Wärmeableitung von elektronischen Hochleistungsgeräten

Hochleistungselektronik ist das Herzstück von Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Windkraftanlagen, Hochgeschwindigkeitszügen und Stromnetzen.Derzeit entwickeln sich elektronische Hochleistungsgeräte in Richtung eines hohen Leistungsniveaus und einer hohen Integration.Daher tritt unvermeidlich das Problem der Wärmeableitung auf.Die von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme lässt die Temperatur des Chips ansteigen.Ohne geeignete Wärmeableitungsmaßnahmen wird die Betriebstemperatur des Chips die maximal zulässige Temperatur überschreiten.Dies führt zu einer Verschlechterung oder sogar Beschädigung der Geräteleistung.Studien haben gezeigt, dass für jede Erhöhung der Temperatur eines Halbleiterchips um 10 °C die Zuverlässigkeit des Chips um die Hälfte reduziert wird.Je höher die Betriebstemperatur des Geräts ist, desto kürzer ist die Lebensdauer des Geräts.Die Reduzierung der Temperatur eines Geräts ist eine effektive Möglichkeit, seinen Lebenszyklus zu verlängern.In diesem Stadium wurden viele Untersuchungen zum thermischen Design und zur Optimierung der Wärmeableitung verschiedener elektronischer Geräte und Ausrüstungen durchgeführt.

Der Einfluss der Temperatur auf die Lebensdauer elektronischer Geräte spiegelt sich hauptsächlich in zwei Aspekten wider.Das eine ist ein thermisches Versagen des Chips und das andere ein Spannungsschaden.Die sichere Arbeitstemperatur gängiger Siliziumchips beträgt im Allgemeinen - 40 ~ 50 ℃, und das Gerät kann innerhalb des sicheren Arbeitstemperaturbereichs normal arbeiten.Wenn die Sperrschichttemperatur die sichere Betriebstemperatur überschreitet, führt dies zu einem thermischen Versagen des Chips.Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur für Siliziumchips beträgt im Allgemeinen 175 °C.Andererseits verursacht eine übermäßig hohe Sperrschichttemperatur aufgrund des Unterschieds im Ausdehnungskoeffizienten jedes Materials in der Vorrichtung eine Zunahme der thermischen Belastung im Chip.Dies wiederum verursacht mechanische Beschädigungen wie das Verbiegen des Lots im Chip und das Abfallen des Bonddrahts.Einige Gelehrte haben in ihrer Forschung darauf hingewiesen, dass bei Flip-Chips auf Leiterrahmen aufgrund des großen Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kupferleiterrahmen und dem Siliziumchip im Gehäuse die thermische Belastung unter der Einwirkung einer thermischen Belastung Schäden verursachen wird an die Oberflächenstruktur des mit den Lötstellen verbundenen Chips..Einige Gelehrte wiesen in dem Artikel auch darauf hin, dass die Restspannung, die durch die herkömmliche Reflow-Löt-Verbindungstechnologie erzeugt wird, die bei der Verpackung von Halbleitergeräten verwendet wird, bei hohen Temperaturen weiter verstärkt wird.Schließlich kommt es zum Sprödbruch des Chips und der Lotschicht des Substrats.Außerdem kann eine übermäßig hohe Sperrschichttemperatur auch einen thermischen Zusammenbruch des Chips oder sogar ein thermisches Schmelzen des Chips verursachen.Diese Ausfälle sind nicht behebbare Ausfälle, sodass die Beschädigung des Geräts durch hohe Temperaturen fatal 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 ungefähr linear mit steigender Sperrschichttemperatur.Daher wird auch der homomorphe Verlust des Geräts zunehmen, was dazu führt, dass mehr Wärme durch das Gerät erzeugt wird.Dies erhöht die Sperrschichttemperatur weiter und erzeugt einen Teufelskreis.Für IGBT haben relevante Studien gezeigt, dass die Ausschaltverzögerungszeit mit dem Anstieg der Betriebssperrschichttemperatur des Geräts zunimmt.Eine vernünftige Verwendung von thermischen Parametern kann als Charakterisierungsparameter der Vorrichtungssperrschichttemperatur verwendet werden.Der Verlust der Kontrolle über thermische Parameter kann ernsthafte Schäden an der Vorrichtung verursachen, und die durch thermische Parameter verursachten Schäden neigen dazu, sich mit steigender Temperatur weiter zu verschlechtern.

