Hochleistungselektronik ist das Herzstück von Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Windkraftanlagen, Hochgeschwindigkeitszügen und Stromnetzen. Derzeit entwickeln sich elektronische Hochleistungsgeräte in Richtung hoher Leistung und hoher Integration. Daher ist das Problem der Wärmeableitung zwangsläufig problematisch. Die von Hochleistungshalbleiterbauelementen erzeugte Wärme führt zu einem Anstieg der Temperatur des Chips. Ohne geeignete Wärmeableitungsmaßnahmen wird die Betriebstemperatur des Chips die maximal zulässige Temperatur überschreiten. Dies führt zu einer Verschlechterung oder sogar Beeinträchtigung der Geräteleistung. Studien haben gezeigt, dass bei jedem Temperaturanstieg eines Halbleiterchips um 10 °C die Zuverlässigkeit des Chips um die Hälfte sinkt. Je höher die Betriebstemperatur des Geräts ist, desto kürzer ist die Lebensdauer des Geräts. Die Reduzierung der Temperatur eines Geräts ist eine wirksame Möglichkeit, seinen Lebenszyklus zu verlängern. Zu diesem Zeitpunkt wurden zahlreiche Untersuchungen zum thermischen Design und zur Optimierung der Wärmeableitung verschiedener elektronischer Geräte und Geräte durchgeführt.
Der Einfluss der Temperatur auf die Lebensdauer elektronischer Geräte spiegelt sich hauptsächlich in zwei Aspekten wider. Das eine ist ein thermischer Ausfall des Chips, das andere ein Spannungsschaden. Die sichere Arbeitstemperatur herkömmlicher Siliziumchips liegt im Allgemeinen bei -40 bis 50 °C, und das Gerät kann innerhalb des sicheren Arbeitstemperaturbereichs normal arbeiten. Wenn die Sperrschichttemperatur die sichere Betriebstemperatur überschreitet, führt dies zu einem thermischen Ausfall des Chips. Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur für Siliziumchips beträgt im Allgemeinen 175 °C. Andererseits führt eine zu hohe Sperrschichttemperatur aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialien im Gerät zu einem Anstieg der thermischen Spannung im Chip. Dies wiederum führt zu mechanischen Schäden wie einem Verbiegen des Lots im Chip und einem Abfallen des Bonddrahts. Einige Wissenschaftler haben in ihrer Forschung darauf hingewiesen, dass bei Flip-Chips auf Leadframes aufgrund des großen Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kupfer-Leadframe und dem Siliziumchip im Gehäuse die thermische Belastung unter Einwirkung der thermischen Belastung zu Schäden an der Oberflächenstruktur des Chips führt, der mit den Lötstellen verbunden ist. . Einige Wissenschaftler wiesen in dem Artikel auch darauf hin, dass die Eigenspannung, die durch die herkömmliche Reflow-Löt-Verbindungstechnologie beim Gehäuse von Halbleiterbauelementen erzeugt wird, bei hohen Temperaturen noch weiter zunimmt. Dies kann schließlich zum Sprödbruch des Chips und der Lotschicht des Substrats führen. Darüber hinaus kann eine zu hohe Sperrschichttemperatur auch zu einem thermischen Zusammenbruch des Chips oder sogar zum thermischen Schmelzen des Chips führen. Bei diesen Ausfällen handelt es sich um nicht behebbare Ausfälle, sodass die Beschädigung des Geräts durch hohe Temperaturen tödlich ist.
Die Parameter des elektronischen Geräts selbst reagieren sehr empfindlich auf Temperaturänderungen. Sein Durchlasswiderstand, Durchlassspannungsabfall, Schwellenspannung, Leitungsstrom und andere Parameter ändern sich mit der Temperaturänderung. Beispielsweise steigt der Durchlasswiderstand eines Leistungs-MOSFET mit zunehmender Sperrschichttemperatur annähernd linear an. Daher nimmt auch der homomorphe Verlust des Geräts zu, was dazu führt, dass das Gerät mehr Wärme erzeugt. Dadurch erhöht sich die Sperrschichttemperatur weiter und es entsteht ein Teufelskreis. Für IGBT haben relevante Studien gezeigt, dass die Ausschaltverzögerungszeit mit der Erhöhung der Betriebssperrschichttemperatur des Geräts zunimmt. Die sinnvolle Verwendung thermischer Parameter kann als Charakterisierungsparameter für die Sperrschichttemperatur des Geräts verwendet werden. Der Verlust der Kontrolle über die thermischen Parameter kann zu schweren Schäden am Gerät führen, und der durch die thermischen Parameter verursachte Schaden verschlimmert sich tendenziell mit steigender Temperatur weiter.
