עיצוב יכולת דורית תרמית במודולים של הדור הבא

ככל שאלקטרוניקה כוח להמשיך להתקדם, הביקוש למודולים יעילים ואמינים יותר גדל באופן משמעותי.אחד האתגרים הקריטיים בתחום זה הוא להבטיח עמידות תרמית למנוע חימום יתר על המידה להאריך את תוחלת החיים של המכשיר.עיצוב עמידות תרמית כרוך שילוב של אפשרויות בחירה חומרית, אסטרטגיות ניהול תרמי, וטכניקות אריזה חדשניות.המעבר למולישומי חום רחבים כגון סיליקון (SiC) ו-Nium יכול להפעיל רק טמפרטורות גבוהות יותר.

הבנת האתגרים הארוכים במודולים של Power

מודולי חשמל מייצרים חום משמעותי במהלך המבצע, אשר יכול להוביל ללחץ תרמי וכישלון בסופו של דבר אם לא מנוהל כראוי.טמפרטורות גבוהות יכול לגרום השפלה חומרית, עייפות משותפת מכרה, ולהגדיל ביצועים חשמליים. לכן, הבנת האתגרים התרמיים האלה חיונית לפיתוח מודולים כוח עמידים.חום שנוצר בתוך מודול כוח שמקורו במנגנוני אובדן מרובים, ואת ההשפעה המצטברת של הפסדים אלה יש להעביר דרך החומרים הפנימיים של המודול למערכת קירור חיצונית בדרך כלל, כולל ממשק מתכתי, לחץ למחצה, לחץ למחצה, ואפקט מכני חלש, כל אחד, ואפקט קבוע, כל אחד, ואפקט מצטבר, כל אחד, לחץ למחצה, ואפקט מצטבר, כולל ממשק מכני, פצעי למחצה, כולל ממשק מכני, פצעי מתכתי למחצה, ואפקט מצטבר, פצעי למחצה, פצעי מתכתי מתכתי מתכתי למחצה, ואפקט מצטבר, באופן קבוע, ואפקט מצטבר, באופן קבוע, ואפקט מצטבר, כולל ממשק מכני, פצעי למחצה, פצעי למחצה, כולל ממשק מכני, פצעי למחצה, פצעיבית, פצעי למחצה, פצעי למחצה גמיש, כולל ממשק מכני, כל אחד, ואפקט מצטבר, כולל ממשק מכני, כולל ממשק מכני, ואפקט מצטבר, ואפקט מצטבר, כל אחד, פצעי למחצה, כל אחד, ו

מקורות של פרח

(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) שריפת הפסדים FLT:1 במהלך המבצע: כל מעבר הפוך ו-Turn-off מתפזר אנרגיה בשל חפיפה של מתח וזרם בזמן החלפת סופי.קשה מעבר להתנצלות, נפוץ בכוננים מוטוריים ומולטים, לייצר הפסדים משמעותיים אשר עולים עם תדירות.
(FLT:0Leakage Currents and parasitic EffectFLT:1) כוללים אובדן התאוששות הפוכה בדידות, אובדן קצב, ושחרור קפיאנטנס משוטט קטן יותר מאשר התנהגות והפסדים, הם תורמים לעלייה כוללת הטמפרטורה ויכולים להיות בעייתי בטמפרטורות גבוהות שבו זרמי דליפה עולים באופן אקספוננציאלי.

השילוב של מקורות חום אלה יוצר פרופיל תרמי מורכב המשתנה עם עומס, החלפת תדירות, ותנאים נוחים.מודלים תרמית באמצעות ניתוח סופי של יישום (FEA) או דינמיקת נוזל חישובית (CFD) הוא כעת סטנדרטי לחזות התפלגות טמפרטורה לזהות נקודות חמות לפני כוונון פיזי.

