تبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة

تقع الإلكترونيات عالية الطاقة في قلب التطبيقات مثل السيارات الكهربائية وتوربينات الرياح والسكك الحديدية عالية السرعة وشبكات الطاقة. في الوقت الحاضر، تتطور الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة نحو مستوى طاقة عالٍ وتكامل عالي. ولذلك، فإن مشكلة تبديد الحرارة تشعر بالقلق حتما. ستؤدي الحرارة الناتجة عن أجهزة أشباه الموصلات عالية الطاقة إلى ارتفاع درجة حرارة الشريحة. بدون تدابير مناسبة لتبديد الحرارة، ستتجاوز درجة حرارة تشغيل الشريحة الحد الأقصى لدرجة الحرارة المسموح بها. سيؤدي ذلك إلى تدهور أداء الجهاز أو حتى الإضرار به. أظهرت الدراسات أنه مقابل كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة شريحة أشباه الموصلات، ستنخفض موثوقية الشريحة بمقدار النصف. كلما ارتفعت درجة حرارة تشغيل الجهاز، قل عمر الجهاز. يعد خفض درجة حرارة الجهاز وسيلة فعالة لإطالة دورة حياته. في هذه المرحلة، تم إجراء العديد من الأبحاث حول التصميم الحراري وتحسين تبديد الحرارة لمختلف الأجهزة والمعدات الإلكترونية.

ينعكس تأثير درجة الحرارة على عمر الأجهزة الإلكترونية بشكل رئيسي في جانبين. أحدهما هو الفشل الحراري للرقاقة، والآخر هو تلف الإجهاد. تتراوح درجة حرارة العمل الآمنة لرقائق السيليكون الشائعة بشكل عام بين 40 و50 درجة مئوية، ويمكن للجهاز العمل بشكل طبيعي ضمن نطاق درجة حرارة العمل الآمن. عندما تتجاوز درجة حرارة الوصلة درجة حرارة التشغيل الآمنة، فسوف يتسبب ذلك في فشل حراري للرقاقة. الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة المسموح بها لرقائق السيليكون هي 175 درجة مئوية بشكل عام. من ناحية أخرى، نظرًا للاختلاف في معامل التمدد لكل مادة في الجهاز، فإن درجة حرارة الوصلة المرتفعة بشكل مفرط ستتسبب في زيادة الضغط الحراري في الشريحة. وهذا بدوره يسبب أضرارًا ميكانيكية مثل ثني اللحام في الشريحة والسقوط من سلك الربط. أشار بعض العلماء في أبحاثهم إلى أنه بالنسبة للرقائق المقلبة على إطارات الرصاص، نظرًا للاختلاف الكبير في معامل التمدد الحراري بين إطار الرصاص النحاسي ورقاقة السيليكون الموجودة في العبوة، فإن الضغط الحراري تحت تأثير الحمل الحراري سوف يتسبب في تلف البنية السطحية للرقاقة المتصلة بمفاصل اللحام. . وأشار بعض العلماء أيضًا في المقالة إلى أن الضغط المتبقي الناتج عن تقنية التوصيل البيني للحام بإعادة التدفق التقليدية المستخدمة في تغليف أجهزة أشباه الموصلات سوف يتفاقم بشكل أكبر عند درجات الحرارة المرتفعة. يؤدي في النهاية إلى كسر هش للرقاقة وطبقة اللحام من الركيزة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي درجة حرارة الوصلة المرتفعة جدًا أيضًا إلى انهيار حراري للرقاقة، أو حتى ذوبان حراري للرقاقة. تعتبر هذه الأعطال أعطالًا غير قابلة للاسترداد، لذا فإن تلف الجهاز بسبب ارتفاع درجة الحرارة يكون قاتلًا.