Als Kernkomponenten leistungselektronischer Geräte erzeugen leistungselektronische Geräte während des Betriebs zwangsläufig verschiedene Verluste, einschließlich Leitungsverluste und Schaltverluste. Wenn die vom Gerät erzeugte Wärme nicht rechtzeitig an die Umgebung abgegeben wird, beeinträchtigt die hohe Betriebstemperatur den normalen Betrieb des Geräts und den zuverlässigen Betrieb des Geräts erheblich. Mit der Weiterentwicklung der Leistungselektroniktechnologie entwickeln sich Geräte in Richtung Miniaturisierung und Kompaktheit. Dadurch werden die Eigenschaften der Wärmekonzentration und der kleinen Wärmeableitungsfläche leistungselektronischer Geräte immer stärker hervorgehoben, was zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Oberflächenwärmeflussdichte der Geräte führt. Bei Hochleistungsanwendungen ist die Installation zusätzlicher Kühlkörper erforderlich, um einen zuverlässigen Betrieb der Geräte zu gewährleisten. Darüber hinaus ist beim Einsatz neuer Materialien wie SiC in leistungselektronischen Geräten aufgrund der Reduzierung der Chipgröße die lokale Wärmeflussdichte höher und die Anforderungen an die Wärmeableitung höher.
Mit der rasanten Entwicklung leistungselektronischer Geräte werden die Anwendungsszenarien immer umfangreicher und komplexer. Geräte sind in der Regel verschiedenen äußeren Umgebungen ausgesetzt, wie z. B. hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit, hohem Salzgehalt, Vibrationen und sogar Vakuum. Dabei werden das Gerät und die darin enthaltenen Komponenten verschiedenen Tests unterzogen. Gleichzeitig werden höhere Anforderungen an das Wärmeableitungssystem der Geräte gestellt. Daher ist es notwendig, den Einfluss verschiedener Umgebungsparameter auf das thermische Design des Geräts zu berücksichtigen. Einige Wissenschaftler haben den Entwicklungsbedarf der Leistungselektroniktechnologie bei extremen Temperaturen analysiert und darauf hingewiesen, dass Umgebungen mit extrem hohen und niedrigen Temperaturen in der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen für leistungselektronische Geräte unvermeidlich sind. Daher ist die Leistungsforschung von Geräten in extremen Umgebungen sehr wichtig. Einige Wissenschaftler haben die Eigenschaften hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit in der Umgebung eines Kohlebergwerks untersucht und die Temperaturanstiegseigenschaften des Leistungswandlers des Minenmotors in einer feuchten Umgebung analysiert. Durch Simulationen und experimentelle Untersuchungen wurde festgestellt, dass bei gleicher Umgebungstemperatur der maximale Temperaturanstieg des Leistungswandlers mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit der Umgebung abnimmt. Dies hat ein vorläufiges Verständnis des Gesetzes der Erwärmung in feuchten Umgebungen. Aufgrund der Komplexität der Anwendungsumgebung muss bei der Konstruktion leistungselektronischer Geräte nicht nur der Einfluss der Umgebung auf interne Komponenten berücksichtigt werden, sondern auch die Besonderheit des thermischen Designs der Geräte. Optimieren Sie die Wärmeableitungsmethode je nach Umgebungsmerkmalen. Darüber hinaus ist es auch notwendig, den Einfluss der Umgebung auf das Wärmeableitungssystem zu berücksichtigen, um die Wärmeableitungseffizienz und Zuverlässigkeit des Wärmeableitungssystems zu verbessern.
