Método de enfriamiento para el módulo IGBT

'Ley de Moore' predijo con precisión el rápido desarrollo de la industria de los semiconductores, pero con el rápido desarrollo de la tecnología de empaquetado electrónico y la tecnología de micromecanizado, el tamaño y la integración de los transistores se acercan cada vez más al límite físico.La precisión de la tecnología de litografía existente es limitada, junto con la aparición frecuente de problemas como fugas y disipación de calor, es posible que la Ley de Moore ya no pueda liderar con precisión el ritmo de desarrollo de la industria de semiconductores en el futuro.El problema de la disipación de calor, que se ha vuelto cada vez más prominente pero no se ha resuelto por completo, ha recibido una atención generalizada en la industria.La gestión térmica de dispositivos mecánicos y electrónicos altamente integrados se ha convertido en un cuello de botella para el continuo desarrollo de la industria electrónica e incluso de todo el campo de la fabricación mecánica y la ingeniería de control electrónico.La capacidad de disipación de calor de la tecnología tradicional de enfriamiento por aire ya no puede cumplir con los requisitos de disipación de calor de los equipos electrónicos de alto flujo de calor.Al mismo tiempo, a medida que los tipos y campos de aplicación de los dispositivos electrónicos se vuelven más diversos, las condiciones de funcionamiento se vuelven más complejas y el entorno de trabajo se vuelve más sofisticado, lo que requiere el sistema de gestión térmica correspondiente para lograr una disipación de calor eficiente en diferentes condiciones de trabajo.Por tanto, cómo elegir una tecnología de refrigeración adecuada y diseñar racionalmente un sistema de gestión térmica que sea estable, fiable y flexible para adaptarse a diferentes escenarios de trabajo se ha convertido en uno de los principales problemas a resolver en el campo de la refrigeración de alto flujo térmico.

IGBT es un nuevo tipo de dispositivo de autoapagado de semiconductores de potencia, que tiene las ventajas de una pequeña potencia de conducción, un circuito de conducción simple, baja pérdida de estado estable, alta impedancia de entrada, fuerte capacidad de resistencia a cortocircuitos y capacidad de carga de corriente, y es ampliamente utilizado en convertidores de frecuencia, unidades de tracción, motores de CA, electrodomésticos y otros campos.Es un representante de una nueva generación de componentes electrónicos.El rendimiento de trabajo de IGBT se ve muy afectado por la temperatura.Durante el proceso de trabajo, se genera una gran cantidad de calor debido a las desconexiones frecuentes.Una vez que no se disipa a tiempo, la temperatura interna del módulo aumentará, lo que provocará cambios en las constantes físicas del semiconductor y los parámetros internos del dispositivo.Esto hace que los indicadores de rendimiento, como la caída de tensión en estado activado, la velocidad de desconexión, el pico de tensión de desconexión, el tiempo de espera y la pérdida de corriente, empeoren y, finalmente, provoque que el módulo IGBT no funcione normalmente y reduzca su vida útil.Además, la gran diferencia de temperatura dentro del módulo también hará que el estrés térmico provoque una fuga térmica, lo que reduce la confiabilidad del módulo.Por lo tanto, el problema de disipación de calor del módulo IGBT debe resolverse con urgencia.En el caso de que la refrigeración por aire no pueda cumplir con los requisitos de disipación de calor del módulo, monofásico placas frías refrigeradas por agua se han convertido en el método de enfriamiento principal para el actual sistema de disipación de calor del módulo IGBT de gran potencia.Sin embargo, en los últimos años se ha acelerado el proceso de miniaturización y alta potencia de los IGBT.Debido al aumento de la carga de calor del módulo, la placa fría monofásica enfriada por agua es gradualmente incapaz de satisfacer la creciente demanda de disipación de calor y la transferencia de calor por convección forzada del agua circulante dentro del plato frio tiene un problema inevitable de uniformidad a baja temperatura.Por esta razón, muchos estudiosos comenzaron a centrarse en la transferencia de calor por ebullición de flujo.La transferencia de calor por ebullición de flujo de microcanal tiene las ventajas de una gran capacidad de transferencia de calor, un alto coeficiente de transferencia de calor, una buena uniformidad de temperatura y una menor carga de fluido de trabajo.Es un método de disipación de calor ideal para la disipación de calor IGBT.En los últimos años, con el progreso de la tecnología de micromecanizado y la reducción del costo de procesamiento de los microcanales, la transferencia de calor por ebullición de flujo en microcanales tiene grandes perspectivas de desarrollo.

