高出力電子デバイスの放熱

高出力エレクトロニクスは、電気自動車、風力タービン、高速鉄道、送電網などのアプリケーションの中心です。現在、高出力電子機器は高出力化、高集積化を目指して発展しています。したがって、放熱の問題が避けられない。高出力半導体デバイスから発生する熱により、チップの温度が上昇します。適切な放熱対策を講じないと、チップの動作温度が最大許容温度を超えます。これは、デバイスの性能の低下または損傷につながる可能性があります。研究によると、半導体チップの温度が 10℃上昇するごとに、チップの信頼性が半減することがわかっています。デバイスの動作温度が高くなるほど、デバイスの寿命は短くなります。デバイスの温度を下げることは、デバイスの寿命を延ばす効果的な方法です。現段階では、さまざまな電子デバイスや機器の熱設計や放熱の最適化について多くの研究が行われています。

電子デバイスの寿命に対する温度の影響は、主に 2 つの側面に反映されます。 1 つはチップの熱故障、もう 1 つは応力損傷です。一般的なシリコンチップの安全動作温度は一般に-40～50℃であり、デバイスは安全動作温度範囲内で正常に動作できます。ジャンクション温度が安全動作温度を超えると、チップの熱故障が発生します。シリコンチップの最大許容ジャンクション温度は通常 175°C です。一方、デバイス内の各材料の膨張係数の違いにより、ジャンクション温度が高すぎるとチップ内の熱応力が増加します。チップ内ではんだの曲がりやボンディングワイヤの脱落などの機械的ダメージが発生します。一部の学者は、リードフレーム上のフリップチップの場合、銅リードフレームとパッケージ内のシリコンチップの熱膨張係数の差が大きいため、熱負荷の作用下での熱応力により、はんだ接合部に接続されたチップの表面構造に損傷を引き起こす可能性があると指摘しています。 。一部の学者は記事の中で、半導体デバイスのパッケージングに使用される従来のリフローはんだ付け相互接続技術によって生成される残留応力は、高温ではさらに悪化するだろうと指摘しています。最終的には、チップや基板のはんだ層の脆性破壊につながります。さらに、ジャンクション温度が高すぎると、チップの熱破壊、さらにはチップの熱溶融が発生する可能性があります。これらの故障は回復不可能な故障であるため、デバイスへの高温によるダメージは致命的です。

電子デバイス自体のパラメータは温度変化に非常に敏感です。オン抵抗、順方向電圧降下、しきい値電圧、伝導電流、その他のパラメータは温度の変化とともに変化します。たとえば、パワー MOSFET のオン状態抵抗は、接合部温度の上昇に伴ってほぼ直線的に増加します。したがって、デバイスの準同型損失も増加し、デバイスによってより多くの熱が発生します。これによりジャンクション温度がさらに上昇し、悪循環が生じます。 IGBT の場合、関連する研究により、デバイスの動作ジャンクション温度が上昇するとターンオフ遅延時間が増加することが示されています。熱パラメータを合理的に使用すると、デバイスのジャンクション温度の特性パラメータとして使用できます。熱パラメータの制御が失われるとデバイスに重大な損傷が生じる可能性があり、熱パラメータによって引き起こされる損傷は温度の上昇とともにさらに悪化する傾向があります。

パワエレ機器は、パワーエレクトロニクス機器の中核部品として、動作中に導通損失やスイッチング損失などのさまざまな損失が必然的に発生します。デバイスによって発生した熱が適切なタイミングで周囲環境に放散されない場合、動作温度が高く、デバイスの通常動作と信頼性の高い動作に重大な影響を及ぼします。パワーエレクトロニクス技術の進歩に伴い、機器は小型・コンパクト化の方向に発展しています。これにより、パワーエレクトロニクスデバイスの熱集中と小さな放熱面積の特性がますます顕著になり、デバイスの表面熱流束密度が継続的に増加します。高電力アプリケーションでは、機器の信頼性の高い動作を実現するために追加のヒートシンクを取り付ける必要があります。さらに、パワー エレクトロニクス デバイスに SiC などの新材料が適用されると、チップ サイズの縮小により、局所的な熱束密度が高くなり、熱放散の要件がより高くなります。

