IGBTモジュールの冷却方法

「ムーアの法則」は半導体産業の急速な発展を正確に予測していましたが、電子パッケージング技術と微細加工技術の急速な発展に伴い、トランジスタのサイズと集積度はますます物理的限界に近づいています。既存のリソグラフィ技術の精度には限界があり、リークや放熱などの問題が頻繁に発生することと相まって、ムーアの法則は今後、半導体産業の発展ペースを正確にリードできなくなる可能性があります。ますます顕著になっているが完全には解決されていない放熱の問題は、業界で広く注目されています。高度に統合された機械および電子デバイスの熱管理は、エレクトロニクス産業の継続的な発展、さらには機械製造および電子制御工学の分野全体のボトルネックとなっています。従来の空冷技術の熱放散能力は、高熱流電子機器の熱放散要件を満たすことができなくなりました。同時に、電子デバイスの種類と応用分野が多様化するにつれて、動作条件がより複雑になり、作業環境がより高度になるため、さまざまな動作条件下で効率的な熱放散を実現するために、対応する熱管理システムが必要になります。したがって、適切な冷却技術を選択し、さまざまな作業シナリオに適応するために安定性、信頼性、柔軟性を備えた熱管理システムを合理的に設計する方法は、高熱流冷却の分野で解決すべき主な問題の 1 つになっています。

IGBT は新しいタイプのパワー半導体自己ターンオフ デバイスであり、駆動電力が小さく、駆動回路が単純で、定常損失が少なく、入力インピーダンスが高く、短絡耐量が大きく、電流容量が大きいという利点があります。周波数変換器、トラクションドライブ、ACモーター、家電製品などの分野で広く使用されています。新世代の電子部品の代表です。IGBT の動作性能は温度に大きく影響されます。作業中は頻繁に断線するため、大量の熱が発生します。時間内に放散されないと、モジュールの内部温度が上昇し、その結果、半導体の物理定数とデバイスの内部パラメーターが変化します。これにより、オン電圧降下、スイッチオフ速度、オフ電圧ピーク、電流テーリング時間、損失などの性能指標が悪化し、最終的に IGBT モジュールが正常に動作しなくなり、寿命が短くなります。また、モジュール内の温度差が大きいと、熱ストレスにより熱暴走が発生し、モジュールの信頼性が低下します。したがって、IGBTモジュールの放熱問題は早急に解決する必要があります。空冷がモジュールの熱放散要件を満たすことができない場合、単相 水冷コールドプレート 現在の大電力IGBTモジュールの放熱システムでは、冷却方式が主流となっています。しかし近年、IGBTの小型化・高出力化が加速しています。モジュールの熱負荷の増加により、単相水冷コールドプレートは急速に増加する熱放散の需要に徐々に対応できなくなり、内部の循環水の強制的な対流熱伝達が起こります。 コールドプレート 不可避の低温均一性の問題があります。このため、多くの学者が流動沸騰熱伝達に注目し始めました。マイクロチャネル流沸騰熱伝達には、強力な熱伝達能力、高い熱伝達係数、優れた温度均一性、および作動流体の充填量が少ないという利点があります。IGBTの放熱に最適な放熱方法です。近年、マイクロマシニング技術の進歩とマイクロチャネルの処理コストの削減に伴い、マイクロチャネル内の流れ沸騰熱伝達には大きな発展の見通しがあります。

1. IGBTモジュールの構造と熱抵抗解析

現在市場に出回っている製品のほとんどはモジュラー IGBT 製品です。IGBT チップと FWD を特定の回路ブリッジを介してパッケージ化したモジュール型の半導体製品です。省エネ、便利な設置とメンテナンス、安定した放熱という特徴があります。パッケージ化された IGBT モジュールは、図 1 に示すように、主にチップ、銅回路層、絶縁セラミック層、銅層、および基板で構成されます。