1. Análisis de estructura y resistencia térmica del módulo IGBT

La mayoría de los productos actualmente en el mercado son productos IGBT modulares.Es un producto semiconductor modular que está empaquetado por chips IGBT y FWD a través de un puente de circuito específico.Tiene las características de ahorro de energía, instalación y mantenimiento convenientes y disipación de calor estable.El módulo IGBT empaquetado se compone principalmente de chip, capa de circuito de cobre, capa de cerámica aislante, capa de cobre y sustrato, como se muestra en la Figura 1.

Las tres partes de la capa del circuito de cobre, la capa de cerámica aislante y la capa de cobre desempeñan principalmente el papel de transferencia de calor, aislamiento y alivio de la tensión térmica.Se pueden empaquetar múltiples chips IGBT dentro del módulo IGBT.Al conectar varios chips IGBT en paralelo en el módulo, se puede lograr una alta capacidad de manejo de corriente para evitar el problema de reducir el rendimiento de los chips IGBT mientras se aumenta el área activa.En comparación con los módulos de un solo chip, los módulos empaquetados con múltiples chips IGBT en su interior tienen una estructura más compleja y mayores requisitos de gestión térmica.El módulo IGBT es un dispositivo de potencia con alto valor calorífico y su rendimiento se ve muy afectado por la temperatura.En el funcionamiento real, la temperatura de la unión debe controlarse dentro de un rango razonable para garantizar un funcionamiento normal.Una temperatura de funcionamiento excesivamente alta cambiará las constantes físicas del semiconductor y los parámetros internos del dispositivo, lo que provocará que el módulo IGBT no funcione normalmente.En casos severos, incluso afecta su vida laboral.En términos generales, cuando la temperatura de unión del chip IGBT supera los 125 °C, su rendimiento se reducirá drásticamente e incluso el IGBT se dañará.Además, el estrés térmico en el módulo IGBT debido a la gran diferencia de temperatura entre los chips internos puede provocar un desbordamiento térmico y reducir la confiabilidad del módulo.Por lo tanto, la gestión térmica del módulo de empaque no solo debe garantizar que la temperatura de cada chip no supere el valor nominal, sino que también debe prestar especial atención a la diferencia de temperatura de los chips en diferentes posiciones.

Como dispositivo de autoapagado de semiconductores de potencia, el módulo IGBT tiene una cierta pérdida de potencia en el trabajo de conducción y el proceso de encendido/apagado, que generalmente se denomina pérdida de estado encendido y pérdida de conmutación.La pérdida en el estado generalmente depende del voltaje y la corriente efectivos durante el proceso de conducción, mientras que la pérdida de conmutación depende principalmente de las características de conmutación y la frecuencia de conmutación del dispositivo IGBT.La existencia de pérdida de estado activado y pérdida de conmutación es el factor más importante que conduce al problema de calentamiento del módulo IGBT.Al mismo tiempo, el cambio de temperatura dentro del módulo debido al calentamiento también reacciona sobre la pérdida de estado y la pérdida de conmutación, lo que afecta el rendimiento de trabajo del módulo.La ruta de transferencia del calor generado por la pérdida de potencia dentro del IGBT está relacionada con la composición de su paquete, es decir, chip→capa de soldadura de chip→capa de circuito de cobre→capa de cerámica→capa de cobre→capa de soldadura del sistema→sustrato→radiador.

