車載用両面放熱IGBTモジュールの熱試験方法に関する研究

車載用両面放熱IGBTモジュールの熱試験方法に関する研究

従来の片面冷却 (SSC) パワー モジュールと比較して、両面冷却 (DSC) モジュールはより強力な放熱機能と低い寄生パラメータを備えています。車載モーターコントローラーの効率、電力密度、信頼性をさらに向上させるために、電気自動車への両面冷却パワーモジュールの適用がますます注目を集めています。トヨタ (デンソー)、GM (デルファイ)、テスラ (ST) などのメーカーによる両面冷却車載 IGBT デバイスの大量適用の成功により、両面冷却 IGBT モジュールに対する市場の需要が急増しています。

両面放熱パワーモジュールは、複数の熱伝達チャネルを備えた高度な三次元パッケージング構造を採用しています。既存の熱抵抗試験方法では、依然として単一チャネル熱伝達の熱抵抗試験方法が使用されています。従来の片面冷却 IGBT モジュールとは異なり、両面冷却車載 IGBT モジュールは、表側と裏側の両方に同時に熱を伝導します。放熱方法はプレスフィット IGBT モジュールと同様です。パッケージ構造の違いにより、内部の放熱経路や熱抵抗が大きく異なるため、評価方法を再検討する必要があります。両面放熱用のシリーズ製品を発売しているのは、インフィニオンなどの少数の大手メーカーだけです。

熱試験プロトコル

IGBT ジャンクション温度のテスト方法には、主に熱パラメータ、有限要素シミュレーション、センサーの校正、赤外線スキャンなどが含まれます。両面冷却 IGBT モジュールの構造特性により、非常に高い接触熱抵抗が必要となります。ただし、X モジュールの独自のプロセスによって生じるキャンバーの問題により、放熱面とヒートシンク間の直接的な圧着効果が低下します。ダブルインターフェース法テストの前提は、チップのジャンクションとケースの放熱経路が 2 つのインターフェース条件下で一貫していることを確認することです。直接圧入するとシリコーングリース界面の軌跡と一致せず、構造機能曲線の前部が一致しなくなり、正確な熱抵抗試験ができなくなります。したがって、従来のダブルインターフェース法は、両面放熱を備えた車載用 IGBT モジュールの熱試験には適していません。 2 つのインターフェースの放熱経路の一貫性を確保するには、直接圧着ではなく新しいインターフェース材料を開発する必要があります。

上記の問題を解決するために、本論文はデュアルインターフェース放熱構造の熱試験方法を革新的に提案する。従来の二重界面法を最適化するために、2 つの異なる熱界面材料 A と B が構造関数曲線を分離します。両面界面材料の両面結合熱抵抗の試験方法を図1に示し、手順は次のとおりです。

モジュールの一次および二次冷却面は、ヒートシンクに圧入されたサーマル インターフェイス マテリアル A および B で覆われています。ラジエーターに水を通し続け、熱抵抗テストが開始され、構造関数曲線 1-1 1-2 が得られます。

2 つの構造関数曲線の重なり合う部分は、モジュールの両面ジャンクション ケース熱抵抗です。

両面冷却車載 IGBT 製品の金属表面構造は熱のみを伝導し、電気は伝導しません。その熱放散経路は、異なる電力および熱抵抗パラメータを備えた 2 つのデバイスが、同時に背中合わせで 2 つの表面に熱を放出するものとして理解できます。車載製品の両面放熱と片面放熱を実現しようとする限り、IGBTモジュールの一次放熱面と二次放熱面の構造関数曲線は理論的に測定可能です。両面熱伝導のカップリング効果を解消する方法は、片面熱伝導を実現することです。両面界面材料の片面熱抵抗の試験方法を図2に示し、具体的な手順は以下のとおりです。

1) モジュールの主放熱面を断熱材で覆い、二次放熱面を界面材A、Bを介して放熱器に圧入します。放熱器に水を流し続けて放熱し、二次放熱面の構造関数曲線を測定します2-1、2-2。

2) モジュールの二次放熱面を断熱材で覆い、一次放熱面を界面材 A、B を介して放熱器に圧入します。放熱器に水を流し続けて放熱し、一次放熱面の構造関数曲線を測定します 3-1、3-2。

ジャンクションからケースへの熱伝導経路は、片側の 2 つの測定で同一であり、ケースからシンクへの熱抵抗のみが異なります。したがって、2 つの構造関数曲線はモジュールの冷却面で分離され、重なっている部分が対応するジャンクション ケースの熱抵抗となります。関連する片面ジャンクションからケース間の熱抵抗は、上記の方法で取得できます。

