Вадкія халодныя пласціны для IGBT модуляў

1. што такое модуль IGBT?

У электрамабілях, вытворчасці энергіі з аднаўляльных крыніц энергіі, чыгуначным транспарце і прамысловай аўтаматызацыі модулі IGBT развіваюцца ў бок больш высокай шчыльнасці магутнасці, меншай займанай плошчы і больш высокай тэмпературы пераходу. Аднак па меры павелічэння шчыльнасці магутнасці чыпа даступная прастора для астуджэння хутка скарачаецца. Даследаванні паказваюць, што праблемы з тэмпературай выклікаюць больш за 50% адмоў інтэгральных схем; у сілавой электроніцы каля 55% адмоў IGBT звязаны з тэмпературай. Традыцыйнае паветранае астуджэнне мае абмежаваны каэфіцыент канвектыўнай цеплаперадачы (у лепшым выпадку прыблізна 37 Вт/см²) і вялікі аб'ём, што робіць яго недастатковым для сілавых модуляў наступнага пакалення. Тэхналогія вадкаснага астуджэння стала асноўным рашэннем для кіравання тэмпературай магутных чыпаў.

2. цеплавыя праблемы IGBT-транзістараў і абмежаванні традыцыйнага астуджэння

IGBT-модуль выпрацоўвае значную колькасць цяпла. Для інвертара магутнасцю 100 кВт з эфектыўнасцю 98% сістэма кіравання тэмпературай павінна адводзіць каля 2 кВт цяпла. Больш за тое, размеркаванне цяпла нераўнамернае; лакальныя гарачыя кропкі на паверхні чыпа могуць быць значна гарачэйшымі за сярэднюю тэмпературу, і гэтыя гарачыя кропкі абмяжоўваюць дынамічныя характарыстыкі і тэрмін службы.

Тэмпература моцна карэлюе з адмовай IGBT-транзістораў. Статыстычнае даследаванне паломак ветраных турбін у 23 краінах у перыяд з 2003 па 2017 год паказала, што адмова модуля IGBT складала 22% незапланаваных прастояў пераўтваральніка — аднаго з найбольш схільных да паломак кампанентаў у ветраных сістэмах. Частыя паскарэнні/запаволенні ў транспартных сродках выклікаюць сур'ёзныя цыклы ўключэння/выключэння магутнасці і перапады тэмпературы, што прыводзіць да стомленасці злучальных правадоў, распластоўвання прыпою і іншых пашкоджанняў, выкліканых цеплавой стомленасцю. Цеплавы ўцёкі могуць прывесці да страты магутнасці ў электрамабілях, што ўяўляе сур'ёзную пагрозу бяспецы.

З пункту гледжання цеплавога супраціву, цеплавыдзяленне IGBT-транзістараў — гэта праблема шматслаёвага паслядоўнага цеплавога супраціву. Цеплавое супраціўленне інтэрфейсу складае больш за 60% ад агульнай сумы, што робіць яго ключавым вузкім месцам. У супраціўленні паміж пераходам і корпусам дамінуючы ўнёсак у супраціўленне паміж пераходам і корпусам уносіць керамічная падложка DBC (непасрэдна злучаная медзь) (больш за 75%). Традыцыйнае паветранае астуджэнне мае тры асноўныя абмежаванні: нізкі каэфіцыент цеплаперадачы, слабую здольнасць ліквідаваць лакальныя гарачыя кропкі і вялікі аб'ём сістэмы, што супярэчыць мініяцюрызацыі сістэмы.

3. як вадкія халодныя пліты працы і іх класіфікацыя

Вадкасная халодная пласціна (таксама званая астуджальнай пласцінай, вадкаснай астуджальнай пласцінай або вадзяной астуджальнай пласцінай) выкарыстоўвае прымусовую вадкасную канвекцыю для адводу цяпла. Прынцып працы просты: цяпло ад IGBT-модуля перадаецца праз цеплавы інтэрфейс да асновы халоднай пласціны, затым выносіцца цепланосбітам, які працякае па ўнутраных каналах; нагрэты цепланосбіт цыркулюе ў цеплаабменніку, астуджаецца і вяртаецца.

У залежнасці ад вытворчых працэсаў і структурных формаў, сёння ў тэхніцы выкарыстоўваюцца чатыры асноўныя тыпы халодных пласцін IGBT.