2. IGBT Cinundando Ttecnologia

En la actualidad, los métodos de refrigeración IGBT que se han utilizado ampliamente en el mercado incluyen tecnología de refrigeración por aire, refrigeración por tubería de calor y tecnología de refrigeración por circulación de agua.La tecnología de disipación de calor comúnmente utilizada en IGBT y el rango de flujo de calor aplicable de la tecnología de enfriamiento que es un tema de investigación candente en el campo de la gestión térmica de IGBT se resumen, como se muestra en la Figura 2.

La tecnología de refrigeración por aire utiliza la transferencia de calor por convección de aire para eliminar el calor y lograr el propósito de la disipación de calor, que se puede dividir en refrigeración por aire de convección natural pasiva y refrigeración por aire de convección forzada activa.El enfriamiento del aire por convección natural se debe principalmente a la diferencia de densidad causada por la diferencia de temperatura del aire en diferentes lugares.La flotabilidad generada es la fuerza motriz, que hace que el aire circundante fluya y se aleje del calor.El radiador de este método de enfriamiento tiene una estructura simple y es fácil de mantener, y fue muy utilizado en los primeros días.Pero su capacidad de transferencia de calor es pobre, por lo que solo se puede usar para enfriar dispositivos con baja potencia, bajo poder calorífico y flujo de calor que no exceda los 0,08 W/cm 2 .Con la integración de dispositivos de alimentación IGBT y el desarrollo de alta potencia, la demanda de refrigeración aumenta día a día.Para cumplir con los requisitos de disipación de calor y mejorar la eficiencia del intercambio de calor, se instala un ventilador o ventilador en el dispositivo IGBT para promover la convección forzada de aire.La resistencia térmica del enfriamiento por aire de convección forzada se puede reducir de 1/5 a 1/15 de la del enfriamiento por aire de convección natural, y la capacidad de disipación de calor aumenta considerablemente.Sin embargo, debido a la adición de ventiladores/ventiladores y otros dispositivos, es necesario diseñar razonablemente el conducto de aire y realizar un mantenimiento regular, lo que reduce la confiabilidad del sistema y la integración de dispositivos, y se acompaña de un ruido relativamente grande durante operación.

Para mejorar la eficiencia de enfriamiento de la tecnología de enfriamiento por aire, generalmente se instala un radiador en el módulo IGBT para aumentar el área de intercambio de calor, y el radiador común es un radiador con aletas.La eficiencia de disipación de calor del radiador enfriado por aire se ve afectada por la estructura de la aleta, el tamaño, el diseño de la disposición, la posición y la velocidad del ventilador y la temperatura ambiente.Después de mucha investigación y optimización, el disipador de calor enfriado por aire, especialmente el disipador de calor con aletas de aluminio paralelas, es el disipador de calor más utilizado en el enfriamiento actual de IGBT debido a su diseño simple y proceso de fabricación maduro.Sin embargo, debido a los problemas del volumen específico de aire pequeño y la baja conductividad térmica, incluso el enfriamiento por aire de convección forzada tiene una capacidad de disipación de calor limitada.No puede hacer frente a los requisitos de disipación de calor de los módulos integrados IGBT actuales con alta densidad de flujo de calor y un rápido aumento instantáneo de la temperatura.Además, problemas como la falta de uniformidad de la temperatura, el ruido y la fiabilidad del sistema también limitan en gran medida el desarrollo de la tecnología de refrigeración por aire.

Para optimizar el rendimiento de los radiadores enfriados por aire, es común agregar tubos de calor encima de ellos.La tecnología de enfriamiento de tubería de calor para la disipación de calor IGBT se optimiza sobre la base de la refrigeración por aire, y su estructura típica de radiador de tubería de calor se muestra en la Figura 3.