Als Kernkomponenten leistungselektronischer Geräte erzeugen leistungselektronische Geräte während des Betriebs zwangsläufig verschiedene Verluste, darunter Leitungsverluste und Schaltverluste.Wenn die vom Gerät erzeugte Wärme nicht rechtzeitig an die Umgebung abgegeben wird, wird die hohe Betriebstemperatur den normalen Betrieb des Geräts und den zuverlässigen Betrieb des Geräts ernsthaft beeinträchtigen.Mit dem Fortschritt der Leistungselektroniktechnik entwickeln sich die Geräte in Richtung Miniaturisierung und Kompaktheit.Dadurch werden die Eigenschaften der Wärmekonzentration und der kleinen Wärmeableitungsfläche von leistungselektronischen Geräten immer wichtiger, was zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Oberflächenwärmeflussdichte von Geräten führt.Bei Hochleistungsanwendungen müssen zusätzliche Kühlkörper installiert werden, um einen zuverlässigen Betrieb der Geräte zu erreichen.Darüber hinaus ist bei der Anwendung neuer Materialien wie SiC in leistungselektronischen Geräten aufgrund der Verringerung der Chipgröße die lokale Wärmeflussdichte höher und die Wärmeableitungsanforderungen sind höher.

Mit der rasanten Entwicklung leistungselektronischer Geräte werden die Anwendungsszenarien stetig erweitert und komplex.Geräte sind normalerweise verschiedenen äußeren Umgebungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit, hohem Salzgehalt, Vibrationen und sogar Vakuum ausgesetzt.Dabei werden das Gerät und die darin enthaltenen Komponenten verschiedenen Tests unterzogen.Gleichzeitig werden höhere Anforderungen an das Entwärmungssystem der Geräte gestellt.Daher ist es notwendig, den Einfluss verschiedener Umgebungsparameter auf die thermische Auslegung 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 Gelehrte haben die Eigenschaften von hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit in der Kohleminenumgebung betrachtet und die Temperaturanstiegseigenschaften des Minenmotor-Leistungswandlers in einer feuchten Umgebung analysiert.Durch Simulation und experimentelle Forschung wurde festgestellt, dass bei gleicher Umgebungstemperatur der maximale Temperaturanstieg des Leistungswandlers mit dem Anstieg der relativen Feuchtigkeit der Umgebung abnimmt.Dies hat ein vorläufiges Verständnis des Erwärmungsgesetzes in feuchten Umgebungen.Aufgrund der Komplexität der Anwendungsumgebung muss bei der Konstruktion von leistungselektronischen Geräten nicht nur der Einfluss der Umgebung auf interne Komponenten berücksichtigt werden, sondern auch die Besonderheiten des thermischen Designs der Geräte.Optimieren Sie die Wärmeableitungsmethode entsprechend den unterschiedlichen Umgebungseigenschaften.Zusätzlich 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 von Leistungselektronik umfasst mehr als nur den Bereich der Wärmeübertragung.Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist es bei der Wärmeübertragungspfadanalyse typischer leistungselektronischer Geräte unter Verwendung der thermoelektrischen Simulationsmethode, um einen guten Wärmeableitungseffekt zu erzielen und die Anforderungen an Zuverlässigkeit, geringes Gewicht und Miniaturisierung der Geräte zu berücksichtigen notwendig, das Temperaturfeld und die Spannungsfeldkopplung mit dem Strömungsfeld umfassend zu berücksichtigen.Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass das thermische Design von leistungselektronischen Geräten eine Forschung ist, die viele Disziplinen wie Mechanik, Elektronik, Wärmeübertragung und Strömungsmechanik umfasst.Daher ist es notwendig, das mechanisch-elektrisch-thermische Integrationsdesign leistungselektronischer Geräte zu berücksichtigen und sich auf die Kopplung elektrisch-thermisch-mechanischer multiphysikalischer Felder leistungselektronischer Geräte zu konzentrieren.

Der Wärmeübertragungsprozess leistungselektronischer Geräte umfasst drei Wege: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.Wärmeleitung vom Chip zum Kühlkörper und Wärmekonvektion vom Kühlkörper zur Umgebung sind die wichtigsten Wärmeübertragungsmethoden.Die Auslegung der Wärmeableitung von leistungselektronischen Geräten geht hauptsächlich von diesen beiden Aspekten aus.Gängige Wärmeableitungsmethoden können je nach Art der Wärmeabfuhr vom Kühler in aktive Wärmeableitung, passive Wärmeableitung und thermoelektrische Kühlung unterteilt werden.Passive Wärmeableitung umfasst hauptsächlich gewöhnliche natürliche Konvektion, indirektes Gas-Flüssigkeits-Kontakt-, Fest-Flüssig-Phasenwechselkühlung und Direktkontakt-Immersions-Flüssigkeitskühlung und Phasenwechselkühlung.Die aktive Kühlung umfasst hauptsächlich die gemeinsame Zwangsluftkühlung und die Zwangsflüssigkeitskühlung.Um die Wärmeableitungskapazität der vorhandenen Wärmeableitungsmethoden voll auszuschöpfen, werden die vorhandenen Wärmeableitungsmethoden bei der Wärmeableitungstechnologie von leistungselektronischen Geräten ständig optimiert und verbessert, während neue Wärmeableitungstechnologien entwickelt werden.Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm des Bereichs des Wärmeflusses, der üblichen Wärmeableitungsverfahren entspricht.