Xモジュールの構造特性や発熱特性を起点とした構造設計、シミュレーション解析、最適化により、熱交換効率の高いラジエター設計を実現します。装置の最大加熱能力の条件下では、上下冷却面の温度差は1℃以内、入口水と出口水の温度差は2℃以内です。 X モジュール熱試験治具の全体的な設計を図 3 に示します。

材料の選択

デュアルインターフェース材料の熱試験計画に従って、IGBTモジュールの両面および片面の熱インピーダンス試験を実現するには、インターフェースとして適切な熱伝導率および断熱材料を選択する必要があります。さまざまな材料の物理的および化学的特性を考慮して、X モジュールの熱抵抗テスト用のサーマル インターフェース材料として、放熱グラファイト フィルムと熱伝導性シリコーン グリースを選択することにしました。

柔軟なエアテルとポリウレタン PU 接着剤は、X モジュール熱試験の断熱界面材料の候補として選別されました。 2 つの材料の実際の断熱性能を検証するために、2 つの材料をそれぞれ二次放熱面の断熱に使用します。メイン放熱面の熱抵抗比較試験には、熱伝導材料の均質グラファイトフィルムを使用しています。

比較結果は、ポリウレタン PU 接着剤の断熱条件下で測定された接合リングの熱抵抗と最高接合温度が、エアロゲルのものよりも低いことを示しています。これは、同じ押し付けトルクの下で、Airtel の断熱能力がポリウレタン PU 接着剤の断熱能力よりも優れていることを示しています。したがって、熱試験の断熱材としてエアテルが選択されました。

熱試験と結果分析

圧入力比較試験条件は、X モジュールのジャンクション ケース熱抵抗に対する圧入トルクの影響を研究するために設計されました。圧入トルクが増加すると、X モジュール IGBT および FRD のデバイスのジャンクション リング間の熱抵抗が減少します。ただし、ジャンクションとケースの熱抵抗テストでは大きな変化は見られませんでした。これは、両面放熱 IGBT モジュールの場合、異なる圧入トルクはデバイスとヒートシンク間の接触熱抵抗にのみ影響し、ジャンクションケース熱抵抗のテストには影響を及ぼさないことを示しています。

X モジュールの熱シミュレーション モデルを図 4 に示します。

両面界面材料法により、Xモジュールの一次放熱面と二次放熱面の片面熱抵抗試験を実施します。試験結果は、この方法で測定された上部チューブと下部チューブの片面熱抵抗が良好な一貫性を持っていることを示しています。

IGBTとFRDの両面熱抵抗の実測値とシミュレーション値の誤差は±5%以内です。一次放熱面の熱抵抗の推定値と偽値の乖離は±10%以内です。二次冷却面の熱抵抗の測定値はシミュレーション値から約 70% ずれています。

絶対的な断熱材がないため、両面冷却モジュールの熱結合効果を排除することはできません。二次放熱面の断熱状態は、熱の大部分が断熱材なしで一次放熱面を通過して理想的な片面放熱を形成し、試験値の偏差はわずかです。一次放熱面が断熱状態の場合、一部の熱は断熱材を含む一次放熱面を通って流れるため、カップリング効果は比較的大きくなります。これにより、テスト値とシミュレーション値の間に大きな偏差が生じます。

二次放熱面の熱試験における熱結合効果については、測定した一次放熱面と両面の熱抵抗を基に二次放熱面の熱抵抗を反転することで結合効果を除去する補正方法となります。補正結果の誤差は25%以内に抑えられます。

X モジュールに対して圧入試験と熱抵抗試験を繰り返し実施し、両面放熱車載 IGBT モジュールの熱試験方法の再現性を検証しました。結果は、5 つのテスト結果の偏差が ±2% 以内であることを示し、熱テスト方法が良好な再現性と一般化性を備えていることを示しています。

結論

熱試験ツールの設計,界面材料の選択,および圧入方法の比較研究に基づいて,両面放熱車載IGBTモジュールに適したデュアル放熱界面材料の熱試験方法を提案した。この方法では、両面および片面のジャンクションケース熱抵抗試験を実現できます。両面放熱車載 IGBT モジュールの場合、特定の範囲内の異なる圧入トルクは、ジャンクション ケースの熱抵抗のテストに影響を与えません。 IGBTとFRDの両面熱抵抗試験法による測定値とシミュレーション値の誤差は±5%以内です。片面熱抵抗の実測値とシミュレーション値の偏差は±10%以内です。車載用両面放熱IGBTの熱抵抗試験を正確に実現でき、結果は参考値です。両面放熱モジュールの熱結合効果を排除することはできず、測定およびシミュレーションされた片面の熱抵抗は小さくなります。一次放熱面と両面の測定熱抵抗に基づいて二次放熱面の熱抵抗を反転することで、カップリング効果を低減し、試験結果を補正することができます。熱試験方法は再現性と汎用性が優れています。