Los tubos de calor tienen las ventajas de una baja diferencia de temperatura de transferencia de calor, un tamaño pequeño y no requieren mantenimiento mecánico.En general, el tubo de calor no se usa solo como radiador, sino que generalmente se integra en las aletas del radiador enfriado por aire y usa su transferencia de calor de cambio de fase eficiente para transferir rápidamente el calor del sustrato del módulo IGBT al aire para lograr el propósito de la disipación de calor.

En comparación con la tecnología de enfriamiento por aire de convección forzada, la introducción de la tubería de calor mejora en gran medida el rendimiento del radiador.El radiador de tubería de calor tiene alta confiabilidad y bajo riesgo de fugas de fluido de trabajo.Por lo tanto, tiene cierta base de aplicación en el mercado actual de gestión térmica IGBT.Sin embargo, la mayoría de los radiadores de tubos de calor, como los radiadores enfriados por aire, necesitan cooperar con ventiladores/ventiladores externos para lograr una mayor eficiencia de disipación de calor.La eficiencia de trabajo del radiador de tubería de calor también se ve afectada por el tipo de ventilador, la velocidad del viento, la temperatura ambiente, etc., y existen problemas como el mantenimiento regular y el ruido durante la operación.Además, después de agregar la estructura de tubería de calor, aumenta el tamaño total del radiador.Por ejemplo, un radiador de tubería de calor cilíndrico combinado con aletas generalmente solo es adecuado para escenarios de disipación de calor con un gran espacio, lo que no es propicio para mejorar la compacidad y la integración de los módulos IGBT.

Cuando la densidad de potencia del módulo IGBT aumenta y el diseño del canal de aire, la confiabilidad, el índice de ruido y otras condiciones son limitadas, es relativamente difícil implementar la tecnología de enfriamiento por aire y la tecnología de enfriamiento por tubería de calor.No puede cumplir con los requisitos de operación y disipación de calor del equipo.Como resultado, la tecnología de refrigeración por agua llegó al escenario.El agua tiene buena conductividad térmica, gran capacidad calorífica específica y casi ninguna contaminación.En comparación con la disipación de calor enfriada por aire, el uso de radiadores enfriados por agua (o placas enfriadas por agua) tiene una mayor eficiencia de disipación de calor, un volumen más pequeño y una disposición más sencilla del sistema de disipación de calor.Es más adecuado para el sistema de refrigeración de módulos IGBT de mayor potencia.Por lo tanto, la refrigeración por agua circulante se ha convertido en el método de refrigeración principal para el sistema de refrigeración de los módulos IGBT de mayor potencia.El radiador de refrigeración por agua circulante se puede dividir en los siguientes dos tipos según la forma de embalaje entre el radiador y el módulo IGBT.Uno es un disipador de calor separado formado por la combinación del módulo IGBT y la placa enfriada por agua como dos componentes independientes.Use la circulación de agua en la placa fría para eliminar el calor del módulo IGBT.El radiador refrigerado por agua IGBT separado es fácil de instalar, pero también provoca resistencia térmica de contacto en la superficie de contacto entre el módulo IGBT y la placa fría.Además, cuanto mayor sea la generación de calor IGBT, mayor será el impacto de la resistencia de contacto térmico en el rendimiento del disipador de calor.Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, es necesario aplicar grasa de silicona termoconductora a la superficie de contacto para reducir la resistencia al contacto térmico.La otra es empaquetar directamente el IGBT en el sustrato de placa con aletas refrigerado por agua.Este disipador de calor elimina la resistencia térmica de contacto entre el sustrato y la placa fría y tiene un mayor rendimiento de disipación de calor.Los estudios han demostrado que la resistencia térmica de esta forma integrada del módulo y el disipador de calor es un 33 % más baja que la del disipador de calor separado.Sin embargo, esta forma de radiador genera inconvenientes para el desmontaje y el montaje, y también aumenta el riesgo de que el líquido refrigerante entre en contacto con los chips internos y las placas de circuito, por lo que los requisitos para el aislamiento eléctrico del agua refrigerante son más estrictos.En la actualidad, la aplicación de la tecnología de refrigeración por agua circulante en IGBT está relativamente madura y los académicos han llevado a cabo una gran cantidad de investigaciones sobre el sistema de refrigeración por agua y la optimización del diseño estructural.

