IGBTモジュールの冷却方法

「ムーアの法則」は半導体産業の急速な発展を正確に予測しましたが、電子パッケージング技術と微細加工技術の急速な発展により、トランジスタのサイズと集積度は物理的限界にますます近づいています。既存のリソグラフィー技術の精度には限界があり、リークや放熱などの問題も多発するため、将来的にはムーアの法則が半導体産業の発展ペースを正確にリードできなくなる可能性があります。熱放散の問題はますます顕著になってきていますが、完全には解決されておらず、業界で広く注目を集めています。高度に統合された機械および電子デバイスの熱管理は、エレクトロニクス産業、さらには機械製造および電子制御エンジニアリングの分野全体の継続的な発展にとってボトルネックとなっています。従来の空冷技術の放熱能力は、高熱流電子機器の放熱要件を満たすことができなくなりました。同時に、電子機器の種類や応用分野が多様化するにつれて、動作条件はより複雑になり、作業環境はより高度になり、さまざまな動作条件下で効率的な放熱を実現するための、対応する熱管理システムが必要となります。したがって、適切な冷却技術を選択し、さまざまな作業シナリオに適応できる安定性、信頼性、柔軟性に優れた熱管理システムを合理的に設計する方法が、高熱流冷却の分野で解決すべき主な問題の 1 つとなっています。

IGBTは、新しいタイプのパワー半導体セルフターンオフデバイスであり、小さな駆動電力、シンプルな駆動回路、低い定常損失、高い入力インピーダンス、強力な短絡耐量および電流容量という利点を備えており、周波数変換器、トラクションドライブ、ACモーター、家電製品およびその他の分野で広く使用されています。新世代の電子部品の代表格です。 IGBT の動作性能は温度に大きく影響されます。作業中は断線が頻繁に発生するため、多量の熱が発生します。熱が時間内に放散されないと、モジュールの内部温度が上昇し、その結果、半導体の物理定数やデバイスの内部パラメータが変化します。これにより、オン状態の電圧降下、スイッチオフ速度、オフ電圧ピーク、電流テーリング時間、損失などの性能指標が悪化し、最終的には IGBT モジュールが正常に動作しなくなり、寿命が短くなります。また、モジュール内部の温度差が大きいと熱ストレスが発生し、熱暴走を引き起こし、モジュールの信頼性が低下します。したがって、IGBTモジュールの放熱問題は早急に解決する必要があります。空冷ではモジュールの放熱要件を満たせない場合、単相 水冷コールドプレートが主流の冷却方式となっています。 現在の大出力IGBTモジュールの放熱システムでは、しかし、近年、IGBTの小型化・高出力化が加速しています。モジュールの熱負荷の増加により、単相水冷コールドプレートは急速に増大する放熱需要と、モジュール内の循環水の強制対流熱伝達に徐々に対応できなくなります。 コールド プレートに は避けられない低温均一性の問題があります。このため、多くの学者は流動沸騰熱伝達に焦点を当て始めました。マイクロチャネル流沸騰熱伝達には、強力な熱伝達能力、高い熱伝達係数、良好な温度均一性、および少ない作動流体充填という利点があります。 IGBTの放熱に最適な放熱方式です。近年、マイクロマシニング技術の進歩とマイクロチャネルの加工コストの削減に伴い、マイクロチャネルにおける流動沸騰熱伝達は大きな発展の見通しを持っています。

1. IGBTモジュールの構造と熱抵抗解析

現在市場に出ている製品のほとんどはモジュール型 IGBT 製品です。これは、IGBT チップと FWD が特定の回路ブリッジを介してパッケージ化されたモジュール型半導体製品です。省エネ、設置とメンテナンスが簡単、安定した放熱という特徴があります。パッケージ化された IGBT モジュールは、図 1 に示すように、主にチップ、銅回路層、絶縁セラミック層、銅層、基板で構成されています。