Das thermische Design der Leistungselektronik umfasst mehr als nur den Bereich der Wärmeübertragung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist es bei der Analyse des Wärmeübertragungspfads typischer leistungselektronischer Geräte mithilfe der thermoelektrischen Simulationsmethode erforderlich, um einen guten Wärmeableitungseffekt zu erzielen und die Anforderungen an Zuverlässigkeit, geringes Gewicht und Miniaturisierung der Geräte zu berücksichtigen, das Temperaturfeld und die Spannungsfeldkopplung mit dem Strömungsfeld umfassend zu berücksichtigen. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass das thermische Design leistungselektronischer Geräte eine Forschung ist, an der viele Disziplinen wie Mechanik, Elektronik, Wärmeübertragung und Strömungsmechanik beteiligt sind. Daher ist es notwendig, das mechanisch-elektrische-thermische Integrationsdesign leistungselektronischer Geräte zu berücksichtigen und sich auf die Kopplung elektrisch-thermisch-mechanischer Multiphysikfelder leistungselektronischer Geräte zu konzentrieren.
Der Wärmeübertragungsprozess leistungselektronischer Geräte umfasst drei Arten: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung. Wärmeleitung vom Chip zum Kühlkörper und Wärmekonvektion vom Kühlkörper zur Umgebung sind die wichtigsten Wärmeübertragungsmethoden. Das Wärmeableitungsdesign leistungselektronischer Geräte basiert hauptsächlich auf diesen beiden Aspekten. Gängige Wärmeableitungsmethoden können je nach Art der Wärmeabfuhr vom Kühler in aktive Wärmeableitung, passive Wärmeableitung und thermoelektrische Kühlung unterteilt werden. Die passive Wärmeableitung umfasst hauptsächlich die übliche natürliche Konvektion, die indirekte Kontaktgas-Flüssigkeitskühlung, die Fest-Flüssigkeits-Phasenwechselkühlung sowie die Immersionsflüssigkeitskühlung mit direktem Kontakt und die Phasenwechselkühlung. Die aktive Kühlung umfasst hauptsächlich die übliche Zwangsluftkühlung und die Zwangsflüssigkeitskühlung. Um die Wärmeableitungskapazität der vorhandenen Wärmeableitungsmethoden voll auszuschöpfen, optimiert und verbessert die Wärmeableitungstechnologie leistungselektronischer Geräte ständig die vorhandenen Wärmeableitungsmethoden und entwickelt gleichzeitig neue Wärmeableitungstechnologien. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm des Wärmestrombereichs, der gängigen Wärmeableitungsmethoden entspricht.
Die Wärmeableitungstechnologie mit natürlicher Konvektion nutzt Luft als Wärmeübertragungsmedium. Es nutzt den Auftrieb, der durch die Wärmeausdehnung und Kaltkontraktion der Luft selbst erzeugt wird, um die Luft um die Kühlerlamelle herum strömen zu lassen und so den Austausch zwischen heißer und kalter Luft zu ermöglichen. Im Vergleich zu anderen Wärmeableitungsmethoden erfordert die natürliche Konvektionswärmeableitung keine zusätzliche Energie, einen einfachen Aufbau, einen zuverlässigen Betrieb und grundsätzlich keine Wartung. Es wird häufig bei geringem Wärmefluss eingesetzt. Aufgrund der einfachen Wärmeableitungsstruktur konzentriert sich die Forschung zur Wärmeableitung durch natürliche Konvektion hauptsächlich auf die Optimierung der Wärmeableitungsstruktur und der Installationsrichtung. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Untersuchungen zur Wärmeableitung durchgeführt, die auf der Theorie der Feldsynergie basieren.