השפעות הלחץ הירומלי

חום מופרז יכול לגרום להתרחבות וההתכווצות של חומרים, המוביל ללחץ מכני.לאורך זמן, הלחץ הזה יכול לגרום לסדקים, לדיכאון, או לכישלונות משותפים של מכר, תוך שימת דגש על שלמות מודול הכוח.המנגנוני הכישלון העיקריים המונעים על ידי מתח תרמי כוללים:

(FLT:0) יעיל של התרחבות תרמית (CTE) ערפלmatchveFLT:1: לסיליקון יש CTE של כ- 2.6 pm / ° C, בעוד קרמיקה נפוצה כמו אלומיניום (אל2O3) יש CTEs סביב 6-7 ppm / C, ובסיסי נחושת נעים בין 16 pm / ° C. תחת טמפרטורה, הרחבת חומרים ממתחים במתחים, שהיא מייצרת בשכבת אופניים, או ממתחים שונים.
(FLT:0) עייפות משותפת משותפת של צמיגים 1: מכרים ללא מטרות כגון SnAgCu (SAC) משמשים לעתים קרובות לנספח מת או גדל מודולים.תחת רכיבה תרמית (- 40 ° C ל-150 מעלות צלזיוס, נפוץ יישומי רכב), מוכר עובר חירש ופלפלסטיק, בסופו של דבר יוצר ריקות וסדקים כי להגדיל את ההתנגדות התרמית ומובילים לכישלון חשמלי.
(FLT:0)Bond-wire Elevator-off-offFLT:1; אלומיניום או חוטי חיבור נחושת המחברים את ה- השבב העליון לטרמינלים החבילה חווים מתח מ- CTE שלא מתאים לסיליקון.הרכיבה החצמית גורמת לסדקים של Heel או להרים-off, מצב כשל מרכזי במודולים IGBT.
(FLT:0 Interlayer delaminationFLT:1: ב נחושת ישירה (DBC) או מתכת פעילה מתפתל (AMB), ממשק הקרמיקה יכול להחריב תחת זעזועים תרמיים חמורים, במיוחד אם פגמים בייצור קיימים.
(FLT:0) האטה של חומרים ממושכים 1 (למעלה מ-200 מעלות צלזיוס, חומרים אורגניים רבים (מצטברים, תרכובות מעוצבים, גריזות תרמיות) מאבדים כוח מכני, גזי גז או פחמן.

תקני התצורה כגון AEC-Q101 עבור מוליכים למחצה של רכב ו JEDEC JESD22-A104 עבור רכיבה על אופניים תרמי מספקים תנאי מבחן כי סימולציה שנים של ניתוח שדה.עבור בדיקות אלה היא תנאי הכרחי לכל מודול חשמל המיועד לשווקים תעשייתיים או רכביים.

אסטרטגיות עיצוב לשיפור יכולת ה-Rmal

התייחסות לאתגרים התרמיים דורשת גישה הוליסטית המשלבת ברירה חומרית זהירה, טכניקות ניהול תרמי חזקות וארכיטקטורות חדשניות של האריזה.התת הבאה מפרטת כל היבט.

בחירה חומרית

בחירת חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה ויציבות בטמפרטורות גבוהות היא קריטית.חומרים נפוצים כוללים נחושת להפצת חום, סיליקון carbide או גליום nitride עבור מוליכים למחצה, וקרמיקה מתקדמת עבור תת-סטריטים.ערמת החומר של מודול חשמל מודרני הוא מהנדס כדי למזער התנגדות תרמית תוך התאמה CTE קרוב ככל האפשר.