Aunque la tecnología de refrigeración por circulación de agua tiene muchas ventajas, no se puede ignorar el problema de la uniformidad de la baja temperatura.Especialmente para el chip IGBT, su eficiencia de conversión de energía aumentará con la disminución de la temperatura de unión del chip IGBT.La mala uniformidad de la temperatura dará lugar a diferentes temperaturas de unión entre los chips IGBT en diferentes posiciones, lo que hará que cada chip IGBT tenga diferentes eficiencias de conversión de energía, lo que resultará en diferentes salidas de energía.Esto es muy perjudicial para el funcionamiento y la fiabilidad del módulo, e incluso provoca una fuga térmica y daña el dispositivo en casos graves.Ante el aumento de la carga de calor, el rendimiento de enfriamiento monofásico del agua de circulación de placa fría tradicional se ve seriamente afectado por la posición relativa de la entrada y la salida.El rendimiento de enfriamiento se reducirá en gran medida cerca de la salida y la falta de uniformidad de la temperatura será más prominente.

Para paliar este problema, la refrigeración monofásica de agua circulante tradicional suele adoptar el método de aumentar el trabajo de la bomba.Aumente el flujo másico de agua en el sistema de enfriamiento, pero este método aumenta el consumo de energía y el efecto no es ideal.Por lo tanto, es urgente desarrollar una nueva tecnología de refrigeración con un excelente rendimiento de disipación de calor y una buena uniformidad de temperatura.

La tecnología de refrigeración por pulverización es una nueva tecnología de refrigeración líquida muy eficiente.Utiliza una boquilla para atomizar el líquido refrigerante en un grupo de microgotas y luego golpea violentamente la superficie de la fuente de calor para formar una película delgada de líquido refrigerante en la superficie.Con el flujo de la película líquida, la evaporación y la formación, crecimiento y desprendimiento de las burbujas en la película líquida, se logra el efecto de disipación de calor rápido.El enfriamiento por aspersión tiene una gran capacidad de transferencia de calor, buena uniformidad de temperatura de la superficie de transferencia de calor y una pequeña demanda de fluido de trabajo, que es un método efectivo de enfriamiento de alto flujo de calor.Desde que se propuso el concepto de enfriamiento por aspersión en la década de 1980, académicos nacionales y extranjeros han llevado a cabo una gran cantidad de trabajos de investigación sobre teoría y experimentación.

Una gran cantidad de estudios han demostrado que la tecnología de enfriamiento por aspersión tiene una alta eficiencia de disipación de calor y tiene buenas perspectivas de desarrollo en el campo de la disipación de calor de alto flujo de calor.Sin embargo, debido a la complejidad del proceso de enfriamiento por aspersión y la interacción de muchos factores que influyen, es difícil resolver el modelo matemático, lo que genera grandes dificultades tanto para el análisis teórico como para la investigación experimental.En la actualidad, la investigación sobre enfriamiento por aspersión adopta principalmente la combinación de investigación de modelos, simulación numérica e investigación experimental.Hasta el momento, no se han obtenido conclusiones claras sobre el mecanismo de transferencia de calor y los factores que influyen en el enfriamiento por aspersión.Además, el diseño del dispositivo de enfriamiento por rociado es difícil, incluida la estructura de la boquilla, la distancia entre la boquilla y la superficie, el ángulo de inclinación y el caudal de rociado.Se requiere una gran cantidad de soporte de parámetros, lo que trae grandes desafíos para el diseño y promoción de disipadores de calor, lo que a su vez limita su expansión y aplicación en el mercado de gestión térmica.

