепла с большим пространством, что не способствует повышению компактности и интеграции модулей IGBT.

Когда плотность мощности модуля IGBT увеличивается, а конструкция воздушного канала, надежность, индекс шума и другие условия ограничены, реализовать технологию воздушного охлаждения и технологию охлаждения с тепловыми трубками относительно сложно.Он не может полностью удовлетворить требования к эксплуатации оборудования и отводу тепла.В результате на сцену вышла технология водяного охлаждения.Вода обладает хорошей теплопроводностью, большой удельной теплоёмкостью и практически не загрязняется.По сравнению с отводом тепла с воздушным охлаждением использование радиаторов с водяным охлаждением (или пластин с водяным охлаждением) имеет более высокую эффективность отвода тепла, меньший объем и более простую компоновку системы отвода тепла.Он больше подходит для системы охлаждения модулей IGBT большей мощности.Таким образом, циркуляционное водяное охлаждение стало основным методом охлаждения систем охлаждения более мощных модулей IGBT.Радиатор циркуляционного водяного охлаждения можно разделить на следующие два типа в зависимости от формы упаковки между радиатором и модулем IGBT.Один представляет собой отдельный радиатор, образованный объединением модуля IGBT и пластины с водяным охлаждением как двух независимых компонентов.Используйте циркуляцию воды в охлаждающей пластине для отвода тепла от модуля IGBT.Отдельный IGBT-радиатор с водяным охлаждением легко установить, но он также вызывает контактное тепловое сопротивление на контактной поверхности между IGBT-модулем и охлаждающей пластиной.Более того, чем больше тепловыделение IGBT, тем больше влияние теплового контактного сопротивления на характеристики радиатора.Поэтому в практических применениях необходимо наносить на контактную поверхность теплопроводящую силиконовую смазку для снижения теплового контактного сопротивления.Другой способ заключается в размещении IGBT непосредственно на оребренной пластине с водяным охлаждением.Этот радиатор устраняет контактное тепловое сопротивление между подложкой и охлаждающей пластиной и имеет более высокие характеристики рассеивания тепла.Исследования показали, что тепловое сопротивление такой интегрированной формы модуля и радиатора на 33% ниже, чем у раздельного радиатора.Однако такая форма радиатора вносит неудобства в разборку и сборку, а также увеличивает риск контакта охлаждающей жидкости с внутренними микросхемами и платами, поэтому требования к электроизоляции охлаждающей воды более жесткие.В настоящее время применение технологии циркуляционного водяного охлаждения в IGBT является относительно зрелым, и ученые провели много исследований по оптимизации системы водяного охлаждения и конструкции.

Хотя технология циркуляционного водяного охлаждения имеет много преимуществ, нельзя игнорировать проблему однородности низкой температуры.В частности, для микросхемы IGBT ее эффективность преобразования энергии будет увеличиваться с уменьшением температуры перехода микросхемы IGBT.Плохая однородность температуры приведет к разным температурам перехода между кристаллами IGBT в разных местах, в результате чего каждый кристалл IGBT будет иметь разную эффективность преобразования энергии, что приведет к разной выходной мощности.Это очень вредно для работы и надежности модуля, а в тяжелых случаях даже приводит к тепловому разгону и повреждению устройства.В условиях возрастающей тепловой нагрузки на эффективность однофазного охлаждения традиционной циркуляционной воды с охлаждающей пластиной серьезно влияет относительное расположение впускного и выпускного отверстий.Эффективность охлаждения будет значительно снижена вблизи выхода, а неравномерность температуры будет более заметной.

Чтобы решить эту проблему, традиционное однофазное охлаждение циркулирующей водой обычно использует метод увеличения работы насоса.Увеличьте массовый расход воды в системе охлаждения, но этот метод увеличивает энергопотребление и дает неидеальный эффект.Поэтому необходимо срочно разработать новую технологию охлаждения с отличными характеристиками рассеивания тепла и хорошей однородностью температуры.

Технология охлаждения распылением — очень эффективная новая технология жидкостного охлаждения.Он использует сопло для распыления охлаждающей жидкости на группу микрокапель, а затем сильно ударяется о поверхность источника тепла, образуя тонкую пленку охлаждающей жидкости на поверхности.При течении пленки жидкости, испарении и образовании, росте и отрыве пузырьков в пленке жидкости достигается эффект быстрого рассеивания тепла.Распылительное охлаждение имеет высокую теплопередающую способность, хорошую однородность температуры поверхности теплообмена и малую потребность в рабочей жидкости, что является эффективным методом охлаждения с высоким тепловым потоком.С тех пор, как в 1980-х годах была предложена концепция распылительного охлаждения, отечественными и зарубежными учеными было проведено много научно-исследовательских работ по теории и эксперименту.

