Güç elektronikleri önceden devam etmeye devam ettikçe, daha verimli ve güvenilir güç modülleri için talep önemli ölçüde arttı. Bu alanda kritik zorluklardan biri, ısıtma ve cihaz ömrünü uzatmak için ısıtılması için ısıtılması için ısıtılması için ısıtılması, ısı yönetimi stratejilerinin ve yenilikçi paketleme tekniklerinin bir kombinasyonunu içerir, ancak daha düşük ısı geçişi için geçiş sadece daha düşük ısıtılması gerekir.

Power Modüllerdeki Termal Zorlukları Anlamak

Güç modülleri operasyon sırasında önemli ısı yaratır, bu ısıtılmayan ısı stresi ve olaysal başarısızlığı doğru şekilde idare edemez. Yüksek sıcaklıklar malzeme bozulmasına neden olabilir, ortak yorgunluka neden olabilir ve elektrik performansı azaltır. Bu nedenle, bu termal zorlukları anlamak, kalıcı güç modülleri geliştirmek için önemlidir.

Heat Generation Kaynakları

  • [FONT:0) İndüksiyon kayıpları[Döneticiler içinde]: Bunlar, yarı iletkenlerin (R[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ) [DÜDÜDÜDÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
  • [FONT:0) Operasyon sırasındaki kayıpların : Her dönüş ve dönüş geçiş, son derece geçiş sırasında gerilim ve mevcut dengenin örtüşmesi nedeniyle enerjilerini dağıtır. Sert geçiş topolojileri, motor sürücüleri ve dönüştürücüler içinde ortak, frekans ile artışı sağlayan önemli geçiş kayıpları üretir.
  • [FONT:0) Mevcut ve parasitik etkiler[Dönetici:0) diyotlarda geri dönme kayıpları, kapı-kullanıcı kayıpları ve stray kapasitance deşarjı.Dışlama ve geçiş kayıplarından daha küçükken, genel sıcaklık artışına katkıda bulunur ve yüksek sıcaklıklarda eğimli artışlar üst üste sabitlenirler.

Bu ısı kaynaklarının kombinasyonu, yük, geçiş frekansı ve ortam koşulları ile değişen karmaşık bir termal profil yaratır.Sonlu uygulama analizi (FEA) veya hesaplama sıvı dinamikleri (CFD) artık sıcaklık dağıtımlarını tahmin etmek ve fiziksel prototiplemeden önce noktaları tanımlamak için standarttır.

Termal Stresin Etkisi

Aşırı ısı, malzemelerin genişlemesine ve sözleşmelerine neden olabilir, mekanik strese yol açabilir. Zamanla, bu stres çatlaklara, delaminasyona veya satılan ortak başarısızlıklara neden olabilir, güç modülünün bütünlüğünün güçlendirilmesine yol açabilir. birincil başarısızlık mekanizmaları ısı stresi içerir:

  • [CTE) Isı Genişleme (CTE) yanlış bir eşleme[CÜT:1): Silikon, farklı oranlarda yaklaşık 2.6 ppm /°C'ye sahiptir, o kadar yaygın substratlar bir ışık gibi genişletilir (Al2O3), çatlakları 6-7 ppm /°C'ye kadar yükselterek ve satılan ortaklar 16-18 ppm/°C'ye kadar değişir.
  • [FONT:0) Solder eklem yorgunluk[[DÜT:1): SnAgCu (SAC) gibi kurşunsuz satılanlar genellikle ölü veya montaj modülleri takmak için kullanılır.
  • [FONT:0]Bond-wire asansörü [Döntme: alüminyum veya bakır bağlantı çip terminalleri CTE'den gelen stres, silikon ile karşılaştırıldığında CTE'den gelen stres, tel heel çatlaklara veya asansöre neden olur, IGBT modüllerinde büyük bir başarısızlık modu.
  • [FONT:0]Stair delamination[[DD) veya aktif metal brazed (AMB) substratlar, seramik-copper arayüzü ciddi termal şoklar altında, özellikle de üretim kusurları varsa.
  • [FONT:0) Yüksek sıcaklık malzeme bozulması [Dönem: 200 °C'nin üzerinde, birçok organik malzeme (encapsulants, kalıplanmış bileşikler, termal yağlar) mekanik güç, dışgaz veya karbonat. Bu hızlar başarısız olur.

