La '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 y, junto con la frecuente aparición 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 que no se ha resuelto por completo, ha recibido amplia atención en la industria. La gestión térmica de dispositivos mecánicos y electrónicos altamente integrados se ha convertido en un cuello de botella para el desarrollo continuo 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 refrigeración 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 operación 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 lo 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 con alto flujo de calor.
IGBT es un nuevo tipo de dispositivo de apagado automático de semiconductores de potencia, que tiene las ventajas de una potencia de accionamiento pequeña, un circuito de accionamiento simple, una pérdida de estado estable baja, una impedancia de entrada alta, una gran capacidad de resistencia a cortocircuitos y capacidad de carga de corriente, y se utiliza ampliamente 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 laboral de los IGBT se ve muy afectado por la temperatura. Durante el proceso de trabajo se genera una gran cantidad de calor debido a las frecuentes desconexiones. 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 en los parámetros internos del dispositivo. Esto empeora los indicadores de rendimiento, como la caída de voltaje en estado encendido, la velocidad de apagado, el pico de voltaje apagado, el tiempo de cola de corriente y la pérdida, y eventualmente hace que el módulo IGBT no funcione normalmente y reduzca su vida útil. Además, la gran diferencia de temperatura dentro del módulo también provocará que el estrés térmico provoque una fuga térmica, lo que reducirá la confiabilidad del módulo. Por lo tanto, es necesario resolver urgentemente el problema de disipación de calor del módulo IGBT. En el caso de que la refrigeración por aire no pueda cumplir con los requisitos de disipación de calor del módulo, monofásico Las placas frías enfriadas 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 demanda de disipación de calor en rápido aumento y la transferencia de calor por convección forzada del agua en circulación dentro del La placa fría tiene un inevitable problema de uniformidad de baja temperatura. Por esta razón, muchos estudiosos comenzaron a centrarse en la transferencia de calor por ebullición en flujo. La transferencia de calor por ebullición por flujo de microcanales 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 en 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 con 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 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 cerámica aislante y la capa de cobre desempeñan principalmente el papel de transferencia de calor, aislamiento y alivio del estrés térmico. Se pueden empaquetar múltiples chips IGBT dentro del módulo IGBT. Al conectar múltiples 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 poder calorífico y su rendimiento se ve muy afectado por la temperatura. En 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, afecta incluso su vida útil. En términos generales, cuando la temperatura de unión del chip IGBT supera los 125 °C, su rendimiento disminuirá drásticamente e incluso el IGBT resultará dañado. Es más, el estrés térmico en el módulo IGBT debido a la gran diferencia de temperatura entre los chips internos puede provocar una fuga térmica y reducir la confiabilidad del módulo. Por lo tanto, la gestión térmica del módulo de embalaje no solo debe garantizar que la temperatura de cada chip no exceda el valor nominal, sino que también debe prestar especial atención a la diferencia de temperatura de los chips en diferentes posiciones.
Como dispositivo de apagado automático 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 estado encendido generalmente depende del voltaje y la corriente efectivos durante el proceso de conducción, mientras que la pérdida por conmutación depende principalmente de las características de conmutación y la frecuencia de conmutación del dispositivo IGBT. La existencia de pérdidas en estado encendido y pérdidas por 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 a la pérdida de estado encendido y a la pérdida de conmutación, lo que afecta el rendimiento de funcionamiento del módulo. La ruta de transferencia del calor generado por la pérdida de energía dentro del IGBT está relacionada con la composición de su paquete, es decir, chip → capa de soldadura del chip → capa de circuito de cobre → capa de cerámica → capa de cobre → capa de soldadura del sistema → sustrato → radiador.
2. IGBT refrigeración de Tecnología
En la actualidad, los métodos de enfriamiento IGBT que se han utilizado ampliamente en el mercado incluyen tecnología de enfriamiento por aire, enfriamiento por tubería de calor y tecnología de enfriamiento por agua circulante. 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 enfriamiento por aire utiliza la transferencia de calor por convección de aire para eliminar el calor y lograr el propósito de disipación de calor, que se puede dividir en enfriamiento por aire por convección natural pasiva y enfriamiento por aire por 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 elimine el calor. El radiador de este método de enfriamiento tiene una estructura simple y es fácil de mantener, y fue ampliamente utilizado en los primeros días. Pero su capacidad de transferencia de calor es pobre, por lo que sólo puede usarse para enfriar dispositivos con baja potencia, bajo poder calorífico y un flujo de calor que no exceda los 0,08 W/cm 2 . Con la integración de dispositivos de potencia 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 del aire. La resistencia térmica del enfriamiento por aire por convección forzada se puede reducir de 1/5 a 1/15 de la del enfriamiento por aire por 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 los dispositivos, y va acompañado de un ruido relativamente grande durante el funcionamiento.
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 las aletas, el tamaño, el diseño de la disposición, la posición y 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 de aletas de aluminio paralelas, es el disipador de calor más utilizado en la refrigeración IGBT actual debido a su diseño simple y proceso de fabricación maduro. Sin embargo, debido a los problemas del pequeño volumen específico de aire y la baja conductividad térmica, incluso el enfriamiento por aire por convección forzada tiene una capacidad limitada de disipación de calor. 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 rápido aumento instantáneo de temperatura. Además, problemas como la falta de uniformidad de la temperatura, el ruido y la confiabilidad del sistema también limitan en gran medida el desarrollo posterior de la tecnología de refrigeración por aire.