(FLT:0) חומרים גרפיים (FLT:1): בעוד סיליקון IGBTs ו MOSFET עדיין שולטים, SiC וגאן צוברים במהירות נתח שוק עבור יישומים גבוהים ויישומים קידוד גבוה. SiC יש מוליכות תרמית של -3.5 W / K ( ⁇ 350 W/mK), בערך שלוש פעמים של סיליקון, ויכול לפעול בצומת נמוך עד 250 מעלות צלזיוס) אבל יש יותר מ-250 מעלות צלזיוס (N) ל- C-D.
(FLT:0) חומרי גלם-העתיים (E.D.FLT:1): מכרים מסורתיים המבוססים על מובילים מוחלפים על ידי מכרים עתירי זמן גבוהים (למשל, Au80Sn20, נקודה ממסתתת 280 מעלות צלזיוס) או מאפים כסף כסף מסמנים את ה-Silverttering מייצרת שכבת כסף ⁇ שיש לה מוליכות תרמיות של W200/mK (אורד) עבור פחות מזחלות של SinterC (nC) ו-Sc) ו-Screc) ו-ScreiC (Screich for aupitupitiC (Stra-Screich for a k for the Smallic) עבור פחות מ-Straicreption for a SinterC) ו-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Stra-Supitupitupitupitupitupitupitupitupitupitupitup-Stra-Stra-Stra-Stra-S
(FLT:0 חומרים צמחיים (FLT:1): Alumina (Al2O3) DBC הוא עלות-יעילות אך יש מוליכות תרמית צנועה (25 W/mK) ו- CTE בערך 7 ppm/ ° C. Silicon nitride (Si3N4) מציעים מוליכות תרמית גבוהה יותר (90/mK) ושבר מעולה, אשר הופך את הגמישות גבוהה יותר ל- CpI3D) ל-R.
(FLT:0)Baseplates and Heat SpreadersFIRLT:1; Copper הוא חומר בסיס סטנדרטי בגלל מוליכות תרמית גבוהה שלה (400 W / mK) עם זאת, CTE גבוהה שלה (16.8m / ° C) דורש עיצוב זהיר. Composite בסיסים באמצעות מוליכות נחושת (Cu-mK) או נחושת-graphites יכול להתאים את CTE ל-CDC טוב יותר (pc) בעוד ש-pcpclimates) מתאים C.
(FLT:0) חומרי ממשק תרמיים (TIMs)BuildFLT:1: הממשק בין בסיס מודול לבין כיור חום הוא צוואר בקבוק תרמי גדול.מבטיחים מסורתיים מוצגים לאחר השפלה תרמי כמו משאבות הגרזן החוצה.שלב 0.1 חומרים (PCs), כריות תרמיות תרמיות, ו andhesives תרמי לספק ביצועים יציבים יותר, אבל מתקדמים כוללים ממתכת / gnm) הוא סגסוגת (R) הוא סגסוגת.
(FLT:0) מחסנים ומחסנים של תרכובות סיליקון:1; אלה להגן על המודול נגד לחות וזיהום. סיליקון עתירי (למשל, ג'ל סיליקון) לשמור גמישות עד 250 מעלות צלזיוס, בעוד תרכובות epoxy-based מציעים כוח מכני טוב יותר, אך עשוי סדק תחת רכיבה תרמית.

טכניקות ניהול נמרץ

ניהול תרמי יעיל הוא העמוד השני של עמידות תרמית.המטרה היא לחלץ חום מן הצומת למחצה, דרך ערימה מודול, ובתוך מדיום קירור חיצוני עם עלייה מינימלית של טמפרטורה.אסטרטגיות נע בין גישות פסיביות (טביעות חום, מפיץ) כדי פעיל קירור נוזל.

(FLT:0) כיור חום האלומיניום והאוהדים עבור קירור פעיל של ההרחבה:1; עבור מודולים בעלי כוח בינוני, כיור חום אלומיניום מזחלות עם זיהום אוויר מאולץ הם הפתרון הנפוץ ביותר. Fins הם אופטימיזציה עבור ירידה בלחץ ורעש. הגדלת פני השטח עם פיית או מתקפלים עיצובים משפר את העברת החום.
(FLT:0) מפיץ Heat וחומרים ממשק תרמי (TIMsrea)FLT:1: לפני החום מגיע הכיור החום, זה חייב להתפשט מאוחר יותר מן האזור. Copper תנורי חום מוטבעים לעתים קרובות בתוך המודול או מחובר למשטח הבסיס כדי להפחית את גלי החום המקומי. 2-phase קירור (מעגלות, vapors) יכול להשתלב בחום גבוה מאוד כדי לספק חום גבוה / 1x יעיל מאוד (R)
<חזק> מערכות קירור נוזליות עבור יישומים בעוצמה גבוהה: קירור נוזלי ישיר משתמש צלחת קרה עם ערוצים קירור (תערובת מים גליקול, נוזלים דיאלקטריים) לזרום. הצלחות קרות מיקרו-ערוציות עם קוטרים הידראוליים <1 מ"מ) להשיג משככי חום יותר מ-50,000 W/m2K, המאפשרות ניתנות כוח מעל 50 W / Jet2.
(ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]
(FLT:0 Two-phase ⁇ קירורFLT:1): עבור מערכות חשמל מאוד צפופות (למשל, כלי רכב חשמליים מתפתלים מחוסנים), ⁇ בנוזל דיאלקטרי המדוד על פני השטח של המודול מספק העברה חום מעולה וטמפרטורה אחידה.
(FLT:0) בקרה תרמית יעילה (FLT:1): ניטור בזמן אמת של טמפרטורת צומת באמצעות חיישנים טמפרטורה משולבת (בינוניים, המrmistors, או אינפרא אדום) מאפשר לבקר להתאים את התדירות, כונן השער או לטעון הנוכחי כדי לשמור את המודול בתוך גבולות תרמיים בטוחים.