AEC-Q101 gibi Kazanılan Derece Standartları Otomotiv yarı iletkenleri ve JEDEC JESD22-A104 termal bisiklet için test koşulları, bu testleri yıllarca alan operasyonu simüle eden test koşullarını sağlar.Bu testleri, endüstriyel veya otomotiv piyasaları için planlanan herhangi bir güç modülü için ön şart.

Geliştirilmiş Termal Durability için Tasarım Stratejileri

Termal zorluklara hitap etmek, dikkatli malzeme seçimi, sağlam termal yönetim teknikleri ve yenilikçi paketleme mimarisine entegre eden bütün bir yaklaşım gerektirir. Aşağıdaki alt bölümler her yönü detay.

Malzeme Seçimi

Yüksek ısı iletkenliği ve yüksek sıcaklıklarda stabilite ile malzeme seçmek önemlidir. Ortak malzemeler, yarı iletkenler için ısı yayılması, silikon ışıması veya galium nitride ve substratlar için gelişmiş seramikler. Modern bir güç modülünün malzeme yığını CTE'yi mümkün olduğunca yakından eşleştirmek için elektrik direncini en aza indirmek için mühendisi tarafından yapılır.

  • [FONT:0]Semiconductor malzemeler[Dönetici: Silikon IGBTs ve MOSFETs hala hükmediyor, SiC ve GaN hızla yüksek gerilim ve yüksek frekanslı uygulamalar için pazar payı kazanıyor. SiC, daha düşük ısı geçişi için ısı iletkenliği (~1.5 W /cm·K) içeriyor, ancak düşük ısı geçişi için üç kat daha iyi çalışır.
  • [FONT=0]Dieattach malzemeleri[Dönetici: Geleneksel öncül satıcılar yüksek sıcaklıklı satılanlar tarafından değiştirilir (örneğin, Au80Sn20, s°C) veya gümüş sintering salaklar, SiwindC modülleri için tercih edilen bir ısı iletkenliği olan bir göz ardı edilir.
  • [FONT:0)Substrate malzemeler[DÜDÜT:1): Alumina (Al2O3) DBC maliyet etkin ama yüksek derecede ısı iletkenliği (~25 W/m·K) ve CTE yaklaşık 7 ppm / °C. Silikon nitrit (Si3N4) substratlar daha yüksek ısı değiştiricisi (≥90 W/m·K) ve mükemmel kırıklık için onları ideal hale getirir.
  • [FONT=0)Basefact ve ısı yayıcıları [DÜT:1): Bakır yüksek termal iletkenliği nedeniyle standart temel plaka malzemesidir (~400 W/m·K). Ancak, yüksek CTE (16.8 ppm/°C) iyi ısı iletkenliği sağlarken, bakır-molybdenum (CuMo) veya bakır-kırıklık bileşikleri daha iyi eşleştirmek için CTE'ye (örneğin, 8-12 ppm/°C) daha hafiftir.
  • [FONT:0] ⁇ arabirim materyalleri (TIMs))[TIMs)[Dönetici: Isı lavabosu, büyük bir termal şişenck. Geleneksel termal yağlar, yağ pompalar olarak ısındıktan sonra bozulmalar.
  • [FONT:0)Encapsulants ve söndürücü bileşikler): Bu, nem ve kirlenmeye karşı modülü korur. Yüksek sıcaklık silikonları (örneğin, silikon jelleri) 250°C'ye kadar esneklik sağlarken, epoxy- bazlı bileşikler daha iyi mekanik güç sunar, ancak sağ enkapsulanı, bağın dielektrik bütünlüğünü korumak ve kabloların korozyonunu önlemek için kritiktir.

Termal Yönetim Teknikleri

Etkili termal yönetim, ikinci ısı dayanıklılıktır. Hedef, yarı iletkenden ısı çıkarmak, modül yığını aracılığıyla ve minimum sıcaklık artışı ile dış soğutma ortamına girmektir. Strategies aralığı pasif yaklaşımlar (ısıkır lavabolar, yayarlar) aktif sıvı soğutma için.

