Rivoluzione del raffreddamento dei semiconduttori di potenza: la svolta tecnologica dei dissipatori di calore hardware ad alta temperatura e alta pressione
Sotto l'onda della neutralità del carbonio e dell'elettrificazione, i semiconduttori di potenza si stanno rapidamente evolvendo dai tradizionali IGBT a base di silicio al carburo di silicio e al nitruro di gallio. La temperatura della giunzione di lavoro è balzata da 125 ° C a 200 ° C o anche oltre e il flusso di calore è aumentato più volte. Ciò comporta sfide ingegneristiche senza precedenti e opportunità di innovazione per i dissipatori di calore hardware direttamente collegati ai moduli di potenza.
Il tradizionale dissipatore di calore in alluminio pressofuso espone tre principali carenze quando si affrontano i moduli SiC: bassa conduttività termica dovuta a grani grossi, punti caldi locali causati dal restringimento interno e affaticamento della saldatura causato dal disadattamento del coefficiente di espansione termica con il substrato SiC. Pertanto, il dissipatore di calore di fascia alta nel 2026 è stato completamente spostato sul percorso composito in alluminio forgiato a freddo e rame-alluminio. Il processo di forgiatura a freddo applica migliaia di tonnellate di pressione sulla billetta di alluminio al di sotto della temperatura di ricristallizzazione per raffinare il grano a meno di 5 μm e la conduttività termica è aumentata dal 15% al 20% rispetto alla pressofusione. Allo stesso tempo, il carico di snervamento è notevolmente migliorato, il che estende la vita del modulo di oltre tre volte sotto il ciclo di carico da -40 ° C a 175 ° C.
Il dissipatore di calore composito in rame-alluminio è diventato la prima scelta per i convertitori di potenza di bordo ad alta potenza. La sua struttura è solitamente: la piastra di base a contatto con il modulo di potenza è realizzata in rame privo di ossigeno, che utilizza la sua altissima conducibilità termica di 400 W / m · K per disperdere rapidamente il calore lateralmente; l'aletta superiore è realizzata in lega di alluminio per ridurre peso e costi. La tecnologia di incollaggio tra rame e alluminio ha subito un salto dall'incollaggio in resina epossidica alla brasatura sotto vuoto ad alta temperatura. L'ultimo processo di brasatura a base di nichel può formare uno strato composto intermetallico rame-alluminio a 880 ° C, con una resistenza superiore a 80 MPa e una resistenza termica fino a 0,02 K · cm ² / W, raggiungendo quasi un incollaggio metallurgico. Alcuni progetti all'avanguardia hanno persino provato la saldatura esplosiva, che direttamente attraversa l'alluminio e l'alluminio. Lo spessore dell'interfaccia è solo su scala nanometrica e la resistenza termica si sta avvicinando al limite teorico.
Oltre al materiale e alla struttura, sta cambiando anche l'aspetto macroscopico del dissipatore di calore. Per adattarsi al modulo SiC di raffreddamento su entrambi i lati, il dissipatore di calore non è più solo una piastra piatta su un lato con alette, ma si è evoluto in un elemento di canale di flusso tridimensionale su due lati con scanalature e bosse lavorate con precisione. Queste scanalature sono incorporate con contatti a molla che contattano direttamente la superficie superiore del chip SiC e la superficie posteriore trasporta il calore attraverso il substrato raffreddato a liquido, formando un percorso di gestione termica tridimensionale di "dissipazione del calore su entrambi i lati + raffreddamento del liquido". Questo design riduce la resistenza termica totale dal chip al liquido di raffreddamento a un quinto di quella dei tradizionali dissipatori di calore in alluminio su un lato.
Il trattamento superficiale è anche rilevante per l'affidabilità a lungo termine del modulo di potenza. Quando il modulo di potenza funziona, la tensione può raggiungere più di 1200V. Se il dissipatore di calore ha sbavature o spigoli vivi, è facile causare la scarica a corona. Pertanto, il dissipatore di calore per applicazioni ad alta tensione adotta gradualmente la sbavatura chimica e la lucidatura elettrochimica, in modo che il valore di rugosità superficiale Ra sia ridotto a meno di 0,2 μm. Allo stesso tempo, alcuni modelli di dissipatori di calore richiedono una resistenza alla pressione di isolamento superiore a 2500V, il che ha portato alla tecnologia di sinterizzazione integrata di guarnizioni isolanti in ceramica ad alta conducibilità termica e dissipatori di calore, riducendo il numero di interfacce termiche da tre strati a uno strato, che non solo migliora la resistenza alla tensione ma riduce anche la resistenza termica.
La metamorfosi dei dissipatori di calore metallici nel campo dei semiconduttori di potenza mostra che è stato trasformato da un semplice trasportatore di calore a un componente strutturale centrale che influisce sulle prestazioni elettriche e sulla durata dei moduli di potenza. Per i produttori di dissipatori di calore, la profondità della conoscenza della metallurgia dei materiali, dello stampaggio di precisione e della fisica delle interfacce determinerà se possono occupare un posto nell'ondata della trasmissione elettrica automobilistica e delle infrastrutture energetiche.
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