銅回路層、絶縁セラミック層、銅層の 3 つの部分は、主に熱伝達、絶縁、熱応力緩和の役割を果たします。複数の IGBT チップを IGBT モジュール内にパッケージ化できます。モジュール内で複数の IGBT チップを並列接続することにより、高い電流処理能力が実現され、アクティブ領域が増加する一方で IGBT チップの歩留まりが低下するという問題が回避されます。シングルチップ モジュールと比較して、内部に複数の IGBT チップを備えたパッケージ モジュールは構造がより複雑で、熱管理に対する要件が高くなります。 IGBTモジュールは発熱量の高いパワーデバイスであり、その性能は温度に大きく影響されます。実際の動作では、正常な動作を保証するためにジャンクション温度を適切な範囲内に制御する必要があります。動作温度が高すぎると、半導体の物理定数やデバイスの内部パラメータが変化し、IGBT モジュールが正常に動作しなくなります。ひどい場合には、寿命にまで影響を及ぼします。一般に、IGBT チップのジャンクション温度が 125 °C を超えると、性能が急激に低下し、IGBT も損傷します。さらに、IGBT モジュール内部のチップ間の大きな温度差による熱ストレスにより、熱暴走が発生し、モジュールの信頼性が低下する可能性があります。したがって、パッケージングモジュールの熱管理では、各チップの温度が定格値を超えないようにするだけでなく、チップの位置による温度差にも特別な注意を払う必要があります。

IGBT モジュールはパワー半導体の自己消灯デバイスであるため、導通作業およびオン/オフの過程で一定の電力損失が発生します。これは通常、オン状態損失およびスイッチング損失と呼ばれます。オン状態損失は通常、導通プロセス中の実効電圧と電流に依存しますが、スイッチング損失は主に IGBT デバイスのスイッチング特性とスイッチング周波数に依存します。 IGBTモジュールの発熱問題を引き起こす最も重要な要因は、オン損失とスイッチング損失の存在です。同時に、加熱によるモジュール内部の温度変化はオン損失やスイッチング損失にも影響し、モジュールの動作性能に影響を与えます。 IGBT 内部の電力損失により発生する熱の伝達経路は、パッケージ構成、つまりチップ→チップ半田付け層→銅回路層→セラミック層→銅層→システム半田付け層→基板→放熱器に関係します。

2. IGBT 冷却​ 技術​

現在、IGBTの冷却方式としては空冷技術、ヒートパイプ冷却技術、循環水冷却技術が市場で広く使われています。 IGBTで一般的に使用されている放熱技術と、IGBTの熱管理分野で注目の研究テーマである冷却技術の適用可能な熱流束範囲を図2にまとめました。

空冷技術は、空気対流熱伝達を使用して熱を除去し、放熱の目的を達成します。これは、受動的な自然対流空冷と能動的な強制対流空冷に分けられます。自然対流空冷は主に、異なる場所での空気の温度差によって生じる密度差によるものです。発生した浮力が原動力となり、周囲の空気から熱を逃がします。この冷却方式のラジエーターは構造が簡単でメンテナンスが容易なため、初期には広く使われていました。ただし、熱伝達能力が低いため、低電力、低発熱量、熱流束が 0.08 W/cm 2 以下の機器の冷却にしか使用できません。 IGBT パワーデバイスの統合と高出力の開発に伴い、冷却の需要は日々増加しています。熱放散要件を満たし、熱交換効率を向上させるために、ファンまたはファンが IGBT デバイスに取り付けられ、空気の強制対流が促進されます。強制対流空冷は自然対流空冷に比べて熱抵抗を1/5～1/15に低減でき、放熱能力が大幅に向上します。しかし、ファン/ファンやその他のデバイスの追加により、エアダクトの合理的な設計と定期的なメンテナンスの実行が必要になり、システムの信頼性とデバイスの統合が低下し、動作中に比較的大きな騒音が発生します。

空冷技術の冷却効率を向上させるために、通常、IGBT モジュールにラジエーターが取り付けられ、熱交換面積が増加します。一般的なラジエーターはフィン付きラジエーターです。空冷ラジエーターの放熱効率は、フィンの構造、サイズ、配置設計、ファンの位置と速度、周囲温度に影響されます。多くの研究と最適化を経て、空冷ヒートシンク、特に平行アルミニウムフィンヒートシンクは、そのシンプルな設計と成熟した製造プロセスにより、現在の IGBT 冷却で最も一般的に使用されているヒートシンクです。しかし、空気の比容積が小さく熱伝導率が低いという問題があるため、強制対流空冷であっても放熱能力には限界があります。これは、高い熱束密度と速い瞬間温度上昇を備えた現在の IGBT 統合モジュールの放熱要件に十分に対応できません。さらに、温度の不均一性、ノイズ、システムの信頼性などの問題も、空冷技術のさらなる発展を大きく制限します。

空冷ラジエーターの性能を最適化するために、ラジエーターの上部にヒート パイプを追加するのが一般的です。 IGBT の熱放散のためのヒート パイプ冷却技術は空冷に基づいて最適化されており、その典型的なヒート パイプ ラジエーターの構造を図 3 に示します。