Die Wärmeableitungstechnologie mit natürlicher Konvektion verwendet Luft als Wärmeübertragungsmedium.Es nutzt den Auftrieb, der durch die Wärmeausdehnung und Kaltkontraktion der Luft selbst erzeugt wird, um die Luft um die Kühlerrippe herum strömen zu lassen, um den Austausch zwischen heißer und kalter Luft zu realisieren.Im Vergleich zu anderen Wärmeableitungsmethoden erfordert die Wärmeableitung durch natürliche Konvektion keine zusätzliche Energie, einen einfachen Aufbau, einen zuverlässigen Betrieb und im Grunde keine Wartung.Es wird häufig in Situationen mit 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 viele Untersuchungen zur Wärmeableitung durchgeführt, die durch die Theorie der Feldsynergie gestützt werden.

Im Gegensatz zur Wärmeableitung durch natürliche Konvektion wird die Bewegung der zwangsluftgekühlten gekühlten Luft durch einen Lüfter angetrieben.Da die Geschwindigkeit der Luft stark erhöht wird, ist ihre Wärmeableitungsfähigkeit stärker.Sein Wärmefluss ist offensichtlich höher als die natürliche Konvektionswärmeableitung, etwa das 5- bis 10-fache der natürlichen Luftkühlung.Das Design der Zwangsluftkühlungsstruktur umfasst hauptsächlich das Design der Kühlkörperstrukturparameter, die Auswahl des Kühlgebläses und das Design des Fluidluftkanals.Diese drei Aspekte des Designs sollen den Wärmeableitungsbereich, den Luftstrom und den Luftdruckabfall ausgleichen, damit die Wärmeableitung durch Zwangsluftkühlung den besten Effekt erzielt.Da der Wärmeableitungseffekt der erzwungenen Luftkühlung offensichtlich besser ist als der der natürlichen Luftkühlung, obwohl der Wärmeableitungseffekt nicht so gut ist wie der der erzwungenen Flüssigkeitskühlung, sind seine Komplexität, sein Volumen, sein Gewicht und seine späte Wartung offensichtlich besser als die von Flüssigkeitskühlung.Es kann beim thermischen Design von elektronischen Hochleistungsgeräten weit verbreitet und schnell entwickelt werden.

Abbildung 3 zeigt eine typische Zwangsstruktur Flüssigkeitskühlung.Die von der Wärmequelle in der Wärmeableitungsstruktur erzeugte Wärme wird durch Wärmeleitung durch die Geräteverpackung und die Flüssigkeitskühlplatte auf die Kühlflüssigkeit übertragen.Die erwärmte Flüssigkeit wird unter der Wirkung der Pumpe zum Wärmetauscherabschnitt transportiert und die Wärme wird durch den Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben.Im Gegensatz zur Zwangsluftkühlung überträgt die erzwungene Flüssigkeitskühlung Wärme von der Wärmequelle auf den Wärmetauscherteil, indem die Flüssigkeit gekühlt wird.Der direkte Kontakt mit der Wärmequelle ist flüssig und die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit ist deutlich höher als die von Luft, daher ist ihre Wärmeableitungswirkung deutlich besser als die Wärmeableitung der Zwangsluftkühlung, etwa das 6- bis 10-fache der Luftkühlung.Bei der Wärmeabfuhr durch Flüssigkeitskühlung kann durch den Einsatz von Medien mit besserer Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhrwirkung deutlich verbessert werden.Einige Gelehrte schlugen die Anwendung von Flüssigmetall als Kühlmedium bei der thermischen Entwicklung des Kühlsystems von Leistungselektronikgeräten vor und verifizierten die Möglichkeit der Anwendung von Flüssigmetall bei der Flüssigkeitskühlung zur Wärmeableitung von Hochleistungs-Leistungselektronikgeräten durch Simulation und Experiment .Aufgrund des Vorhandenseins von Flüssigkeit im System ist es notwendig, den Austausch von Flüssigkeit in Betracht zu ziehen und Schäden durch Flüssigkeitsaustritt am Gerät zu vermeiden.Die erzwungene Flüssigkeitskühlung stellt hohe Anforderungen an die Flüssigkeitszuverlässigkeit und das Rohrleitungssystem.Aufgrund des komplexen Systemaufbaus und vieler Komponenten sind Volumen und Gewicht des Systems offensichtlich größer als die Wärmeabfuhr einer Luftkühlung.Daher unterliegt die Anwendungsumgebung der erzwungenen Flüssigkeitskühlung gewissen Beschränkungen.