معلمات الجهاز الإلكتروني نفسه حساسة للغاية للتغيرات في درجات الحرارة. المقاومة على الحالة، انخفاض الجهد الأمامي، جهد العتبة، تيار التوصيل والمعلمات الأخرى سوف تتغير مع تغير درجة الحرارة. على سبيل المثال، تزداد المقاومة على الحالة لطاقة MOSFET بشكل خطي تقريبًا مع زيادة درجة حرارة الوصلة. ولذلك، فإن الفقد المتماثل للجهاز سيزداد أيضًا، مما يتسبب في توليد المزيد من الحرارة بواسطة الجهاز. يؤدي هذا إلى زيادة درجة حرارة الوصلة، مما يخلق حلقة مفرغة. بالنسبة لـ IGBT، أظهرت الدراسات ذات الصلة أن وقت تأخير إيقاف التشغيل سيزداد مع زيادة درجة حرارة وصلة التشغيل للجهاز. يمكن استخدام الاستخدام المعقول للمعلمات الحرارية كمعلمة توصيف لدرجة حرارة تقاطع الجهاز. يمكن أن يؤدي فقدان التحكم في المعلمات الحرارية إلى حدوث أضرار جسيمة بالجهاز، ويميل الضرر الناتج عن المعلمات الحرارية إلى التدهور بشكل أكبر مع زيادة درجة الحرارة.

باعتبارها المكونات الأساسية للمعدات الإلكترونية للطاقة، فإن الأجهزة الإلكترونية للطاقة ستولد حتمًا خسائر مختلفة أثناء التشغيل، بما في ذلك فقدان التوصيل وفقدان التبديل. إذا لم يتم تبديد الحرارة الناتجة عن الجهاز إلى البيئة المحيطة في الوقت المناسب، فإن درجة حرارة التشغيل المرتفعة ستؤثر بشكل خطير على التشغيل العادي للجهاز والتشغيل الموثوق للجهاز. مع تقدم تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، تتطور المعدات في اتجاه التصغير والاكتناز. وهذا يجعل خصائص تركيز الحرارة ومنطقة تبديد الحرارة الصغيرة لأجهزة الطاقة الإلكترونية بارزة بشكل متزايد، مما يؤدي إلى الزيادة المستمرة في كثافة التدفق الحراري السطحي للأجهزة. في التطبيقات عالية الطاقة، من الضروري تركيب خافضات حرارة إضافية لتحقيق التشغيل الموثوق للمعدات. بالإضافة إلى ذلك، مع تطبيق مواد جديدة مثل SiC في الأجهزة الإلكترونية للطاقة، بسبب تقليل حجم الرقاقة، تكون كثافة تدفق الحرارة المحلية أعلى، ومتطلبات تبديد الحرارة أعلى.

مع التطور السريع للأجهزة الإلكترونية العاملة بالطاقة، تتوسع سيناريوهات التطبيق باستمرار وتزداد تعقيدًا. تواجه المعدات عادةً بيئات خارجية مختلفة مثل درجة الحرارة العالية والرطوبة العالية والملح العالي والاهتزاز وحتى الفراغ. وهذا يُخضع الجهاز والمكونات الموجودة بداخله لاختبارات مختلفة. وفي الوقت نفسه، يتم وضع متطلبات أعلى على نظام تبديد الحرارة للمعدات. ولذلك، فمن الضروري النظر في تأثير العوامل البيئية المختلفة على التصميم الحراري للجهاز. قام بعض العلماء بتحليل احتياجات تطوير تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة في درجات الحرارة القصوى، مشيرين إلى أن درجات الحرارة المرتفعة للغاية والبيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة في الفضاء الجوي والمجالات الأخرى أمر لا مفر منه بالنسبة لأجهزة الطاقة الإلكترونية. ولذلك، فإن أبحاث أداء الأجهزة في البيئات القاسية أمر مهم للغاية. وقد نظر بعض العلماء في خصائص درجة الحرارة المرتفعة والرطوبة العالية في بيئة منجم الفحم، وقاموا بتحليل خصائص ارتفاع درجة الحرارة لمحول طاقة محرك المنجم في بيئة رطبة. من خلال المحاكاة والبحث التجريبي، وجد أنه في ظل نفس درجة الحرارة المحيطة، فإن الحد الأقصى لارتفاع درجة الحرارة لمحول الطاقة يتناقص مع زيادة الرطوبة النسبية للبيئة. وهذا لديه فهم أولي لقانون التدفئة في البيئات الرطبة. نظرًا لتعقيد بيئة التطبيق، عند تصميم المعدات الإلكترونية للطاقة، لا يجب مراعاة تأثير البيئة على المكونات الداخلية فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة خصوصية التصميم الحراري للمعدات. وفقا للخصائص البيئية المختلفة، تحسين طريقة تبديد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري أيضًا مراعاة تأثير البيئة على نظام تبديد الحرارة لتحسين كفاءة تبديد الحرارة وموثوقية نظام تبديد الحرارة.