פתרונות חדשניים

טכניקות אריזה מתקדמות כגון ערוצי קירור משובצים, תצורות של היפ-צ'יפ, ו- 3D ערימה עזרה לשפר את הניתוק החום.שיטות אלה להפחית התנגדות תרמית ולשפר את עמידות הכוללת על ידי קיצור נתיב החום והתאמה יעילה יותר של CTE.

(FLT:0)Flip-chip ונקבר מת FIRLT:1; במקום חוטי האג"ח, המוות הוא מהפך ונמכר ישירות על המצע באמצעות מערך של בליטות נחושת או עמודות.זה מקטין אינדוקטריטיס טפיליטי, משפר את הטיפול הנוכחי, ומספק נתיב תרמי דרך העליון ותחתית המוות.
(FLT:0) הכוח המוטבע מת ב- PCB (EPDig)FLT:1: המוליכים למחצה מתים מוטבע לתוך לוח מעגלים מודפס באמצעות lamination ונחושה באמצעות טכנולוגיה.זה מבטל אג"ח חוט ומאפשר קירור מיקרו-ערוצי ישירות מתחת למות.D חבילות יכול להשיג התנגדות תרמית נמוכה מאוד והם מתאימים למודולים של כוח רכב.
(FLT:0 ,3D אריזה ו- Multi-layer substratessveFLT:1): קידוד מספר מת אנכי (למשל, SiC MOSFET על גבי סי דיודה) מוריד טביעת רגל ויכול לחלוק מפיץ חום משותף.עם זאת, ניהול תרמי הופך מורכב יותר כי חום מן המתים התחתון חייב לעבור דרך המוות העליון, בין-ידי, בין-ידי רדומים, משולבים כדי לשכבות, כדי לשכבות, הם משולבים כדי לשכבות.
(FLT:0) מחסני קירור מעוקלים ב- substratetureFLT:1: מיקרו ערוצים הם חרק או מכווצים לתוך חומר קרמיקה או בסיס, המאפשר קירור לזרום ישירות דרך המודול.זה מבטל את הצלחת הקר ומפחית את נתיב ההתנגדות התרמית על ידי כמה פקודות של גודל.
(FLT:0) קירור חד-צדדי של צומת:1: במודולים עם מגע מתכת בצד העליון (למשל, אריזות IGBTs), קירור ניתן ליישם הן את החלק העליון והן התחתון של המוות.זה נעשה בדרך כלל באמצעות שני כיור חום או על ידי הדגמת המודול בין צלחות קרות חד-צדדיות יכול להכפיל את אזור ההעברה האפקטיבי כמעט ומאחורי הצומת חום-נפש.
ייצור הוגן עבור כיור חום מותאם אישית של חום טמפרטורות LT:1; 3D- מודפס מתכת כיור (באמצעות אבקת לייזר היתוך) מאפשר גיאמטריה לא אפשרי עם extrusion קונבנציונלי, כגון ערוצי קירור תואמים לעקוב אחר הצורה של המודול.זה יכול עוד להפחית התנגדות תרמי משקל.

כיוונים עתידיים ב-Thermal Durability

חומרים מתעוררים כמו גרפן ורומן מורכב מבטיח התנהגות תרמית גבוהה יותר ויציבות מכנית טובה יותר.בנוסף, חיישנים משולבים עבור ניטור טמפרטורה בזמן אמת יכול לייעל ניהול תרמי ולהרחיב את תוחלת החיים של מודולי חשמל.ההמשך לדחוף לקראת סלקציה, יותר ניתנות כוח, וסביבות הפעלה קשות (למשל, קידוח עמוק, חלל אווירי, ורכב תחת ניידות) ידרוש אפילו פתרונות יותר מתוחכם יותר.