Im Gegensatz zur Wärmeableitung durch natürliche Konvektion wird die Bewegung der durch Umluft gekühlten gekühlten Luft durch einen Ventilator angetrieben. Da die Geschwindigkeit der Luft stark erhöht wird, ist ihre Fähigkeit zur Wärmeableitung stärker. Sein Wärmefluss ist offensichtlich höher als die natürliche Konvektionswärmeableitung und beträgt etwa das 5- bis 10-fache der natürlichen Luftkühlung. Das Design der Zwangsluftkühlungsstruktur umfasst hauptsächlich das Design der Parameter der Kühlkörperstruktur, die Auswahl des Kühlventilators und das Design des Fluidluftkanals. Diese drei Aspekte des Designs dienen dazu, die Wärmeableitungsfläche, den Luftstrom und den Luftdruckabfall auszugleichen, damit die Wärmeableitung durch Zwangsluftkühlung den besten Effekt erzielt. Da der Wärmeableitungseffekt der erzwungenen Luftkühlung offensichtlich besser ist als der der natürlichen Luftkühlung, ist der Wärmeableitungseffekt zwar nicht so gut wie der der erzwungenen Flüssigkeitskühlung, seine Komplexität, sein Volumen, sein Gewicht und seine späte Wartung sind jedoch offensichtlich besser als der der Flüssigkeitskühlung. Es kann im thermischen Design von Hochleistungselektronikgeräten umfassend eingesetzt und schnell weiterentwickelt werden.
Abbildung 3 zeigt eine typische Struktur eines Zwangs Flüssigkeitskühlung . Die von der Wärmequelle in der Wärmeableitungsstruktur erzeugte Wärme wird im Wege der Wärmeleitung über die Geräteverpackung und die Flüssigkeitskühlplatte an die Kühlflüssigkeit übertragen. Die erhitzte Flüssigkeit wird unter der Wirkung der Pumpe zum Wärmetauscherbereich transportiert und die Wärme wird über den Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben. Bei der erzwungenen Flüssigkeitskühlung wird im Gegensatz zur erzwungenen Luftkühlung Wärme von der Wärmequelle zum Wärmetauscherteil übertragen, indem die Flüssigkeit gekühlt wird. Bei direktem Kontakt mit der Wärmequelle ist die Flüssigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit deutlich höher als die von Luft. Daher ist ihr Wärmeableitungseffekt deutlich besser als bei der Zwangsluftkühlung und beträgt etwa das 6- bis 10-fache der Luftkühlung. Bei der Wärmeableitung bei Flüssigkeitskühlung kann der Einsatz von Medien mit besserer Wärmeleitfähigkeit den Wärmeableitungseffekt deutlich verbessern. Einige Wissenschaftler schlagen die Verwendung von Flüssigmetall als Kühlmedium bei der thermischen Entwicklung des Kühlsystems von leistungselektronischen Geräten vor und verifizieren die Möglichkeit der Wärmeableitung von flüssigem Metall bei der Flüssigkeitskühlung von leistungsstarken leistungselektronischen Geräten durch Simulationen und Experimente. Aufgrund des Vorhandenseins von Flüssigkeit im System ist es notwendig, einen Austausch der Flüssigkeit in Betracht zu ziehen und Schäden durch austretende Flüssigkeit am Gerät zu verhindern. Die erzwungene Flüssigkeitskühlung stellt hohe Anforderungen an die Flüssigkeitszuverlässigkeit und das Rohrleitungssystem. Aufgrund des komplexen Systemaufbaus und der vielen Komponenten sind Volumen und Gewicht des Systems offensichtlich größer als die Wärmeableitung einer Luftkühlung. Daher unterliegt die Anwendungsumgebung der erzwungenen Flüssigkeitskühlung bestimmten Einschränkungen.
Die thermoelektrische Kühlung nutzt den Partier-Effekt von Halbleitermaterialien, bei dem ein elektrischer Strom durch die Grenzfläche zweier verschiedener Materialien fließt und dabei Wärme von der Außenwelt aufnimmt oder abgibt. In den letzten Jahren hat sich mit der Entwicklung der Technologie zur Herstellung von Halbleitermaterialien die thermoelektrische Kühlung rasant weiterentwickelt. Abbildung 4 zeigt einen typischen Aufbau einer thermoelektrischen Kühlung. Obwohl das Kühlende der thermoelektrischen Kühlung die Temperatur der Wärmequelle erheblich senken kann, ist seine gesamte Wärmeableitungskapazität auf die des heißen Endes beschränkt. Der Wärmeableitungseffekt des gesamten Systems hängt eng mit dem Wärmeableitungsmodus des heißen Endes zusammen. Da am heißen Ende der thermoelektrischen Kühlung immer noch Maßnahmen zur Wärmeableitung ergriffen werden müssen, ist das gesamte Wärmeableitungssystem kompliziert und umständlich, was seine Anwendung einschränkt.