3.1 традыцыйныя вадкасныя халодныя пліты

Традыцыйныя канструкцыі ўключаюць перфараваныя, сабраныя, звараныя і трубчастыя тыпы. Яны маюць больш простую апрацоўку, больш нізкі кошт і падыходзяць для IGBT-модуляў з нізкай і сярэдняй шчыльнасцю магутнасці. Сярод іх, трубчастая халодная пласціна (або трубчастая вадкасная халодная пласціна) убудоўвае медныя або нержавеючыя сталёвыя трубкі ў пазы алюмініевай асновы, замацаваныя прыпоем або эпаксіднай смалой. Яна забяспечвае лепшыя цеплавыя характарыстыкі і тэрмін службы, чым звычайныя перфараваныя пласціны.

3.2 трубчастыя вадкасныя халодныя пласціны

Трубчастыя халодныя пласціны з вадкасным астуджэннем (таксама званыя вадзянымі халоднымі пласцінамі або трубчастымі халоднымі пласцінамі) выкарыстоўваюць медныя або нержавеючыя сталёвыя трубкі ў якасці каналаў для астуджэння, убудаваныя ў алюмініевую аснову і замацаваныя тэрмічным клеем або пайкай. Іх перавагі ўключаюць прастату вырабу, нізкі кошт і гнуткую кампаноўку трубак (напрыклад, серпанцінную або U-вобразную), якая можа адпавядаць размеркаванню цяпла IGBT-транзістараў. Яны падыходзяць для сярэдняй шчыльнасці магутнасці, адчувальных да кошту прамысловых прывадаў і сонечных інвертараў. Тыповы дыяметр трубкі складае 6–12 мм, а рабочы ціск звычайна ніжэй за 0,5 МПа.

3.3 вадкасныя халодныя пліты FSW

Вадкасныя халодныя пласціны FSW (зварка трэннем з перамешваннем) выкарыстоўваюць круцільны штыфт для перамешвання для генерацыі цяпла трэння, пластыфікуючы матэрыял і ствараючы цвёрдафазны зварны шво паміж вечкам і канаўковай асновай. Гэты працэс не прыводзіць да ўтварэння сітаватасці, расколін і прысадачнага металу, што прыводзіць да высокай трываласці зварнога шва, выдатнай герметызацыі і адсутнасці дэфармацыі канала пратокі. Халодныя пласціны FSW ідэальна падыходзяць для цягавых інвертараў электрамабіляў і пераўтваральнікаў чыгуначнага транспарту, дзе доўгатэрміновая надзейнасць мае вырашальнае значэнне. Тыповая шырыня канала складае 4–10 мм, а супраціў ціску можа дасягаць 1,5–2,0 МПа.

3.4 экструдаваныя вадкасныя халодныя пласціны

Экструдаваныя вадкасныя халодныя пласціны (або алюмініевыя халодныя пласціны, алюмініевыя халодныя пласціны) фармуюцца метадам экструзіі алюмінію з выкарыстаннем спецыяльнай матрицы для стварэння некалькіх паралельных каналаў патоку за адзін этап, затым разразаюцца, герметызуюцца і апрацоўваюцца. Асноўнымі перавагамі з'яўляюцца высокая эфектыўнасць вытворчасці і нізкі кошт адзінкі, з аднолькавымі памерамі каналаў, ідэальна падыходзяць для стандартызаванай вытворчасці вялікіх аб'ёмаў. Аднак каналы звычайна прамыя, што абмяжоўвае аптымізацыю рэбраў. Яны выкарыстоўваюцца ў інвертарах агульнага прызначэння і модулях зарадкі электрамабіляў, дзе шчыльнасць магутнасці невялікая. Тыповы гідраўлічны дыяметр складае 2–5 мм.

3.5 паяныя вадкасныя халодныя пласціны

Паяныя вадкасныя халодныя пласціны (або паяныя халодныя пласціны) вырабляюцца шляхам вакуумнай або кантраляванай атмасфернай пайкі штампаванай асноўнай пласціны з праточным каналам да вечка. Гэта дазваляе ствараць складаныя ўнутраныя структуры рэбраў, такія як штыфтавыя рэбры, касыя рэбры і турбулятары. Пайка забяспечвае вельмі высокую свабоду праектавання, паляпшаючы цеплаперадачу пры кампактным памеры, з добрай герметычнасцю і нізкім рэшткавым напружаннем. Паяныя вадкасныя халодныя пласціны з'яўляюцца першым выбарам для IGBT і SIC модуляў высокай шчыльнасці магутнасці, якія шырока выкарыстоўваюцца ў прэміяльных галоўных прывадах электрамабіляў, ветраных пераўтваральніках і высакаякасных прамысловых крыніцах харчавання. Памеры элементаў канала могуць складаць ад 1 да 3 мм; са штыфтавымі рэбрамі цеплавое супраціўленне значна ніжэйшае, чым у экструдаваных або трубчастых тыпаў. Вакуумная пайка - найбольш надзейны працэс.