銅回路層、絶縁セラミック層、銅層の3つの部分は、主に熱伝達、絶縁、熱応力緩和の役割を果たします。複数の IGBT チップを IGBT モジュール内にパッケージ化できます。モジュール内で複数の IGBT チップを並列に接続することにより、高い電流処理能力を実現できるため、アクティブ領域を増やしながら IGBT チップの歩留まりを低下させるという問題を回避できます。複数の IGBT チップを内蔵したパッケージ モジュールは、シングル チップ モジュールに比べて構造が複雑で、熱管理の要件が高くなります。IGBT モジュールは発熱量の大きいパワーデバイスであり、その性能は温度に大きく影響されます。実際の動作では、ジャンクション温度を適切な範囲内に制御して、正常な動作を保証する必要があります。動作温度が高すぎると、デバイスの半導体物理定数と内部パラメータが変化し、IGBT モジュールが正常に動作しなくなります。深刻な場合には、その作業寿命にも影響を与えます。一般的に、IGBT チップのジャンクション温度が 125 °C を超えると、性能が急激に低下し、IGBT も損傷します。さらに、内部チップ間の大きな温度差による IGBT モジュールの熱ストレスは、熱暴走を引き起こし、モジュールの信頼性を低下させる可能性があります。したがって、パッケージモジュールの熱管理は、各チップの温度が定格値を超えないようにするだけでなく、異なる位置でのチップの温度差にも特に注意を払う必要があります。

パワー半導体の自己ターンオフ デバイスとして、IGBT モジュールには導通作業とオン/オフ プロセスで一定の電力損失があり、これは通常オン状態損失とスイッチング損失と呼ばれます。オン状態の損失は通常、導通プロセス中の実効電圧と電流に依存しますが、スイッチング損失は主に IGBT デバイスのスイッチング特性とスイッチング周波数に依存します。オン損失とスイッチング損失の存在は、IGBT モジュールの発熱問題を引き起こす最も重要な要因です。同時に、加熱によるモジュール内部の温度変化もオン損失やスイッチング損失に影響し、モジュールの動作性能に影響を与えます。IGBT 内部の電力損失によって発生する熱の伝達経路は、そのパッケージ構成、つまり、チップ→チップはんだ層→銅回路層→セラミック層→銅層→システムはんだ層→基板→放熱器に関連しています。

2. IGBT Cウーリング T技術

現在、市場で広く使用されているIGBTの冷却方法には、空冷技術、ヒートパイプ冷却、および循環水冷却技術があります。IGBT で一般的に使用されている放熱技術と、IGBT の熱管理の分野で注目されている冷却技術の適用可能な熱流束範囲を図 2 にまとめました。

空冷技術は、空気対流熱伝達を使用して熱を除去し、熱放散の目的を達成します。これは、パッシブ自然対流空冷とアクティブ強制対流空冷に分けることができます。自然対流空冷は、主に異なる場所での空気の温度差によって引き起こされる密度差によるものです。発生した浮力が駆動力となり、周囲の空気が熱を逃がします。この冷却方式のラジエーターは構造がシンプルでメンテナンスも容易で、初期には広く使われていました。しかし、その熱伝達能力は低いため、低電力、低発熱量、および熱流束が 0.08 W/cm 2 を超えないデバイスの冷却にのみ使用できます。IGBTパワーデバイスの搭載やハイパワー化に伴い、冷却の需要は日々高まっています。放熱要件を満たし、熱交換効率を向上させるために、ファンまたはファンを IGBT デバイスに取り付けて、強制対流を促進します。強制対流空冷の熱抵抗は、自然対流空冷の1/5～1/15に低減でき、放熱能力が大幅に向上します。ただし、ファン/ファンおよびその他のデバイスの追加により、エアダクトを合理的に設計し、定期的なメンテナンスを実行する必要があり、システムの信頼性とデバイスの統合が低下し、動作中に比較的大きなノイズが伴います。手術。

空冷技術の冷却効率を向上させるために、通常、IGBTモジュールにラジエーターを取り付けて熱交換面積を増やします。一般的なラジエーターはフィン付きラジエーターです。空冷ラジエーターの放熱効率は、フィンの構造、サイズ、配置設計、ファンの位置と速度、および周囲温度の影響を受けます。多くの研究と最適化を経て、空冷式ヒートシンク、特に平行アルミニウム フィン ヒートシンクは、そのシンプルな設計と成熟した製造プロセスにより、現在の IGBT 冷却で最も一般的に使用されているヒートシンクです。しかし、空気比容積が小さく、熱伝導率が低いという問題があるため、強制対流空冷でも熱放散能力には限界があります。熱流束密度が高く、瞬間的な温度上昇が速い現在の IGBT 一体型モジュールの熱放散要件にうまく対応できません。さらに、温度の不均一性、騒音、システムの信頼性などの問題も、空冷技術のさらなる発展を大きく制限しています。

空冷ラジエーターの性能を最適化するために、その上にヒートパイプを追加するのが一般的です。IGBT の熱放散のためのヒート パイプ冷却技術は、空冷に基づいて最適化されており、その典型的なヒート パイプ ラジエーター構造を図 3 に示します。