(FLT:0Graphene וחומרים המבוססים על פחמן LT:1): Graphene יש מוליכות תרמית נמדדת מעל 5000 W / mK במטוס, מה שהופך אותו אידיאלי להתפשטות חום. בעוד שילוב בקנה מידה גדול נשאר מאתגר, גרפן ממלא במפרקים או כציפוי על כיור חום נחקר.
(FLT:0) substratesFreaLT:1 ; היהלום יש את מוליכות תרמית הגבוהה ביותר הידוע (1000-2000 W / mK) Diam SiC substrates (שכבה יהלום דק על סי) כבר מסחרית עבור כמה מכשירי חשמל RF. עבור מודולים כוח, מפיץ חום מבוסס יהלום יכול לאפשר הפעלה בטמפרטורות מעבר 250 מעלות צלזיוס עם התנגדות מינימלית.
(FLT:0 חיישנים משולבים ותאומים דיגיטליים FLT:1: חיישנים טמפרטורה Embedding (למשל, SiC Schotky diodes או פלטינה RTDs) ישירות לתוך הכוח למות או substrate מאפשר משקעים טמפרטורה מדויקת ללא צומת טמפרטורה מדויקת של NTC חיצוני. תאום דיגיטלי של המודול, מעודכן בזמן אמת על ידי חיישן נתונים, יכול לחזות חיים שימושיים וחיזוי תחזוקה חיזוי.
(FLT:0) אינטגרציה heterogeneous אינטגרציה FLT:1: שילוב מתגי כוח SiC, נהגים גבוהים שער ורכיבים פסיביים בחבילה אחת מפחיתה קישוריות בין לבין צלב תרמי.
(FLT:0) מתקדם מודלים ואופטימיזציה של AIFLT:1: מודלים של למידת מכונות מאומן על תוצאות FEA נאמנות גבוהה יכול לייעל במהירות את הגיאומטריה של כיור חום, ערוצי קירור, ופריסות תת-קרקעיות עבור התנגדות תרמית מינימלית ומשקל.זה מאיץ את מחזור העיצוב ומאפשר מבנים טופולוגיה-אופטימיים לעצב באופן ידני.
(FLT:0) טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר (FLT:1): כמו סיצי C מודולים לדחוף טמפרטורות צומת עד 200 מעלות צלזיוס ומעבר, ערימה מודול כולו חייב להיות reevaluated. New high-temperature Die-tach חומרים (למשל, חיבורי שלב נוזלי transient טווח, מסובבים כסף), מציצים עתירי זמן גבוהים (למשל, פולימרים עתיריים), ופולימרים עתיריים, פאסיביים), יהפכו לפולימרים פאסיביים), פאסיביים גבוהים).

הדרך קדימה דורשת שינוי פרדיגמטי מעיצוב מודול קונבנציונלי לשילוב של תחומים חשמליים, תרמיים ומכניים. תקנים ארגוניים כגון JEDEC, IEEE, SAE מפתחים באופן פעיל שיטות בדיקה חדשות עבור אופניים תרמיים קיצוניים, רכיבה על חשמל וחיי אחסון עתירי גבוה. שיתופי פעולה בין ספקים חומריים, בתי אריזה, משתמשים הקצה יאימו את אימוץ של פתרונות מתקדמים אלה.

מסקנה

תכנון עמידות תרמית חיוני לדור הבא של מודולי חשמל.שלב חומרים חדשניים, ניהול תרמי יעיל, ואריזות מתקדמות יובילו מערכות חשמל אמינות ויעילות יותר.מודול הכוח המוצלח של מחר ישלב מערכת ניהול תרמי חכמה, הסתגלותית צופה תנאי הפעלה ולהפחית מתח תרמי לפני שהוא גורם כשלון. על ידי השקעה בעיצוב תרמי קפדני וניצול של חומרים וסימולציות, מהנדסים יכולים ליצור כי לא רק על בסיס יישומים תעשייתיים, אלא גם על ידי השקעה תעשייתית, אלא גם על ידי השקעה.