3.6 параўнанне цеплавога супраціўлення і структуры розных архітэктур халодных пліт

Для палягчэння інжынернага выбару ў табліцы 1 параўноўваюцца асноўныя цеплавыя і структурныя параметры чатырох халодных пласцін IGBT (у тым ліку традыцыйных трубчастых у якасці базавых).

Табліца 1: Параўнанне цеплавога супраціўлення і структуры розных архітэктур вадкасных халодных пласцін

4. аптымізацыя прадукцыйнасці: канструкцыя канала пратокі і мікрарэбраў

Эфектыўнасць астуджэння сістэмы астуджэння з халоднай пласцінай моцна залежыць ад унутранага канала патоку і канструкцыі рэбраў. Сучасныя даследаванні сканцэнтраваны на наступных галінах.

Структура рэбраў: даследаванне вадкаснага астуджэння трох IGBT-модуляў у прамысловым прывадзе рухавіка параўноўвала прамыя, шахматна размешчаныя штыфтападобныя і касыя рэбры, што пацвердзіла, што складаныя рэбры паляпшаюць канвекцыю. Акрамя таго, мікрамаштабная шматслаёвая вадкасная астуджальная пласціна з касымі рэбрамі дазволіла павялічыць каэфіцыент цеплаперадачы ў 3 разы, знізіць пікавую тэмпературу чыпа на 1,4 °C, палепшыць аднастайнасць тэмпературы на 37,8% і знізіць супраціў патоку больш чым на 15% у параўнанні з прамавугольнай мікраканальнай астуджальнай пласцінай пры той жа хуткасці патоку, што забяспечвае надзейнае астуджэнне чыпа магутнасцю 800 Вт.

Аптымізацыя тапалогіі: даследаванне з выкарыстаннем двухмэтавай аптымізацыі тапалогіі (максімальная цеплаперадача, мінімальнае супраціўленне патоку) для халоднай пласціны з ігбт-трандыкатарамі паказала, што ў параўнанні з халоднай пласцінай з прамым каналам, халодная пласціна з аптымізаванай тапалагічнай трафікам дасягнула на 26,3% меншага падзення ціску, на 64,7% меншага цеплавога супраціву і на 16,3% большага каэфіцыента цеплаперадачы.

аднастайнасць тэмпературы: даследчая група з Нанкінскага ўніверсітэта інфармацыйных навук і тэхналогій прапанавала інавацыйную вадкасную халодную пласціну са змеепадобнымі каналамі, палепшанымі рэбрамі і шахматна размешчанымі турбулятарамі. Эксперыментальныя вынікі паказалі, што павелічэнне хуткасці патоку цепланосбіта зніжае пікавую тэмпературу прылады прыблізна на 22 К пры стабільных цеплавых характарыстыках у пэўным дыяпазоне патоку.

кампраміс паміж магутнасцю астуджэння і перапампоўвання: у сістэме астуджэння з халоднай пласцінай павелічэнне хуткасці патоку паляпшае цеплаперадачу, але таксама нелінейна павялічвае спажыванне магутнасці помпы. У электрамабілях дадатковае падзенне ціску на 10 кПа можа каштаваць ад некалькіх да дзясяткаў ват магутнасці помпы, што неабходна ўлічваць у бюджэце магутнасці сістэмы.

5. эвалюцыя архітэктуры: ад ускоснага астуджэння да ўбудаванай / інтэграванай з DBC вадкаснай халоднай пласціны

У традыцыйных архітэктурах астуджэння модуль IGBT мае шматслаёвы стэк «чып — DBC — базавая пласціна (cu або ALSIC) — халодная пласціна», прычым кожны пласт дадае цеплавое супраціўленне. Як адзначалася, цеплавое супраціўленне інтэрфейсу перавышае 60% ад агульнага.

Каб пераадолець гэта, з'явілася рэвалюцыйная архітэктура — убудаваная або інтэграваная з DBC вадкасная халодная пласціна. Ідэя заключаецца ў інтэграцыі падложкі DBC непасрэдна ў халодную пласціну з выкарыстаннем высокатэмпературных працэсаў для злучэння медзі і керамікі (Al₂O₃ або Aln) у маналітную структуру. Каналы для астуджальнай вадкасці размяшчаюцца непасрэдна пад чыпам, падзеленыя толькі DBC, што значна скарачае шлях цеплаправоднасці.