パワー エレクトロニクス デバイスの急速な発展に伴い、アプリケーション シナリオは常に拡大し、複雑になっています。機器は通常、高温、高湿度、高塩分、振動、さらには真空などのさまざまな外部環境にさらされます。これにより、デバイスとその内部のコンポーネントがさまざまなテストを受けます。同時に、機器の放熱システムにはより高い要件が課されます。したがって、デバイスの熱設計に対するさまざまな環境パラメータの影響を考慮する必要があります。一部の学者は、極端な温度におけるパワー エレクトロニクス技術の開発ニーズを分析し、航空宇宙およびその他の分野における極端な高温および低温環境はパワー エレクトロニクス デバイスにとって避けられないと指摘しています。したがって、極限環境におけるデバイスの性能研究は非常に重要です。一部の学者は、炭鉱環境における高温高湿の特性を考慮し、湿潤環境における鉱山モーターの電力変換器の温度上昇特性を分析しました。シミュレーションと実験研究を通じて、同じ周囲温度の下では、環境の相対湿度が増加するにつれてパワーコンバータの最大温度上昇が減少することがわかりました。これには、湿潤環境における加熱の法則についての予備的な理解が含まれます。アプリケーション環境は複雑であるため、パワー エレクトロニクス機器の設計では、内部コンポーネントに対する環境の影響だけでなく、機器の熱設計の特殊性も考慮する必要があります。さまざまな環境特性に応じて、放熱方法を最適化します。また、放熱システムの放熱効率や信頼性を向上させるためには、放熱システムに対する環境の影響も考慮する必要があります。

パワー エレクトロニクスの熱設計には、熱伝達の分野だけが関係します。図1に示すように、熱電シミュレーション手法を用いた代表的なパワーエレクトロニクスデバイスの伝熱経路解析では、良好な放熱効果を実現し、機器の信頼性、軽量化、小型化の要件を考慮するために、温度場や応力場、流れ場との結合を総合的に考慮する必要があります。上記の分析から、パワーエレクトロニクス機器の熱設計は、力学、エレクトロニクス、熱伝達、流体力学などの多くの分野が関与する研究であることがわかります。したがって、パワーエレクトロニクスデバイスの機械-電気-熱統合設計を検討し、パワーエレクトロニクスデバイスの電気-熱-機械マルチフィジックスフィールドの結合に焦点を当てる必要があります。

パワーエレクトロニクスデバイスの熱伝達プロセスには、熱伝導、熱対流、熱放射の 3 つの方法があります。チップからヒートシンクへの熱伝導と、ヒートシンクから周囲環境への熱対流が主な熱伝達方法です。パワエレ機器の放熱設計は主にこの2つの観点から始まります。一般的な放熱方法は、ラジエーターから熱を奪う方法に応じて、アクティブ放熱、パッシブ放熱、および熱電冷却に分類できます。受動的な熱放散には、主に一般的な自然対流、間接接触の気液冷却、固液相変化冷却、直接接触浸漬液体冷却および相変化冷却が含まれます。アクティブ冷却には主に一般的な強制空冷と強制液冷があります。パワーエレクトロニクス機器の放熱技術は、既存の放熱方式の放熱能力を最大限に発揮するために、常に既存の放熱方式の最適化・改良を行うとともに、新たな放熱技術の開発を行っています。図2は、一般的な放熱方法に対応する熱流束の範囲を示す模式図です。

自然対流放熱技術は、熱伝達媒体として空気を使用します。空気自体の熱膨張と冷気の収縮によって生じる浮力を利用し、放熱フィンの周囲に空気を流して温風と冷気の交換を実現します。他の放熱方法と比較して、自然対流放熱は追加のエネルギーを必要とせず、構造が簡単で、動作が信頼性が高く、基本的にメンテナンスが不要です。熱流束が低い状況で広く使用されます。自然対流放熱は放熱構造が単純なため、放熱構造や設置方向の最適化が主な研究対象となります。近年、場の相乗効果理論に基づいた放熱に関する研究が数多く行われています。

自然対流による熱放散とは対照的に、強制空冷による冷却空気の移動はファンによって行われます。空気の速度が大幅に増加するため、放熱能力がより強力になります。その熱流束は自然対流放熱よりも明らかに高く、自然空冷の約5〜10倍です。強制空冷構造の設計には、主にヒートシンク構造パラメータの設計、冷却ファンの選択、流体空気ダクトの設計が含まれます。強制空冷による放熱効果を最大限に発揮させるために、放熱面積、風量、気圧損失のバランスを考慮した設計となっております。強制空冷の放熱効果は自然空冷よりも明らかに優れているため、放熱効果は強制液冷ほどではありませんが、その複雑さ、体積、重量、メンテナンスの遅れは液冷よりも明らかに優れています。高出力電子デバイスの熱設計において広く使用され、急速に開発されています。