El enfriamiento por impacto de chorro es un método de enfriamiento en el que el refrigerante impacta directamente en la superficie de la fuente de calor a alta velocidad bajo la diferencia de presión de la boquilla para lograr un intercambio de calor eficiente.El campo de flujo de impacto de chorro típico se divide en tres regiones: región de chorro libre, región de punto de estancamiento y región de chorro de pared.Entre ellos, la región del punto de estancamiento es el área de acción principal del enfriamiento por chorro, y el fluido formará una capa límite muy delgada de velocidad y temperatura en la región del punto de estancamiento.El gradiente de temperatura, el gradiente de velocidad axial y el gradiente de presión en la capa límite son muy grandes, por lo que los parámetros cambian drásticamente, lo que resulta en altos coeficientes de transferencia de calor local.

Debido a la complejidad de la estructura del campo de flujo de enfriamiento por chorro, generalmente es imposible obtener conclusiones cuantitativas precisas sobre las características de flujo y transferencia de calor solo mediante análisis teórico.En la actualidad, generalmente se utiliza una combinación de derivación de fórmulas, simulación numérica e investigación experimental para obtener conclusiones cuantitativas relativamente precisas.

Debido al rango limitado del impacto del chorro de un solo orificio, es fácil causar uniformidad de baja temperatura en la superficie de la fuente de calor, lo cual es muy desfavorable para las fuentes de calor de gran superficie.Para resolver este problema, normalmente se utilizan matrices de chorro con múltiples boquillas.La Figura 4 es un dispositivo de matriz de chorro de flujo inverso distribuido, que puede mejorar en gran medida la uniformidad de la temperatura del equipo.

Los resultados de las investigaciones existentes muestran que la capacidad de disipación de calor de la refrigeración por chorro es excelente.Especialmente para reducir los puntos calientes locales y aumentar la uniformidad general de la temperatura de los equipos de gran superficie.Pero es similar al enfriamiento por aspersión, el mecanismo de transferencia de calor y las características del campo de flujo son extremadamente complejos y el diseño es difícil.Además, cuando el dispositivo de enfriamiento por impacto de chorro funciona durante mucho tiempo, la fuerza de impacto del fluido de alta velocidad será potencialmente destructiva para la superficie del módulo IGBT, lo que restringe la aplicación a gran escala de la tecnología de enfriamiento por impacto de chorro en la industria de refrigeración de dispositivos electrónicos.

3. Resumir

Con el aumento de la carga de calor de los módulos IGBT en los últimos años, el método de refrigeración por aire es gradualmente incapaz de satisfacer la creciente demanda de disipación de calor.A pesar de Refrigeración por tubería de calor La tecnología y la tecnología de refrigeración por agua circulante han mejorado la capacidad de disipación de calor, no tienen ventajas obvias en el campo del alto flujo de calor en el futuro.Los IGBT necesitan urgentemente técnicas avanzadas de gestión térmica.Aunque la tecnología de enfriamiento por aspersión y la tecnología de enfriamiento por impacto de chorro pueden lograr una alta capacidad de disipación de calor.Sin embargo, su mecanismo de transferencia de calor es complejo y aún no se han obtenido una teoría y una ley de transferencia de calor relativamente unificadas.Además, el diseño de la boquilla es difícil, por lo que es poco probable que se comercialicen en un corto período de tiempo.Por el contrario, la tecnología de refrigeración por microcanal tiene las ventajas de una estructura compacta, gran capacidad de transferencia de calor, alto coeficiente de transferencia de calor, menor carga de fluido de trabajo y buena uniformidad de temperatura.En comparación con los radiadores de enfriamiento por chorro y enfriamiento por aspersión, los radiadores de microcanales son más fáciles de lograr una mayor popularización y aplicación, y tienen grandes perspectivas de desarrollo en el campo de la gestión térmica de dispositivos electrónicos.