Тры асноўныя перавагі: (1) адсутнічае неабходнасць базавай пласціны і знешняга часовага рэгулятара, што значна зніжае агульнае цеплавое супраціўленне; (2) дазвол канала да 0,3 мм у спалучэнні з меддзю высокай праводнасці забяспечвае выдатныя ізатэрмічныя характарыстыкі; (3) падтрымлівае кампактныя кампаноўкі з высокай шчыльнасцю магутнасці і двухбаковы мантаж кампанентаў. Асноўныя параметры матэрыялаў для гэтай інтэграванай схемы паказаны ў табліцы 2.

Табліца 2: асноўныя параметры матэрыялу для інтэграванай вадкаснай халоднай пласціны DBC (крыніца: астуджэнне электронікі, 2025 г.)

Гэтая інтэграцыйная тэндэнцыя адпавядае росту рынку IGBT-модуляў з прамым астуджэннем.

6. выбар матэрыялу і тэхналогія астуджэння

Выбар матэрыялу для халоднай пласціны ўлічвае цеплаправоднасць, апрацоўвальнасць і кошт. Найбольш распаўсюджаным выбарам з'яўляецца алюмініевы сплаў 6063 з цеплаправоднасцю каля 180–230 Вт/(м·К). Медзь мае каэфіцыент цеплаправоднасці ~401 Вт/(м·К), але шчыльнасць у тры разы вышэйшая за шчыльнасць алюмінію, а кошт значна вышэйшы, бо выкарыстоўваецца толькі ў высакаякасных прыладах з жорсткімі патрабаваннямі да астуджэння.

Цепланосбіт з'яўляецца найважнейшым носьбітам цяпла. У даследаванні, апублікаваным у часопісе "Applied Thermal Engineering", параўноўваліся дэіянізаваная вада, ачышчаная вада, 20% раствор этыленгліколю ў вадзе і HFE7100. Пры Re = 1400 агульны крытэрый ацэнкі прадукцыйнасці дэіянізаванай вады (PEC) быў на 9,3%, 24,5% і 163,9% вышэйшы, чым у ачышчанай вады, 20% раствора этыленгліколю і HFE7100 адпаведна. Re = 1400 (хуткасць патоку ~0,5–0,6 м/с) быў вызначаны як аптымальны працоўны дыяпазон для нізкага перападу ціску. У практычных сістэмах шырока выкарыстоўваецца сумесь 50% этыленгліколю і вады, якая забяспечвае абарону ад замярзання і добрую цеплаправоднасць.

7. вытворчыя працэсы і выпрабаванні надзейнасці

Зварка/герметызацыя вадкаснай халоднай пласціны непасрэдна ўплывае на доўгатэрміновую надзейнасць. Для чатырох асноўных тыпаў: трубчастая з выкарыстаннем убудавання труб + пайкі або прэсавання; зварка трэннем з перамешваннем з дапамогай зваркі трэннем; экструдаваная з выкарыстаннем экструзіі + герметызацыі тарцоў; паяная з выкарыстаннем вакуумнай або атмасфернай пайкі. Вакуумная пайка і зварка тэрмічнай зваркай з выкарыстаннем вадкасці з'яўляюцца асноўнымі працэсамі для высоканадзейных халодных пласцін.

Да распаўсюджаных дэфектаў зваркі адносяцца сітаватасць, празмернае распаўсюджванне, унутраныя мікратрэшчыны, дрэннае злучэнне і закаркаванне канала пратокі. Для FSW і паяных халодных пласцін неабходна старанна праверыць герметычнасць зварных швоў і ўнутраную чысціню.

Плоскасць — яшчэ адзін ключавы фактар. Згодна з тэорыяй кантакту Герца, нават макраскапічна плоскія паверхні маюць мікраскапічныя пікі і западзіны; фактычная плошча кантакту значна меншая за намінальную. Адхіленні плоскасці на ўзроўні мікрон могуць прывесці да рэзкага павелічэння цеплавога супраціўлення паверхні. Тыповыя крытэрыі прымальнасці для сістэм астуджэння халоднай пласцінай ўключаюць:

• герметычнасць: выпрабаванне на ўцечку геліем, уцечка ≤ 1×10⁻⁶ па·м³/с або ≤ 0,05 мл/мін пры 0,5–2,0 мПа