ヒートパイプには、伝熱温度差が小さく、サイズが小さく、機械的なメンテナンスが不要であるという利点があります。一般的に、ヒートパイプは単独でラジエーターとして使用されるのではなく、通常は空冷ラジエーターのフィンに埋め込まれており、その効率的な相変化熱伝達を使用して、IGBT モジュール基板から空気にすばやく熱を伝達して達成します。放熱の目的。

強制対流空冷技術と比較して、ヒートパイプの導入により、ラジエーターの性能が大幅に向上します。ヒートパイプラジエーターは信頼性が高く、作動液漏れのリスクが低い。そのため、現在の IGBT 熱管理市場において一定のアプリケーション基盤があります。ただし、空冷式ラジエーターなどのほとんどのヒート パイプ ラジエーターは、より高い放熱効率を実現するために、外部ファン/ファンと連携する必要があります。ヒートパイプ放熱器の稼働効率は、ファンの種類や風速、周囲温度などにも影響され、定期的なメンテナンスや稼働時の騒音などの問題があります。さらに、ヒートパイプ構造を追加した後、ラジエーター全体のサイズが大きくなります。たとえば、フィンと組み合わせた円筒形のヒート パイプ ラジエータは、通常、大きなスペースでの放熱シナリオにのみ適しています。これは、IGBT モジュールのコンパクト化と統合の改善にはつながりません。

IGBT モジュールの電力密度が高くなり、空気チャネルの設計、信頼性、ノイズ指数などの条件が制限されると、空冷技術とヒート パイプ冷却技術を実装することは比較的困難になります。機器の動作と放熱の要件を十分に満たすことはできません。その結果、水冷技術が登場しました。水は熱伝導率が高く、比熱容量が大きく、汚染がほとんどありません。水冷ラジエーター（または水冷プレート）を使用すると、空冷式の放熱に比べて放熱効率が高く、体積が小さくなり、放熱システムのレイアウトが容易になります。大電力 IGBT モジュールの冷却システムに適しています。そのため、大容量IGBTモジュールの冷却システムは循環水冷却が主流となっています。循環水冷却ラジエータは、ラジエータとIGBTモジュール間の実装形態により、以下の2種類に分けられます。1 つは、IGBT モジュールと水冷プレートを 2 つの独立したコンポーネントとして組み合わせることによって形成される別体のヒートシンクです。コールド プレート内の水循環を使用して、IGBT モジュールの熱を奪います。別体の IGBT 水冷ラジエータは取り付けが簡単ですが、IGBT モジュールとコールド プレートの間の接触面で接触熱抵抗が発生します。さらに、IGBT の発熱が大きいほど、ヒートシンクの性能に対する接触熱抵抗の影響が大きくなります。したがって、実際のアプリケーションでは、接触面に熱伝導性シリコーングリースを塗布して接触熱抵抗を下げる必要があります。もう 1 つは、フィン付きの水冷プレート基板に IGBT を直接パッケージングする方法です。このヒートシンクは、基板とコールド プレート間の接触熱抵抗をなくし、より高い放熱性能を備えています。調査によると、このモジュールとヒートシンクの一体型の熱抵抗は、分離したヒートシンクの熱抵抗よりも 33% 低いことが示されています。しかし、このラジエーターは分解や組み立てが不便で、冷却液が内部のチップや回路基板に接触するリスクも高くなるため、冷却水の電気的絶縁に対する要件はより厳しくなっています。現在、IGBT における循環水冷却技術の適用は比較的成熟しており、学者は水冷システムと構造設計の最適化について多くの研究を行ってきました。

循環水冷却技術には多くの利点がありますが、低温均一性の問題は無視できません。特に IGBT チップの場合、IGBT チップのジャンクション温度が下がると電力変換効率が向上します。温度の均一性が低いと、異なる位置にある IGBT チップ間のジャンクション温度が異なり、各 IGBT チップの電力変換効率が異なり、結果として電力出力が異なります。これは、モジュールの動作と信頼性に非常に有害であり、深刻な場合には熱暴走を引き起こし、デバイスに損傷を与えることさえあります。増加する熱負荷に直面して、従来のコールドプレート循環水の単相冷却性能は、入口と出口の相対位置によって深刻な影響を受けます。出口付近では冷却性能が大幅に低下し、温度ムラが顕著になります。

この問題を軽減するために、従来の循環水単相冷却では通常、ポンプの仕事を大きくする方法が採用されていました。冷却システム内の水の質量流量を増やしますが、この方法では電力消費が増加し、効果は理想的ではありません。したがって、優れた放熱性能と良好な温度均一性を備えた新しい冷却技術の開発が急務です。