ヒートパイプには、伝熱温度差が小さく、サイズが小さく、機械的なメンテナンスが不要であるという利点があります。一般に、ヒートパイプは放熱器として単独で使用されるのではなく、空冷放熱器のフィンに埋め込まれ、その効率的な相変化熱伝達を利用してIGBTモジュール基板からの熱を素早く空気に伝達して放熱の目的を達成します。

強制対流空冷技術と比較して、ヒートパイプの導入によりラジエーターの性能が大幅に向上します。ヒートパイプ放熱器は信頼性が高く、作動液の漏洩リスクが低いです。したがって、現在の IGBT 熱管理市場において一定の応用基盤を持っています。ただし、空冷ラジエーターと同様に、ほとんどのヒート パイプ ラジエーターは、より高い熱放散効率を達成するために外部ファンと連携する必要があります。ヒートパイプラジエーターの動作効率はファンの種類、風速、周囲温度などにも影響され、定期的なメンテナンスや動作時の騒音などの問題があります。さらに、ヒートパイプ構造を追加すると、ラジエーター全体のサイズが大きくなります。たとえば、フィンと組み合わせた円筒形のヒート パイプ ラジエーターは、通常、大きなスペースでの放熱シナリオにのみ適しており、IGBT モジュールのコンパクトさと統合の向上には役立ちません。

IGBTモジュールの出力密度が増加し、空気チャネルの設計、信頼性、ノイズ指数などの条件が制限されると、空冷技術やヒートパイプ冷却技術の実装は比較的困難になります。機器の動作と放熱の要件を十分に満たすことができません。その結果、水冷技術が登場しました。水は熱伝導率が良く、比熱容量が大きく、汚染がほとんどありません。水冷ラジエーター（または水冷プレート）を使用すると、空冷放熱に比べて放熱効率が高く、体積が小さくなり、放熱システムのレイアウトが容易になります。より大きなパワー IGBT モジュールの冷却システムに適しています。このため、大型パワーIGBTモジュールの冷却方式は循環水冷却が主流となっています。循環水冷却ラジエーターは、ラジエーターとIGBTモジュールとの実装形態により、以下の2種類に分類されます。 1 つは、IGBT モジュールと水冷プレートを 2 つの独立したコンポーネントとして組み合わせて形成された独立したヒートシンクです。コールドプレート内の水を循環させてIGBTモジュールの熱を奪います。独立した IGBT 水冷ラジエーターは取り付けが簡単ですが、IGBT モジュールとコールド プレート間の接触面で接触熱抵抗が発生します。さらに、IGBT の発熱が大きくなるほど、接触熱抵抗がヒートシンクの性能に与える影響も大きくなります。したがって、実際の用途では、接触熱抵抗を下げるために接触面に熱伝導性シリコーングリスを塗布する必要があります。もう 1 つは、フィン付き水冷プレート基板上に IGBT を直接実装する方法です。このヒートシンクは基板とコールドプレート間の接触熱抵抗をなくし、より高い放熱性能を発揮します。研究によると、モジュールとヒートシンクが一体化されたこの形態の熱抵抗は、分離されたヒートシンクの熱抵抗よりも 33% 低いことが示されています。しかし、この形式のラジエーターは分解や組み立てに不便をもたらし、冷却液が内部チップや回路基板に接触する危険性も高まるため、冷却水の電気絶縁に対する要件はより厳しくなります。現在、IGBT における循環水冷却技術の応用は比較的成熟しており、学者たちは水冷システムと構造設計の最適化について多くの研究を行っています。

循環水冷却技術には多くの利点がありますが、低温均一性の問題は無視できません。特に IGBT チップの場合、IGBT チップのジャンクション温度が低下すると電力変換効率が向上します。温度均一性が低いと、異なる位置にある IGBT チップ間のジャンクション温度が異なるため、各 IGBT チップの電力変換効率が異なり、結果として電力出力が異なります。これはモジュールの動作と信頼性に非常に悪影響を及ぼし、さらには熱暴走を引き起こし、ひどい場合にはデバイスに損傷を与えます。熱負荷の増加に直面して、従来のコールドプレート循環水の単相冷却性能は、入口と出口の相対位置によって深刻な影響を受けます。出口付近では冷却性能が大幅に低下し、温度ムラが顕著になります。