図 3 は、強制的な典型的な構造を示しています。 液体冷却。放熱構造内の熱源によって発生した熱は、熱伝導によりデバイスのパッケージングおよび液冷プレートを介して冷却液に伝達されます。加熱された液体はポンプの作用により熱交換器セクションに輸送され、熱は熱交換器を通じて周囲環境に放散されます。強制液冷は、強制空冷とは異なり、液体を冷却することで熱源から熱交換器部分に熱を伝えます。熱源と直接接触する液体は液体であり、液体の熱伝導率は空気に比べて大幅に高いため、放熱効果は強制空冷に比べて大幅に優れ、空冷の約6～10倍の放熱効果があります。液体冷却の放熱では、熱伝導率の高い媒体を使用すると放熱効果が大幅に向上します。一部の学者は、パワーエレクトロニクスデバイスの冷却システムの熱開発における冷却媒体としての液体金属の応用を提唱し、シミュレーションと実験を通じて高出力パワーエレクトロニクスデバイスの液体冷却熱放散に液体金属が適用される可能性を検証しました。システム内には液体が存在するため、液体の交換を考慮し、液漏れによる装置の損傷を防ぐ必要があります。強制液冷には、液体の信頼性と配管システムに対する高い要件が求められます。複雑なシステム構造と多数のコンポーネントにより、システムの体積と重量は空冷の熱放散よりも明らかに大きくなります。したがって、強制液冷の使用環境には一定の制限があります。

熱電冷却は、電流が 2 つの異なる材料の界面を通って流れ、外界から熱を吸収または放出する、半導体材料のパーティエ効果を利用します。近年、半導体材料製造技術の発展に伴い、熱電冷却が急速に発展しています。図4に熱電冷却の代表的な構造を示します。熱電冷却の冷却端は熱源の温度を大幅に下げることができますが、その総熱放散能力はホットエンドの熱放散能力に制限されます。システム全体の放熱効果は、ホットエンドの放熱モードと密接に関係しています。熱電冷却のホットエンドでは依然として放熱対策を講じる必要があるため、放熱システム全体が複雑で扱いにくく、その用途が制限されています。

ヒートパイプの熱放散は 、液相変化の熱伝達原理です。ヒートパイプ内の飽和液体は高温側から熱を吸収して蒸発します。飽和蒸気は低温側に流れて発熱・凝縮して液体となり、重力や毛細管力の作用により高温側に戻り、引き続き吸収・発熱のサイクルを繰り返します。図5に重力式ヒートパイプの代表的な構造を示します。ヒートパイプ放熱は受動的放熱でありながら、他の金属とは比較にならない優れた熱伝導率を持っています。近年、さまざまな形態のヒートパイプ放熱技術が急速に発展しています。

マイクロチャネルには主に 2 つの定義があります。水力直径が0.01～0.2mmの流路をマイクロ流路と呼びます。もう 1 つは、浮力と表面張力の比によって定義されます。定義に関わらず、マイクロチャネル放熱技術は、小型、伝熱温度差が小さい、単位面積あたりの伝熱効率が高いなどの優れた利点により、研究者からの注目が高まっています。近年、マイクロチャネル理論の継続的な改良と処理技術の急速な発展に伴い、この技術は学者の間で研究のホットトピックとなっています。マイクロチャネルの研究 放熱技術は 主にチャネルサイズの最適化、チャネル媒体の流れと熱伝達特性に焦点を当てています。

研究開発の深化に伴い、新しい材料がさまざまな構造レベルで適用されています。 SiCバンドギャップ半導体材料のスイッチングデバイスへの応用。相変化放熱における信頼性の高い新しい相変化媒体の適用。サーマルインターフェースマテリアル、液体金属アプリケーションのさまざまなコンポーネント。

高出力電子デバイスの熱放散の問題を解決するには、まず熱力学の理論に基づく必要があります。熱力学の基本法則から始めます。新素材の研究開発と生産を重視。放熱材料であってもサーマルインターフェース材料であっても、新材料には比類のない利点があります。優れた熱特性を備えた新材料を開発し、製造コストと適用コストを削減して、広く使用できるようにします。これにより、放熱技術のポテンシャルを最大限に発揮し、放熱効果を向上させることができます。新しい放熱技術の研究も引き続き徹底的に行う必要があります。既存の放熱技術がパッシブからアクティブへ、自然対流から強制空冷から強制液冷へ、単相放熱から多相放熱へと発展する過程で、熱流束は大幅に増加しました。新しい放熱モードは全体構造の変更を必然的に伴いますが、熱流束の増加は顕著であり、これは機器全体の放熱効果を向上させる上で非常に重要です。