Para optimizar el rendimiento de los radiadores enfriados por aire, es habitual añadir tubos de calor encima de ellos. La tecnología de enfriamiento por tubo de calor para la disipación de calor IGBT se optimiza sobre la base del enfriamiento por aire, y su estructura típica de radiador de tubo 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. Generalmente, el tubo de calor no se usa solo como radiador, sino que generalmente está integrado en las aletas del radiador enfriado por aire y utiliza su eficiente transferencia de calor por cambio de fase para transferir rápidamente el calor del sustrato del módulo IGBT al aire para lograr el propósito de disipación de calor.
En comparación con la tecnología de refrigeración por aire por convección forzada, la introducción del tubo de calor mejora enormemente el rendimiento del radiador. El radiador de tubo de calor tiene alta confiabilidad y bajo riesgo de fugas de fluido de trabajo. Por lo tanto, tiene una cierta base de aplicación en el mercado actual de gestión térmica de IGBT. Sin embargo, la mayoría de los radiadores de tubo 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 tubo 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 el funcionamiento. Además, después de agregar la estructura del tubo de calor, aumenta el tamaño total del radiador. Por ejemplo, un radiador de tubo de calor cilíndrico combinado con aletas generalmente solo es adecuado para escenarios de disipación de calor con un espacio grande, lo que no favorece la mejora de 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 limitados, es relativamente difícil implementar la tecnología de enfriamiento por aire y la tecnología de enfriamiento por tubo de calor. No puede cumplir bien con los requisitos de operación y disipación de calor del equipo. Como resultado, la tecnología de refrigeración por agua entró en escena. El agua tiene buena conductividad térmica, gran capacidad calorífica específica y casi no contamina. 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 un diseño más sencillo del sistema de disipación de calor. Es más adecuado para sistemas 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 módulos IGBT de mayor potencia. El radiador de refrigeración por agua circulante se puede dividir en los dos tipos siguientes según la forma del embalaje entre el radiador y el módulo IGBT. Uno es un disipador de calor separado formado combinando el módulo IGBT y la placa refrigerada por agua como dos componentes independientes. Utilice la circulación de agua en la placa fría para eliminar el calor del módulo IGBT. El radiador IGBT independiente refrigerado por agua 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 del 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 térmica del contacto. La otra es empaquetar directamente el IGBT en el sustrato de placa con aletas enfriado 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% menor que la del disipador de calor separado. Sin embargo, esta forma de radiador trae inconvenientes al desmontaje y 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 de refrigeración 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 muchas investigaciones sobre sistemas de refrigeración por agua y optimización del diseño estructural.
Aunque la tecnología de refrigeración por agua circulante 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. Una mala uniformidad de 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 dará como resultado 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 la creciente carga de calor, el rendimiento de enfriamiento monofásico del agua en 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 considerablemente cerca de la salida y la falta de uniformidad de la temperatura será más prominente.
Para aliviar este problema, el enfriamiento monofásico de agua en circulación tradicional generalmente adopta 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 tanto, es urgente desarrollar una nueva tecnología de refrigeración con excelente rendimiento de disipación de calor y buena uniformidad de temperatura.
La tecnología de enfriamiento por pulverización es una nueva tecnología de enfriamiento líquido 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 fina película 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 rápido efecto de disipación de calor. 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, lo que es un método eficaz 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 una buena perspectiva de desarrollo en el campo de la disipación de calor con 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 plantea 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 pulverización es complicado, incluida la estructura de la boquilla, la distancia entre la boquilla y la superficie, el ángulo de inclinación y el caudal de pulverización. Se requiere una gran cantidad de soporte de parámetros, lo que plantea 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 por chorro es un método de enfriamiento en el que el refrigerante impacta directamente 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 choque 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 de velocidad y temperatura muy delgada 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 da como resultado 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 del flujo y la transferencia de calor únicamente mediante análisis teóricos. 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 provocar una baja uniformidad de temperatura en la superficie de la fuente de calor, lo que es muy desfavorable para fuentes de calor de gran superficie. Para solucionar este problema se suelen utilizar conjuntos de chorros con múltiples toberas. La Figura 4 es un dispositivo de conjunto de chorros de contraflujo distribuido, que puede mejorar en gran medida la uniformidad de temperatura del equipo.
Los resultados de las investigaciones existentes muestran que la capacidad de disipación de calor del enfriamiento 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 enfriamiento 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 La tecnología de enfriamiento por tubería de calor y la tecnología de enfriamiento por agua circulante han mejorado la capacidad de disipación de calor, pero 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 ha obtenido una teoría y una ley de transferencia de calor relativamente unificadas. Además, el diseño de las boquillas es complicado, lo que hace poco probable que se comercialicen en un corto periodo de tiempo. Por el contrario, la tecnología de enfriamiento de microcanales tiene las ventajas de una estructura compacta, una gran capacidad de transferencia de calor, un alto coeficiente de transferencia de calor, una menor carga de fluido de trabajo y una buena uniformidad de temperatura. En comparación con los radiadores de enfriamiento por chorro y 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.