يتضمن التصميم الحراري لإلكترونيات الطاقة أكثر من مجرد مجال نقل الحرارة. كما هو مبين في الشكل 1، في تحليل مسار نقل الحرارة للأجهزة الإلكترونية التقليدية للطاقة باستخدام طريقة المحاكاة الحرارية، من أجل تحقيق تأثير جيد لتبديد الحرارة ومراعاة الموثوقية والوزن الخفيف ومتطلبات التصغير للمعدات، من الضروري النظر بشكل شامل في مجال درجة الحرارة ومجال الضغط الذي يقترن بمجال التدفق. يمكن أن نرى من التحليل أعلاه أن التصميم الحراري للمعدات الإلكترونية للطاقة هو بحث يشمل العديد من التخصصات مثل الميكانيكا والإلكترونيات ونقل الحرارة وميكانيكا الموائع. لذلك، من الضروري النظر في تصميم التكامل الميكانيكي-الكهربائي-الحراري للأجهزة الإلكترونية للطاقة، والتركيز على اقتران المجالات الفيزيائية المتعددة الكهربائية-الحرارية-الميكانيكية للأجهزة الإلكترونية للطاقة.

تتضمن عملية نقل الحرارة للأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالطاقة ثلاث طرق: التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع الحراري. يعد التوصيل الحراري من الشريحة إلى المشتت الحراري والحمل الحراري من المشتت الحراري إلى البيئة المحيطة من الطرق الرئيسية لنقل الحرارة. يبدأ تصميم تبديد الحرارة للمعدات الإلكترونية للطاقة بشكل أساسي من هذين الجانبين. يمكن تقسيم طرق تبديد الحرارة الشائعة إلى تبديد الحرارة النشط، وتبديد الحرارة السلبي، والتبريد الحراري وفقًا لطريقة إبعاد الحرارة عن المبرد. يتضمن تبديد الحرارة السلبي بشكل أساسي الحمل الحراري الطبيعي الشائع، والتلامس غير المباشر بين الغاز والسائل، وتبريد تغيير الطور الصلب والسائل، وتبريد سائل الغمر بالتلامس المباشر وتبريد تغيير الطور. يتضمن التبريد النشط بشكل أساسي تبريد الهواء القسري المشترك والتبريد السائل القسري. من أجل إفساح المجال كاملاً لقدرة تبديد الحرارة لطرق تبديد الحرارة الحالية، تعمل تقنية تبديد الحرارة للمعدات الإلكترونية للطاقة على تحسين وتحسين طرق تبديد الحرارة الحالية باستمرار مع تطوير تقنيات جديدة لتبديد الحرارة. الشكل 2 عبارة عن رسم تخطيطي لنطاق تدفق الحرارة المطابق لطرق تبديد الحرارة الشائعة.

تستخدم تقنية تبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي الهواء كوسيلة لنقل الحرارة. إنه يستخدم الطفو الناتج عن التمدد الحراري والانكماش البارد للهواء نفسه لجعل الهواء يتدفق حول زعنفة المبرد لتحقيق التبادل بين الهواء الساخن والهواء البارد. بالمقارنة مع طرق تبديد الحرارة الأخرى، فإن تبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي لا يتطلب طاقة إضافية، وبنية بسيطة، وتشغيل موثوق، ولا يحتاج إلى صيانة بشكل أساسي. يستخدم على نطاق واسع في حالة التدفق الحراري المنخفض. بسبب هيكل تبديد الحرارة البسيط، تركز الأبحاث حول تبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي بشكل أساسي على تحسين هيكل تبديد الحرارة واتجاه التثبيت. في السنوات الأخيرة، ظهرت العديد من الأبحاث حول تبديد الحرارة المدعومة بنظرية التآزر الميداني.