Die thermoelektrische Kühlung macht sich den Partier-Effekt von Halbleitermaterialien zunutze, bei dem ein elektrischer Strom durch die Grenzfläche zweier verschiedener Materialien fließt und 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 schnell entwickelt.Abbildung 4 zeigt einen typischen Aufbau einer thermoelektrischen Kühlung.Obwohl das Kühlende der thermoelektrischen Kühlung die Temperatur der Wärmequelle erheblich reduzieren kann, ist ihre gesamte Wärmeableitungskapazität auf die des heißen Endes begrenzt.Der Wärmeableitungseffekt des gesamten Systems hängt eng mit dem Wärmeableitungsmodus des heißen Endes zusammen.Aufgrund der noch zu ergreifenden Wärmeabfuhrmaßnahmen am heißen Ende der thermoelektrischen Kühlung ist das gesamte Wärmeabfuhrsystem kompliziert und schwerfällig, was seine Anwendung einschränkt.

Wärmeableitung durch Heatpipes ist ein Wärmeübertragungsprinzip mit flüssigem Phasenwechsel.Die gesättigte Flüssigkeit im Wärmerohr nimmt Wärme von der Hochtemperaturseite auf und verdampft.Gesättigter Dampf strömt zur Niedertemperaturseite, um exotherm zu werden und zu Flüssigkeit zu kondensieren, und kehrt unter der Wirkung der Schwerkraft oder Kapillarkraft zur Hochtemperaturseite zurück, um weiterhin am Absorptions- und Exothermzyklus teilzunehmen.Abbildung 5 zeigt den typischen Aufbau eines Gravitationswärmerohrs.Obwohl es sich bei der Heatpipe-Wärmeableitung um eine passive Wärmeableitung handelt, hat sie eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, die mit anderen Metallen nicht zu vergleichen ist.In den letzten Jahren haben sich verschiedene Formen der Heatpipe-Wärmeableitungstechnologie schnell entwickelt.

Es gibt zwei Hauptdefinitionen von Mikrokanälen.Ein Kanal mit einem hydraulischen Durchmesser von 0,01 ~ 0,2 mm kann als Mikrokanal bezeichnet werden.Die andere ist definiert durch das Verhältnis von Auftrieb zu Oberflächenspannung.Unabhängig von der Definition hat die Mikrokanal-Wärmeableitungstechnologie aufgrund ihrer herausragenden Vorteile wie geringe Größe, geringe Wärmeübertragungstemperaturdifferenz und hohe Wärmeübertragungseffizienz pro Flächeneinheit zunehmende Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen.In den letzten Jahren ist diese Technologie mit der kontinuierlichen Verbesserung der Mikrokanaltheorie und der schnellen Entwicklung der Verarbeitungstechnologie zu einem heißen Forschungsthema der Gelehrten geworden.Die Forschung auf Mikrokanal Wärmeableitungstechnologie konzentriert sich hauptsächlich auf die Optimierung der Kanalgröße und die Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften des Kanalmediums.

Mit der Vertiefung von Forschung und Entwicklung wurden neue Materialien auf verschiedenen Strukturebenen angewendet.Anwendung von SiC-Halbleitermaterialien mit Bandlücke in Schaltgeräten.Anwendung eines neuen Phasenwechselmediums mit hoher Zuverlässigkeit bei der Phasenwechselwärmeableitung.In Wärmeleitmaterialien, verschiedene Komponenten von Flüssigmetallanwendungen.

Bei der Lösung des Problems der Wärmeableitung von elektronischen Hochleistungsgeräten 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 Produktion.Ob Wärmeableitungsmaterial oder Wärmeleitmaterial, das neue Material hat unvergleichliche Vorteile.Entwickeln Sie neue Materialien mit überlegenen thermischen Eigenschaften und senken Sie die Produktions- und Anwendungskosten, damit sie in großem Umfang eingesetzt werden können.Dies kann das Potenzial der Wärmeableitungstechnologie voll ausschöpfen und den Wärmeableitungseffekt verbessern.Auch die Erforschung neuer Wärmeableitungstechnologien sollte weiter vertieft werden.Im Entwicklungsprozess der bestehenden Wärmeableitungstechnologie von passiv zu aktiv, von natürlicher Konvektion zu forcierter Luftkühlung zu forcierter Flüssigkeitskühlung und von einphasiger Wärmeableitung zu mehrphasiger Wärmeableitung hat der Wärmefluss stark zugenommen.Obwohl der neue Wärmeableitungsmodus zwangsläufig mit einer Änderung der Gesamtstruktur einhergeht, ist die Erhöhung des Wärmeflusses erheblich, was von großer Bedeutung ist, um den Gesamtwärmeableitungseffekt der Ausrüstung zu verbessern.