Kapalinové chladicí desky pro IGBT moduly

1. Co je to IGBT modul?

V elektromobilech, výrobě energie z obnovitelných zdrojů, železniční dopravě a průmyslové automatizaci se IGBT moduly vyvíjejí směrem k vyšší hustotě výkonu, menším rozměrům a vyšším teplotám spojů. S rostoucí hustotou výkonu čipů se však dostupný chladicí prostor rychle zmenšuje. Studie ukazují, že tepelné problémy způsobují více než 50 % poruch integrovaných obvodů; u výkonové elektroniky je přibližně 55 % poruch IGBT teplotně souvisejících. Tradiční vzduchové chlazení má omezený koeficient přenosu tepla konvekcí (v nejlepším případě přibližně 37 W/cm²) a objemný objem, takže je nedostatečné pro výkonové moduly nové generace. Technologie kapalinového chlazení se stala klíčovým řešením pro tepelný management vysoce výkonných čipů.

2. tepelné problémy IGBT tranzistorů a omezení tradičního chlazení

IGBT modul generuje značné množství tepla. Pro 100kw střídač s účinností 98 % musí systém tepelného managementu odvést asi 2 kW tepla. Rozložení tepla navíc není rovnoměrné; lokální horká místa na povrchu čipu mohou být mnohem teplejší než průměrná teplota a tato horká místa omezují dynamický výkon a životnost.

Teplota silně koreluje s poruchou IGBT tranzistorů. Statistická studie poruch větrných turbín ve 23 zemích v letech 2003 až 2017 ukázala, že porucha IGBT modulů představovala 22 % neplánovaných prostojů měničů – jedné z komponentů s nejvyšším rizikem poruch ve větrných systémech. Časté zrychlování/zpomalování ve vozidlech způsobuje silné cyklické výkyvy výkonu a teploty, což vede k únavě spojovacích vodičů, delaminaci pájky a dalším poruchám způsobeným tepelnou únavou. Tepelný únik může způsobit ztrátu výkonu v elektrických vozidlech, což představuje vážné bezpečnostní riziko.

Z hlediska tepelného odporu je odvod tepla IGBT problémem vícevrstvého sériového tepelného odporu. Tepelný odpor rozhraní tvoří více než 60 % celkového odporu, což z něj činí klíčové úzké místo. V rámci odporu mezi spojem a pouzdrem je dominantním přispěvatelem keramický substrát DBC (přímo spojená měď) (přes 75 %). Tradiční vzduchové chlazení trpí třemi hlavními omezeními: nízkým koeficientem přestupu tepla, špatnou schopností eliminovat lokální horká místa a velkým objemem systému, což je v rozporu s miniaturizací systému.

3. jak tekuté chladicí desky práce a jejich klasifikace

Kapalinová chladicí deska (nazývaná také chladicí deska, kapalinová chladicí deska nebo vodní chladicí deska) využívá k odvodu tepla nucenou kapalinovou konvekci. Princip fungování je jednoduchý: teplo z IGBT modulu se přenáší přes tepelné rozhraní k základně chladicí desky a poté je odváděno chladivem proudícím vnitřními kanály; ohřáté chladivo cirkuluje do tepelného výměníku, ochlazuje se a vrací se zpět.

Na základě výrobních procesů a konstrukčních forem se dnes ve strojírenství používají čtyři hlavní typy IGBT za studena.

3.1 tradiční tekuté chladicí desky

Tradiční konstrukce zahrnují vrtané, montované, svařované a trubkové typy. Tyto typy se vyznačují jednodušším zpracováním, nižšími náklady a jsou vhodné pro IGBT moduly s nízkou až střední hustotou výkonu. Mezi nimi trubková studená deska (nebo trubková kapalinová studená deska) zahrnuje zapuštěné měděné nebo nerezové trubky do drážek hliníkové základní desky, upevněné pájením nebo epoxidem. Nabízí lepší tepelný výkon a životnost než základní vrtané desky.

3.2 trubkové kapalinové chladicí desky

Trubkové kapalinové chladicí desky (nazývané také vodou chlazené chladicí desky nebo trubkové chladicí desky) používají jako chladicí kanály měděné nebo nerezové trubky, zapuštěné do hliníkové základní desky a upevněné tepelným lepidlem nebo pájením. Mezi jejich výhody patří jednoduchá výroba, nízké náklady a flexibilní uspořádání trubek (např. hadovité nebo ve tvaru U), které se přizpůsobí rozložení tepla IGBT tranzistorů. Jsou vhodné pro střední hustotu výkonu, cenově dostupné průmyslové pohony a solární invertory. Typický průměr trubek je 6–12 mm a provozní tlak je obvykle pod 0,5 MPa.

3.3 FSW tekuté chladicí desky

Kapalinové studené desky FSW (třecí svařování s mícháním) využívají rotující míchací kolík k vytváření třecího tepla, plastifikaci materiálu a vytvoření pevného svaru mezi krytem a drážkovanou základní deskou. Tento proces neprodukuje žádnou pórovitost, žádné trhliny ani žádný přídavný materiál, což má za následek vysokou pevnost svaru, vynikající utěsnění a žádnou deformaci průtokového kanálu. Studené desky FSW jsou ideální pro trakční střídače elektrických vozidel a měniče pro kolejovou dopravu, kde je dlouhodobá spolehlivost kritická. Typická šířka kanálu je 4–10 mm a tlaková odolnost může dosáhnout 1,5–2,0 MPa.