على النقيض من تبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي، يتم تشغيل حركة الهواء المبرد بالهواء القسري بواسطة مروحة. نظرًا لزيادة سرعة الهواء بشكل كبير، فإن قدرته على تبديد الحرارة أقوى. من الواضح أن تدفق الحرارة أعلى من تبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي، حوالي 5 إلى 10 مرات من تبريد الهواء الطبيعي. يتضمن تصميم هيكل تبريد الهواء القسري بشكل أساسي تصميم معلمات هيكل المشتت الحراري واختيار مروحة التبريد وتصميم مجاري الهواء السائل. هذه الجوانب الثلاثة للتصميم تجعل منطقة تبديد الحرارة وتدفق الهواء وتوازن انخفاض ضغط الهواء، من أجل جعل تبديد حرارة تبريد الهواء القسري يلعب أفضل تأثير. نظرًا لأن تأثير تبديد الحرارة لتبريد الهواء القسري أفضل بشكل واضح من تأثير تبريد الهواء الطبيعي، على الرغم من أن تأثير تبديد الحرارة ليس جيدًا مثل تأثير التبريد السائل القسري، فمن الواضح أن تعقيده وحجمه ووزنه وصيانته المتأخرة أفضل من تأثير التبريد السائل. يمكن استخدامه على نطاق واسع وتطويره بسرعة في التصميم الحراري للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة.

ويبين الشكل 3 هيكل نموذجي للقسري التبريد السائل . يتم نقل الحرارة الناتجة عن مصدر الحرارة في هيكل تبديد الحرارة إلى سائل التبريد من خلال عبوة الجهاز ولوحة التبريد السائلة بطريقة توصيل الحرارة. يتم نقل السائل الساخن إلى قسم المبادل الحراري تحت تأثير المضخة ويتم تبديد الحرارة إلى البيئة المحيطة من خلال المبادل الحراري. التبريد السائل القسري، على عكس تبريد الهواء القسري، ينقل الحرارة من مصدر الحرارة إلى جزء مبادل الحرارة عن طريق تبريد السائل. الاتصال المباشر بمصدر الحرارة هو السائل والتوصيل الحراري السائل أعلى بكثير من الهواء، وبالتالي، فإن تأثير تبديد الحرارة أفضل بكثير من تبديد حرارة تبريد الهواء القسري، حوالي 6 ~ 10 مرات من تبريد الهواء. في تبديد حرارة التبريد السائل، يمكن أن يؤدي استخدام الوسائط ذات الموصلية الحرارية الأفضل إلى تحسين تأثير تبديد الحرارة بشكل كبير. طرح بعض العلماء تطبيق المعدن السائل كوسيط تبريد في التطور الحراري لنظام التبريد للأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة، وتحققوا من إمكانية تطبيق المعدن السائل في تبديد حرارة التبريد السائل للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة من خلال المحاكاة والتجربة. ونظراً لوجود سائل في النظام، فمن الضروري مراعاة استبدال السائل ومنع أضرار تسرب السائل إلى الجهاز. التبريد السائل القسري له متطلبات عالية على موثوقية السائل ونظام الأنابيب. نظرًا لبنية النظام المعقدة والعديد من المكونات، فمن الواضح أن حجم ووزن النظام أكبر من تبديد الحرارة الناتج عن تبريد الهواء. ولذلك، فإن بيئة تطبيق التبريد السائل القسري لها قيود معينة.

يستفيد التبريد الحراري من تأثير Partier للمواد شبه الموصلة، حيث يتدفق تيار كهربائي عبر واجهة مادتين مختلفتين، ويمتص الحرارة من العالم الخارجي أو يطلقها. في السنوات الأخيرة، مع تطور تكنولوجيا تصنيع مواد أشباه الموصلات، تطور التبريد الحراري بسرعة. ويبين الشكل 4 البنية النموذجية للتبريد الحراري. على الرغم من أن طرف التبريد للتبريد الكهروحراري يمكن أن يقلل بدرجة كبيرة من درجة حرارة مصدر الحرارة، إلا أن قدرته الإجمالية على تبديد الحرارة تقتصر على قدرة الطرف الساخن. يرتبط تأثير تبديد الحرارة للنظام بأكمله ارتباطًا وثيقًا بوضع تبديد الحرارة للطرف الساخن. نظرًا لأن إجراءات تبديد الحرارة لا تزال بحاجة إلى اتخاذها عند الطرف الساخن للتبريد الكهروحراري، فإن نظام تبديد الحرارة الشامل معقد ومرهق، مما يحد من تطبيقه.

