Управление тепловыми потоками в силовой электронике
Современные силовые полупроводниковые приборы (IGBT-транзисторы, SiC-диоды, тиристоры) работают при плотностях мощности, превышающих сотни ватт на квадратный сантиметр площади кристалла. Предельная температура p-n перехода кристалла обычно ограничена значением 150–175 градусов Цельсия. Для предотвращения теплового пробоя необходимо обеспечить минимальное общее термическое сопротивление на пути от полупроводника к окружающей среде.
Цепочка теплопередачи силового модуля состоит из нескольких слоев с различной теплопроводностью: кристалл — припой — керамическая подложка — основание модуля (baseplate) — термопаста — радиатор. Медь играет определяющую роль в этой цепочке благодаря коэффициенту теплопроводности около 390 Вт/(м·К).
Оценку эффективности рассеивания тепла металлическими элементами силовых модулей можно провести на основе данных из анализа теплопроводности меди в сравнении с другими конструкционными материалами.
Конструкция подложек DBC (Direct Bonded Copper)
DBC-подложка представляет собой пластину из керамики (оксид алюминия Al2O3 или нитрид алюминия AlN), с обеих сторон которой методом прямого высокотемпературного спекания нанесены медные пластины толщиной от 0,3 до 0,6 мм.
Функции медных слоев в DBC:
- Верхний слой: формирует топологию электрических соединений силовых ключей методом химического травления;
- Керамический слой: обеспечивает электрическую изоляцию силовых цепей от корпуса (напряжение пробоя до 4–6 кВ);
- Нижний слой: выравнивает механические напряжения, возникающие из-за разницы коэффициентов теплового расширения (КТР), и распределяет тепловой поток по площади.
Сравнительные характеристики материалов оснований модулей
Материал базового основания силового модуля должен сочетать высокую теплопроводность и КТР, близкий к КТР керамики и кремния (3–7 ppm/K), для предотвращения усталостного разрушения паяных слоев при циклических нагревах.
|
Материал основания |
Теплопроводность (Вт/(м·К)) |
КТР (10^-6 / K) |
Плотность (г/куб. см) |
|
Чистая медь (Cu-ETP / C11000) |
390 |
16,5 |
8,9 |
|
Бескислородная медь (Cu-OF / C10200) |
395 |
16,5 |
8,9 |
|
Композит AlSiC (алюминий-кремний-углерод) |
170–200 |
6,5–8,5 |
3,0 |
|
Алюминий (A6063) |
200 |
23,0 |
2,7 |
Несмотря на более высокий КТР по сравнению с композитами, чистая медь остается самым распространенным материалом для теплоотводящих оснований из-за наименьшего термического сопротивления и доступности технологической обработки.
Оптимизация внешних медных радиаторов
Для отвода тепла от основания модуля на радиатор применяются эффективные методы снижения контактного термического сопротивления:
- Применение фазопереходных материалов (PCM) вместо термопасты. PCM-материалы размягчаются при температуре выше 45 градусов Цельсия, полностью заполняя микронеровности без эффекта вытеснения (pump-out effect).
- Использование жидкостного охлаждения с медными штыревыми радиаторами (Pin-Fin). Медное основание модуля изготавливается с игольчатым профилем, который погружается непосредственно в поток хладагента (пропиленгликоль/вода). Это исключает один слой термопасты и снижает термическое сопротивление на 30 процентов.