Большое количество исследований показало, что технология распылительного охлаждения обладает высокой эффективностью рассеивания тепла и имеет хорошие перспективы развития в области рассеивания тепла с высоким тепловым потоком.Однако из-за сложности процесса распылительного охлаждения и взаимодействия множества влияющих факторов решение математической модели затруднено, что вносит большие трудности как в теоретический анализ, так и в экспериментальные исследования.В настоящее время исследования по распылительному охлаждению в основном сочетают модельные исследования, численное моделирование и экспериментальные исследования.До сих пор не получено четких выводов о механизме теплообмена и факторах, влияющих на распылительное охлаждение.Кроме того, конструкция устройства охлаждения распылением сложна, включая конструкцию сопла, расстояние между соплом и поверхностью, угол наклона и скорость потока распыления.Требуется поддержка большого количества параметров, что создает большие проблемы при разработке и продвижении радиаторов, что, в свою очередь, ограничивает их распространение и применение на рынке управления температурным режимом.

Струйное импинджмент-охлаждение — это метод охлаждения, при котором хладагент непосредственно воздействует на поверхность источника тепла с высокой скоростью под действием перепада давления в форсунке для достижения эффективного теплообмена.Типичное поле набегающего потока струи разделено на три области: область свободной струи, область критической точки и область пристенной струи.Среди них область критической точки является основной областью действия струйного охлаждения, и жидкость будет формировать очень тонкий пограничный слой скорости и температуры в области критической точки.Градиент температуры, градиент осевой скорости и градиент давления в пограничном слое очень велики, так что параметры резко изменяются, что приводит к высоким локальным коэффициентам теплопередачи.

Из-за сложности структуры поля течения струйного охлаждения, как правило, невозможно получить точные количественные выводы о характеристиках течения и теплообмена только путем теоретического анализа.В настоящее время для получения относительно точных количественных выводов обычно используется сочетание вывода формул, численного моделирования и экспериментальных исследований.

Из-за ограниченного радиуса действия одноотверстной струи легко вызвать низкую однородность температуры на поверхности источника тепла, что очень неблагоприятно для источников тепла большой площади.Для решения этой проблемы обычно используют струйные решетки с несколькими соплами.На рис. 4 показано устройство с распределенной решеткой струй обратного потока, которое может значительно улучшить температурную однородность оборудования.

Существующие результаты исследований показывают, что способность струйного охлаждения к рассеиванию тепла превосходна.Особенно при уменьшении локальных горячих точек и повышении общей однородности температуры оборудования большой площади.Но это похоже на охлаждение распылением, механизм теплопередачи и характеристики поля потока чрезвычайно сложны, а конструкция сложна.Кроме того, когда устройство струйно-импинджментного охлаждения работает в течение длительного времени, ударная сила высокоскоростной жидкости будет потенциально разрушительной для поверхности модуля IGBT, что ограничивает широкомасштабное применение технологии струйно-импинджентного охлаждения в индустрия охлаждения электронных устройств.

3. Подведем итог

С увеличением тепловой нагрузки модулей IGBT в последние годы метод воздушного охлаждения постепенно становится неспособным удовлетворить быстрорастущие потребности в отводе тепла.Хотя охлаждение тепловых трубок технология и технология охлаждения циркулирующей водой улучшили способность рассеивания тепла, они не имеют очевидных преимуществ в области высокого теплового потока в будущем.БТИЗ остро нуждаются в передовых методах управления тепловым режимом.Хотя технология охлаждения распылением и технология струйного охлаждения могут обеспечить высокую способность рассеивания тепла.Однако их механизм теплообмена сложен, и относительно единой теории теплообмена и закона теплообмена до сих пор не получено.Кроме того, конструкция сопла сложна, поэтому маловероятно, что они поступят в продажу в ближайшее время.Напротив, технология микроканального охлаждения имеет преимущества компактной конструкции, высокой теплопередающей способности, высокого коэффициента теплопередачи, меньшего расхода рабочей жидкости и хорошей однородности температуры.По сравнению с радиаторами струйного и аэрозольного охлаждения, микроканальные радиаторы легче добиться дальнейшей популяризации и применения и имеют большие перспективы развития в области управления температурой электронных устройств.