تبديد حرارة الأنابيب الحرارية هو مبدأ نقل الحرارة بتغير الطور السائل. يمتص السائل المشبع الموجود داخل أنبوب الحرارة الحرارة من جانب درجة الحرارة المرتفعة ويتبخر. يتدفق البخار المشبع إلى جانب درجة الحرارة المنخفضة ليصدر الحرارة ويتكثف إلى سائل، ويعود إلى جانب درجة الحرارة المرتفعة تحت تأثير الجاذبية أو القوة الشعرية لمواصلة المشاركة في دورة الامتصاص والطاردة للحرارة. ويبين الشكل 5 الهيكل النموذجي لأنابيب الحرارة الجاذبية. على الرغم من أن تبديد حرارة الأنابيب الحرارية هو تبديد حرارة سلبي، إلا أنه يتمتع بموصلية حرارية ممتازة لا تضاهى بالمعادن الأخرى. في السنوات الأخيرة، تطورت بسرعة أشكال مختلفة من تكنولوجيا تبديد الحرارة عبر الأنابيب الحرارية.

هناك تعريفان رئيسيان للقنوات الصغيرة. يمكن تسمية القناة التي يبلغ قطرها الهيدروليكي 0.01 ~ 0.2 مم بالقناة الصغيرة. والآخر يتم تعريفه بنسبة الطفو إلى التوتر السطحي. بغض النظر عن التعريف، فقد اجتذبت تقنية تبديد الحرارة عبر القنوات الدقيقة اهتمامًا متزايدًا من الباحثين نظرًا لمزاياها البارزة مثل صغر الحجم والفرق الصغير في درجة حرارة نقل الحرارة وكفاءة نقل الحرارة العالية لكل وحدة مساحة. في السنوات الأخيرة، مع التحسين المستمر لنظرية القنوات الصغيرة والتطور السريع لتكنولوجيا المعالجة، أصبحت هذه التكنولوجيا موضوعًا ساخنًا للبحث للعلماء. الأبحاث المتعلقة ب قناة الصغرى تركز تقنية تبديد الحرارة بشكل أساسي على تحسين حجم القناة وخصائص التدفق ونقل الحرارة لوسط القناة.

مع تعميق البحث والتطوير، تم تطبيق مواد جديدة في مختلف المستويات الهيكلية. تطبيق مواد أشباه الموصلات ذات فجوة شريط SiC في تبديل الأجهزة. تطبيق وسط تغيير الطور الجديد ذو الموثوقية العالية في تبديد حرارة تغير الطور. في مواد الواجهة الحرارية، والمكونات المختلفة لتطبيقات المعدن السائل.

عند حل مشكلة تبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة، يجب أن تعتمد نظرية الديناميكا الحرارية أولاً. بدءاً بالقوانين الأساسية للديناميكا الحرارية؛ نعلق أهمية على البحث وتطوير المواد والإنتاج الجديد. سواء كانت مادة تبديد الحرارة أو مادة الواجهة الحرارية، فإن المادة الجديدة تتمتع بمزايا لا تضاهى. تطوير مواد جديدة ذات خصائص حرارية فائقة وتقليل تكلفة الإنتاج والتطبيق، بحيث يمكن استخدامها على نطاق واسع. وهذا يمكن أن يفسح المجال كاملاً لإمكانات تكنولوجيا تبديد الحرارة وتحسين تأثير تبديد الحرارة. وينبغي أيضًا أن يستمر البحث في تكنولوجيا تبديد الحرارة الجديدة بشكل متعمق. في عملية تطوير تكنولوجيا تبديد الحرارة الحالية من السلبي إلى النشط، ومن الحمل الحراري الطبيعي إلى تبريد الهواء القسري إلى التبريد السائل القسري، ومن تبديد الحرارة أحادي الطور إلى تبديد الحرارة متعدد المراحل، زاد تدفق الحرارة بشكل كبير. على الرغم من أن وضع تبديد الحرارة الجديد سيكون مصحوبًا حتمًا بتغيير الهيكل العام، إلا أن زيادة تدفق الحرارة مهمة، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتحسين تأثير تبديد الحرارة الإجمالي للمعدات.