Bei der Wärmeableitung durch Wärmerohre handelt es sich um ein Wärmeübertragungsprinzip mit flüssiger Phasenänderung. Die gesättigte Flüssigkeit im Inneren des Wärmerohrs absorbiert Wärme von der Hochtemperaturseite und verdampft. Gesättigter Dampf strömt zur Niedertemperaturseite, wo er exotherm wird und zu Flüssigkeit kondensiert, und kehrt unter der Wirkung der Schwerkraft oder Kapillarkraft zur Hochtemperaturseite zurück, um weiterhin am Absorptions- und Exothermzyklus teilzunehmen. Abbildung 5 zeigt die typische Struktur eines Schwerkraftwärmerohrs. Obwohl es sich bei der Wärmeableitung von Heatpipes um eine passive Wärmeableitung handelt, weist es eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf, die mit anderen Metallen nicht zu vergleichen ist. In den letzten Jahren haben sich verschiedene Formen der Heatpipe-Wärmeableitungstechnologie rasant weiterentwickelt.
Es gibt zwei Hauptdefinitionen von Mikrokanälen. Ein Kanal mit einem hydraulischen Durchmesser von 0,01 bis 0,2 mm kann als Mikrokanal bezeichnet werden. Der andere wird durch das Verhältnis von Auftrieb zu Oberflächenspannung definiert. Unabhängig von der Definition hat die Mikrokanal-Wärmeableitungstechnologie aufgrund ihrer herausragenden Vorteile wie geringer Größe, geringer Temperaturunterschied bei der Wärmeübertragung und hoher Wärmeübertragungseffizienz pro Flächeneinheit zunehmend Aufmerksamkeit bei Forschern auf sich gezogen. In den letzten Jahren ist diese Technologie mit der kontinuierlichen Verbesserung der Mikrokanaltheorie und der rasanten Entwicklung der Verarbeitungstechnologie zu einem heißen Forschungsthema für Wissenschaftler geworden. Die Forschung zum Mikrokanal Die Wärmeableitungstechnologie konzentriert sich hauptsächlich auf die Optimierung der Kanalgröße sowie der Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften des Kanalmediums.
Mit der Vertiefung von Forschung und Entwicklung wurden neue Materialien auf verschiedenen Strukturebenen eingesetzt. Anwendung von SiC-Bandlücken-Halbleitermaterialien in Schaltgeräten. Anwendung eines neuen Phasenwechselmediums mit hoher Zuverlässigkeit bei der Phasenwechselwärmeableitung. In thermischen Schnittstellenmaterialien werden verschiedene Komponenten von Flüssigmetallanwendungen eingesetzt.
Bei der Lösung des Problems der Wärmeableitung elektronischer Hochleistungsgeräte sollte zunächst die Theorie der Thermodynamik zugrunde gelegt werden. Beginnend mit den Grundgesetzen der Thermodynamik; Legen Sie Wert auf die Forschung und Entwicklung neuer Materialien und die Produktion. Ob Wärmeableitungsmaterial oder Wärmeschnittstellenmaterial, das neue Material bietet unvergleichliche Vorteile. Entwickeln Sie neue Materialien mit überlegenen thermischen Eigenschaften und senken Sie die Produktions- und Anwendungskosten, damit sie umfassend eingesetzt werden können. Dadurch kann das Potenzial der Wärmeableitungstechnologie voll ausgeschöpft und der Wärmeableitungseffekt verbessert werden. Auch die Erforschung neuer Wärmeableitungstechnologien sollte weiterhin intensiviert werden. Im Entwicklungsprozess der bestehenden Wärmeableitungstechnologie von passiv zu aktiv, von natürlicher Konvektion über erzwungene Luftkühlung zu erzwungener Flüssigkeitskühlung und von einphasiger Wärmeableitung zu mehrphasiger Wärmeableitung hat sich der Wärmefluss stark erhöht. Obwohl der neue Wärmeableitungsmodus unweigerlich mit einer Änderung der Gesamtstruktur einhergeht, ist die Erhöhung des Wärmeflusses erheblich, was für die Verbesserung des Gesamtwärmeableitungseffekts der Ausrüstung von großer Bedeutung ist.