スプレー冷却技術は、非常に効率的な新しい液体冷却技術です。ノズルを使用して冷却液を微細な液滴のグループに霧化し、熱源の表面に激しく衝突させて、表面に冷却液の薄膜を形成します。液膜の流れ、蒸発、液膜内の気泡の形成、成長、脱離により、急速な放熱効果が得られます。スプレー冷却は、熱伝達能力が高く、伝熱面の温度均一性が高く、作動流体の需要が少なく、効果的な高熱流冷却方法です。1980 年代に噴霧冷却の概念が提唱されて以来、国内外の学者によって理論と実験に関する多くの研究が行われてきました。

多数の研究により、スプレー冷却技術は高い熱放散効率を持ち、高熱流熱放散の分野で良好な発展の見通しがあることが示されています。ただし、噴霧冷却プロセスの複雑さと多くの影響因子の相互作用により、数学モデルを解決することは困難であり、理論分析と実験研究の両方に大きな困難をもたらします。現在、噴霧冷却に関する研究は、主にモデル研究、数値シミュレーション、および実験研究の組み合わせを採用しています。これまでのところ、伝熱メカニズムと噴霧冷却の影響因子について明確な結論は得られていません。また、噴霧冷却装置の設計は、ノズルの構造、ノズルと表面との間の距離、傾斜角度、および噴霧流量を含めて困難である。多数のパラメーターのサポートが必要なため、ヒートシンクの設計とプロモーションに大きな課題が生じ、熱管理市場での拡張とアプリケーションが制限されます。

噴流衝突冷却とは、ノズルの圧力差により冷媒を熱源表面に高速で直接衝突させ、効率よく熱交換を行う冷却方式です。典型的な噴流衝突流場は、自由噴流領域、よどみ点領域、壁噴流領域の 3 つの領域に分けられます。その中で、よどみ点領域はジェット冷却の主な作用領域であり、流体はよどみ点領域で非常に薄い速度と温度の境界層を形成します。境界層の温度勾配、軸方向速度勾配、および圧力勾配は非常に大きいため、パラメーターが大幅に変化し、局所的な熱伝達係数が高くなります。

ジェット冷却の流れ場構造は複雑であるため、通常、理論的な解析だけでは、流れと熱伝達の特性に関する正確な定量的結論を得ることができません。現在、比較的正確な定量的結論を得るために、式の導出、数値シミュレーション、および実験的研究の組み合わせが一般的に使用されています。

単孔ジェットの衝突範囲が限られているため、熱源の表面に低い温度均一性が生じやすく、これは大面積の熱源には非常に不利です。この問題を解決するために、通常、複数のノズルを備えたジェット アレイが使用されます。図 4 は、装置の温度均一性を大幅に改善できる分散逆流ジェット アレイ デバイスです。

既存の研究結果は、ジェットアレイ冷却の熱放散能力が優れていることを示しています。特に局所的なホットスポットを減らし、大面積機器の全体的な温度均一性を高めます。しかし、噴霧冷却と同様に伝熱機構や流れ場特性が非常に複雑であり、設計が難しい。さらに、ジェット衝突冷却装置が長時間動作する場合、高速流体の衝撃力が IGBT モジュールの表面を破壊する可能性があり、ジェット衝突冷却技術の大規模な適用が制限されます。電子機器冷却業界。

3. 要約する

近年のIGBTモジュールの熱負荷の増加に伴い、空冷方式では急速に高まる放熱需要に徐々に対応できなくなってきています。それでも ヒートパイプ冷却 技術と循環水冷却技術は放熱能力を向上させましたが、将来の高熱流の分野では明らかな利点はありません。IGBT には、高度な熱管理技術が緊急に必要です。スプレー冷却技術とジェット衝突冷却技術は、高い放熱能力を実現できますが。しかし、その伝熱メカニズムは複雑であり、比較的統一された伝熱理論や伝熱法則はまだ得られていません。また、ノズルの設計が難しく、短期間での製品化は難しい。対照的に、マイクロチャネル冷却技術には、コンパクトな構造、強力な熱伝達能力、高い熱伝達係数、少ない作動流体チャージ、および良好な温度均一性という利点があります。ジェット冷却やスプレー冷却のラジエーターと比較して、マイクロチャネル ラジエーターはさらなる普及と応用を実現しやすく、電子デバイスの熱管理の分野で大きな発展の見込みがあります。