  • [FONT:0]Heat aktif soğutma için batıyor ve hayranlar : Düşük enerjili modüller için, zorla hava konveksiyonu ile birlikte eklenmiş alüminyum ısı parçaları, en yaygın çözümdür. Fins basınç düşüşü ve gürültü için optimize edilmiştir.
  • [FONT:0)Heat yayıcılar ve termal arayüz malzemeleri (TIMs)[Dönemli: ısı batağına ulaşmadan önce, daha sonra yüksek ısı iletkenliği (daha sonra) ve neredeyse tüm modüller içinde yer alır.
  • Liquid soğutma sistemleri yüksek güç uygulamaları için: Doğrudan sıvı soğutma, 50 W /cm2'yi aşan kanallarla soğuk bir plaka kullanır.
  • [FONT:0) Yüzeyde ısınmış ısı battı [DÜT:1]: Bazı gelişmiş paketlerde, fins integral olarak bakır temel plakaya ya da DBC substratının arka tarafına kadar makineli.Bu, TIM tabakasının tamamen ısı direncini önemli ölçüde azaltmaktadır.
  • [FONT=0]İki fazlı immersion soğutma[Dönetici:) Çok yoğun güç elektronik sistemler (örneğin, elektrikli araç çekişleri), modül yüzeyinde kaynar olan bir dielektrik sıvısı, mükemmel ısı transfer ve üniforma sıcaklığı sağlarken, yine de niş, 100 W /cm2'nin ötesinde ısınıcı stresle başa çıkmak için söz verir.
  • [FONT:0)Aktif ısı kontrolü[[[Dönetici:0)Aktif ısı kontrolü[Döneticileri, tüm sıcaklık sensörleri (diodlar, thermistors veya kızılötesi) kontrol kontrol edilebilir frekans, kapı sürücüyü ayarlamak veya yükleme işlemini güvenli ısı sınırları içinde tutmak için.Bu deing tekniği aşırı yükleme koşulları sırasında felaket başarısızlıkları önlemek için.

Yenilikçi Ambalaj Çözümleri Çözümleri Çözümleri

Kalıcı soğutma kanalları, flip-çip konfigürasyonları ve 3D yığınlama gibi gelişmiş paketleme teknikleri ısı dağılımını artırmak için ısı direnci azaltır ve genel dayanıklılığı ısı yolunu kısa sürede artırır ve CTE'yi daha etkili bir şekilde eşleştirir.

  • [FONT:0]Flip-çip ve gömülü ölüler : Bağ telleri yerine, ölüler yüksek gerilim uygulamaları için doğrudan üretimde geri döndü ve satılan substratlara geri döndü.Bu parasitic inductance azaltır ve mevcut kullanımları azaltır ve hem de ölülerin üst hem de alt kısmından bir ısı yolu sağlar. Flip-çip SiC MOSFET modülleri zaten yüksek gerilim uygulamaları için üretimde satılmaktadır.
  • [FONT:0) CEVAP: 0 (EPD) [CFOD) [DÜDÜDÜSTR:0) CEVAP: CEVAP: 0,2. Bu, alüminyum ve bakır kullanarak baskılı bir devre kuruluna doğrudan monte edilir ve mikro kanal soğutmayı doğrudan aşağıdan sağlar. EPD paketleri son derece düşük ısı direncine ulaşabilir ve otomotiv güç modülleri için uygundur.
  • [FONT:0]3D ambalaj ve çok katmanlı substratlar [DÜT:1]: Üst ölülerden birden fazla kişi (örneğin, SiC MOSFET, bir Si diyotun üst kısmında) ayak izi azaltır ve ortak bir ısı yayılabilir. Ancak, ısı yönetimi daha karmaşık hale gelir çünkü üst ölüden ısınmalıdır.
  • [FONT:0]Köpektif soğutma kanallarında [DÜDÜT:1): Mikro kanallar seramik veya baz plaka malzemesine doğru akış sağlar, bu soğuk plakayı ortadan kaldırır ve birkaç derecelik siparişiyle ısıtılır. Birkaç otomotiv OEM'leri bir sonraki nesil çekiş dönüştürücüler için mono-ya da makineli entegre soğutma kanallarını değerlendirir.
  • [FONT:0]Çift taraflı soğutma): Üst üst düzey metal temas (örneğin, basın paketi IGBTs), soğutma hem de en üst ve alttakilere uygulanabilir. Bu genellikle iki ısı lavabosu veya soğuma soğuma ile modülleri ısı transfer alanı ve neredeyse yarı yarıya katlayabilir.
  • [FONT:0) Özel ısı bataklığı için ekleyici üretim[D-printed metal ısı lavaboları (enerji tozu yatak füzyonu), geometrilerin modül şeklini takip eden konfor kanallarını mümkün kılmalarına izin verir.