この問題を軽減するために、従来の循環水単相冷却ではポンプ仕事量を増やす方法が一般的でした。冷却システム内の水の質量流量を増やしますが、この方法では消費電力が増加し、その効果は理想的ではありません。したがって、優れた放熱性能と良好な温度均一性を備えた新しい冷却技術の開発が急務となっています。

スプレー冷却技術は、非常に効率的な新しい液体冷却技術です。ノズルを使用して冷却液を微小液滴のグループに霧化し、熱源の表面に激しく衝突させて表面に冷却液の薄い膜を形成します。液膜の流れ、蒸発、液膜中の気泡の形成、成長、脱離により、急速な放熱効果が得られます。スプレー冷却は、強力な熱伝達能力、伝熱面の良好な温度均一性、および作動流体の需要が少ないため、効果的な高熱流冷却方法です。噴霧冷却の概念が 1980 年代に提案されて以来、国内外の学者によって理論と実験に関する多くの研究が行われてきました。

噴霧冷却技術は放熱効率が高く、高熱流放熱の分野で発展の見込みがあることが多くの研究で示されている。しかし、噴霧冷却プロセスの複雑さと多くの影響因子の相互作用のため、数学的モデルを解くことは難しく、理論解析と実験研究の両方に大きな困難をもたらします。現在、噴霧冷却の研究は主にモデル研究、数値シミュレーション、実験研究の組み合わせを採用しています。これまでのところ、噴霧冷却の熱伝達メカニズムと影響要因について明確な結論は得られていません。また、噴霧冷却装置はノズルの構造、ノズルと表面との距離、傾斜角度、噴霧流量など設計が難しい。多数のパラメータのサポートが必要であり、これがヒートシンクの設計と推進に大きな課題をもたらし、ひいては熱管理市場におけるヒートシンクの拡大と応用を制限します。

ジェットインピンジメント冷却は、ノズルの圧力差により冷媒を熱源表面に高速で直接衝突させ、効率的な熱交換を行う冷却方式です。典型的なジェット衝突流場は、自由噴流領域、よどみ点領域、壁噴流領域の 3 つの領域に分割されます。このうち、よどみ点領域はジェット冷却の主な作用領域であり、よどみ点領域では流体は非常に薄い速度と温度の境界層を形成します。境界層内の温度勾配、軸方向速度勾配、圧力勾配が非常に大きいため、パラメータが大幅に変化し、局所的な熱伝達係数が高くなります。

ジェット冷却流場の構造は複雑であるため、通常、理論解析だけでは流れと熱伝達特性について正確な定量的結論を得ることができません。現在、比較的正確な定量的結論を得るには、一般に、式の導出、数値シミュレーション、および実験研究を組み合わせて使用​​されます。

単孔ジェットの衝突範囲が限られているため、熱源表面の温度均一性が低下しやすく、大面積の熱源には非常に不利です。この問題を解決するには、通常、複数のノズルを備えたジェット アレイが使用されます。図 4 は、装置の温度均一性を大幅に改善できる分散逆流ジェット アレイ デバイスです。

既存の研究結果は、ジェットアレイ冷却の放熱能力が優れていることを示しています。特に局所的なホットスポットを減らし、大面積の機器全体の温度均一性を高めます。しかし、噴霧冷却と同様に伝熱機構や流場の特性が非常に複雑で、設計が困難です。さらに、ジェットインピンジメント冷却装置が長時間動作すると、高速流体の衝撃力が IGBT モジュールの表面を破壊する可能性があり、電子デバイス冷却業界におけるジェットインピンジメント冷却技術の大規模な適用が制限されます。

3. 要約する

近年、IGBTモジュールの熱負荷が増大しており、空冷方式では急速に高まる放熱需要に対応できなくなってきています。それでも ヒートパイプ冷却 技術と循環水冷却技術は放熱能力を向上させましたが、将来の高熱流の分野では明らかな利点はありません。 IGBT には高度な熱管理技術が緊急に必要とされています。スプレー冷却技術とジェットインピンジメント冷却技術は高い放熱能力を実現します。しかし、その伝熱機構は複雑であり、比較的統一された伝熱理論や伝熱則はまだ得られていない。また、ノズルの設計も難しく、短期間での商品化は困難です。対照的に、マイクロチャネル冷却技術には、コンパクトな構造、強力な熱伝達能力、高い熱伝達係数、少ない作動流体充填、良好な温度均一性という利点があります。ジェット冷却やスプレー冷却ラジエーターと比較して、マイクロチャネルラジエーターはさらなる普及と応用を達成するのが容易であり、電子デバイスの熱管理の分野で大きな発展の見通しを持っています。