• трываласць на ціск: гідраўлічны разрыўны выпрабаванне ≥ 3× рабочы ціск (звычайна ≥ 3,0 МПа)

• плоскасць: ≤ 0,05 мм на 100 мм (агульная ≤ 0,1 мм)

• чысціня: часціцы ≤ 10 мг/м²

8. значэнне вадкасных халодных пласцін у галінах прымянення IGBT

электрамабілі: вадкасная пласціна астуджае цяпло ад цягавага інвертара, непасрэдна ўплываючы на выходную магутнасць рухавіка. Модулі SIC маюць у 2-3 разы большую шчыльнасць магутнасці, чым традыцыйныя IGBT-транзістары; эфектыўныя трубчастыя, FSW-пласціны або паяныя вадкасныя пласціны эфектыўна ліквідуюць лакальныя перагрэвы, паляпшаючы запас ходу і надзейнасць электрамабіляў.

ветравыя і сонечныя інвертары: модулі IGBT працуюць пад працяглай высокай нагрузкай; сістэма астуджэння павінна мець працяглы тэрмін службы і не патрабаваць асаблівага абслугоўвання. Халодныя пласціны забяспечваюць больш нізкія стабільныя тэмпературы пераходу і меншыя ваганні тэмпературы, што значна павышае надзейнасць у суровых умовах.

чыгуначны транспарт: электрыфікацыя павялічвае попыт на астуджэнне; актыўнае вадкаснае астуджэнне (з прывадам ад помпы) забяспечвае больш дакладны кантроль тэмпературы, чым натуральная канвекцыя або прымусовае паветранае астуджэнне, павышаючы надзейнасць у экстрэмальных умовах.

(Падобныя ахаладжальныя пласціны для электронікі таксама выкарыстоўваюцца ў ахаладжальных пласцінах для працэсараў высокапрадукцыйных працэсараў, вадкасных ахаладжальных пласцінах для акумулятараў электрамабіляў і ізаляваных канструкцыях ахаладжальных пласцін для ізаляцыі ад высокага напружання.)

9. перспектывы рынку і тэхналагічныя тэндэнцыі

Паводле звестак qyresearch, сусветны рынак падкладак для радыятараў IGBT дасягнуў 720 мільёнаў у 2024 годзе і, як чакаецца, дасягне 1,165 мільярда да 2031 года, са сукупным тэмпам росту 7,7%. У межах гэтага росту вадкасныя астуджальныя пласціны, асабліва паяныя і тыпы FSW, з'яўляюцца ключавымі фактарамі. Сукупны тэмп росту 17,9% для IGBT-модуляў з прамым вадкасным астуджэннем значна вышэйшы за агульны паказчык у 7,7% для IGBT-падложак, што сведчыць аб хуткім пранікненні тэхналогіі вадкаснага астуджэння.

На канферэнцыі IEEE была прадстаўлена перадавая канцэпцыя шматфорсункавай вадкаснай халоднай пласціны з ударным струменем (MJILCP) для магутнасці 1000 Вт, якая паказала на 14,3% меншае цеплавое супраціўленне і на 19,3% меншую магутнасць накачкі ў параўнанні з традыцыйнай фрэзераванай халоднай пласцінай з халодным ахаладжальнікам. Каб дасягнуць цеплавога супраціўлення 0,0236°C/Вт, MJILCP патрабавала на 48% меншай магутнасці накачкі.

Будучая эвалюцыя сканцэнтравана на трох кірунках:

1. глыбокая інтэграцыя: ад ускоснага астуджэння да ўбудаванай інтэграцыі DBC, што яшчэ больш зніжае цеплавое супраціўленне.

2. інтэлектуальнае праектаванне: праектаванне з дапамогай штучнага інтэлекту, аптымізацыя тапалогіі і адытыўная вытворчасць для каналаў патоку на заказ (халодная пласціна для вадкасці на заказ, халодныя пласціны на заказ).

3. адаптацыя да розных сцэнарыяў: індывідуальныя рашэнні для высакавольтных платформаў 800 В, высакагор'яў і г.д., магчыма, у тым ліку халодная пласціна з вадкім азотам для экстрэмальных патрэб у астуджэнні.

Па меры развіцця мясцовай вытворчасці і паглыблення новай энергетычнай рэвалюцыі, вадкасныя халодныя пласціны будуць ператварацца з дапаможных кампанентаў у асноўныя фактары, якія забяспечваюць шчыльнасць магутнасці і надзейнасць у IGBT-транзістарах і больш шырокай сілавой электроніцы.