Future Path in Thermal Durability

Grafikene ve yeni kompozitler gibi malzemeler daha yüksek termal iletkenliklere ve daha iyi mekanik stabilite vaat ediyor. Ek olarak, gerçek zamanlı sıcaklık izleme için entegre sensörler termal yönetimi optimize edebilir ve güç modüllerinin ömrünü uzatacaktır.

  • [FONT:0]Graphene ve karbon bazlı malzemeler[Dönetici: Graphene 5000 W /m·K'nın üzerinde ısı yayılması için ideal bir performans gösterir. Büyük ölçekli entegrasyon, optik olarak dolgular veya ısı bataklığı üzerinde bir kaplama olarak incelenir.
  • [FONT:0]Diamond bazlı substratlar [Dönetici: Elmas, en yüksek bilinen termal iletkenliği (1000-2000 W/m·K) Diam SiC substratları (S SiC'de ince elmas tabakası) zaten bazı RF güç cihazları için ticaridir.
  • [FONT:0)Integrated sensörler ve dijital ikizler[DÜT:1): Sensör verileri tarafından gerçek zamanlı olarak güncellenen, SiCottky diyotlar veya platin RTDs) doğrudan güç ölü veya substratına doğru, dış NTC'lerin termal geri dönüş olmadan doğru bir kavim sıcaklığı tahminine izin verir.
  • [FONT:0]Heterogeneous entegrasyon[Dönetici: SiC güç anahtarlarını, yüksek gerilim kapı sürücülerini ve tek bir paketteki pasif bileşenleri birbirine bağlar ve termal haçtalk azaltır. Chip-on-sub-on-substrate yaklaşımları, birden fazla ölü boyutlardaki termal genişleme yanlışlarını yönetmek için rafine edilir.
  • [FONT=0) İleri düzey modelleme ve AI optimizasyonu[[Dönetici: Yüksek sadakat üzerinde eğitilmiş makine öğrenme modelleri, ısı batağı geometrisini hızlı bir şekilde optimize edebilir, soğutma kanalları ve minimum termal direnç ve ağırlık için substrat düzeni sağlar.Bu, tasarım döngüsünü hızlandırır ve tasarıma pratik olmayan yapılara olanak sağlar.
  • [FONT:0) Yüksek işletim sıcaklıkları[[Dönetici: 1): SiC güç modülleri, 200 °C ve ötesinde, tüm modül yığını yeniden değerlendirilmelidir. Yeni yüksek sıcaklık ölümleri (örneğin, geçici sıvı faz bağı, gümüş-copper kompozitler), yüksek sıcaklık enkapları (örneğin, poliimitler, sıvı polimerler), ve yüksek sıcaklık-sıcaklar gerekli hale gelecektir.

Yol ileriye dönük olarak geleneksel modül tasarımından elektrik, termal ve mekanik alanların bir araya gelmesi için bir paradigma değişikliği gerektirir.JEDEC, IEEE ve SAE gibi standart kuruluşlar, aşırı termal bisiklet, güç bisiklet ve yüksek sıcaklık depolama yaşamı için aktif olarak yeni test yöntemleri geliştiriyorlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sıcaklık dayanıklılığı için tasarım, bir sonraki güç modüllerini oluşturmak için önemlidir. Yenilikçi malzemeler, etkili termal yönetim ve gelişmiş ambalajlar, yalnızca endüstriyel, otomotiv ve havacılık uygulamaları ile tanışmayan mühendislerden daha güvenilir ve verimli bir enerji elektronik sistemlere yol açacaktır.