3.4 extrudované kapalinové chladicí desky

Extrudované kapalinové chladicí desky (nebo hliníkové chladicí desky, hliníkové chladicí desky) se vyrábějí extruzí hliníku pomocí specializované matrice k vytvoření více paralelních průtokových kanálů v jednom kroku, poté se řezají, utěsňují konce a obrábějí. Klíčovými výhodami jsou vysoká efektivita výroby a nízké jednotkové náklady s konzistentními rozměry kanálů, ideální pro velkoobjemovou standardizovanou výrobu. Kanály jsou však obvykle přímé, což omezuje optimalizaci žeber. Používají se v univerzálních střídačích a nabíjecích modulech pro elektromobily, kde je hustota výkonu nízká. Typický hydraulický průměr je 2–5 mm.

3,5 pájené kapalinové chladicí desky

Pájené kapalinové chladicí desky (nebo pájené chladicí desky) se vyrábějí vakuovým nebo pájením v řízené atmosféře lisované základní desky s průtokovým kanálem na krycí desku. To umožňuje složité vnitřní žebrové struktury, jako jsou kolíková žebra, šikmá žebra a turbulátory. Pájení nabízí velmi vysokou konstrukční svobodu, což umožňuje lepší přenos tepla v kompaktní velikosti s dobrým těsněním a nízkým zbytkovým napětím. Pájené kapalinové chladicí desky jsou první volbou pro IGBT a SIC moduly s vysokou hustotou výkonu, široce používané v prémiových hlavních pohonech elektromobilů, měničích větrné energie a špičkových průmyslových napájecích zdrojích. Velikosti prvků kanálů mohou být pouhých 1–3 mm; s kolíkovými žebry je tepelný odpor výrazně nižší než u extrudovaných nebo trubkových typů. Vakuové pájení je nejspolehlivějším procesem.

3.6 srovnání tepelného odporu a struktury mezi různými architekturami chladicích desek

Pro usnadnění technického výběru porovnává tabulka 1 klíčové tepelné a strukturální parametry čtyř IGBT chladicích desek (včetně tradičních trubicových jako základních).

Tabulka 1: Tepelný odpor a strukturální srovnání různých architektur kapalinových chladicích desek

4. optimalizace výkonu: konstrukce průtokového kanálu a mikrožeber

Chladicí výkon chladicího systému s chladicí deskou silně závisí na vnitřním průtokovém kanálu a konstrukci žeber. Současný výzkum se zaměřuje na následující oblasti.

Struktura žeber: Studie kapalinového chlazení tří IGBT modulů v průmyslovém motorovém pohonu porovnávala rovná, stupňovitě uspořádaná a šikmá žebra a potvrdila, že složitá žebra zlepšují konvekci. Dále, mikroměřítková deska pro kapalinové chlazení s vrstvami a šikmými žebry dosáhla 3× zvýšení koeficientu přenosu tepla, snížení maximální teploty čipu o 1,4 °C, 37,8% zlepšení teplotní rovnoměrnosti a >15% snížení odporu proudění ve srovnání s obdélníkovou mikrokanálkovou chladicí deskou při stejném průtoku, což umožnilo spolehlivé chlazení 800W čipu.

Optimalizace topologie: Studie využívající bi-kriteriální optimalizaci topologie (maximální přenos tepla, minimální odpor proudění) pro IGBT studenou desku ukázala, že ve srovnání s přímou studenou deskou dosáhla topologicky optimalizovaná studená deska o 26,3 % nižšího poklesu tlaku, o 64,7 % nižšího tepelného odporu a o 16,3 % vyššího koeficientu přestupu tepla.

Teplotní rovnoměrnost: Výzkumný tým na Nanjingské univerzitě informačních věd a technologií navrhl inovativní kapalinovou chladicí desku s hadovitými kanály, vylepšenými žebry a stupňovitě uspořádanými turbulátory. Experimentální výsledky ukázaly, že zvýšení průtoku chladicí kapaliny snížilo maximální teplotu zařízení přibližně o 22 K, přičemž tepelný výkon byl stabilní v určitém rozsahu průtoku.

Kompromis mezi chladicím a čerpacím výkonem: V chladicím systému se studenou deskou zvyšuje průtok, což zlepšuje přenos tepla, ale také nelineárně zvyšuje spotřebu energie čerpadla. V elektromobilech může dodatečný pokles tlaku o 10 kpa stát několik až desítky wattů výkonu čerpadla, což je nutné zohlednit v rozpočtu na výkon systému.

5. vývoj architektury: od nepřímého chlazení k vestavěné / DBC-integrované kapalinové chladicí desce

V tradičních chladicích architekturách má IGBT modul vícevrstvou vrstvu „čip – DBC – základní deska (Cu nebo Altak) – studená deska“, přičemž každá vrstva přidává tepelný odpor. Jak již bylo uvedeno, tepelný odpor rozhraní přesahuje 60 % celkového odporu.

Aby se tento problém překonal, objevila se převratná architektura – vestavěná neboli DBC-integrovaná kapalinová studená deska. Myšlenkou je integrovat DBC substrát přímo do studené desky pomocí vysokoteplotních procesů ke spojení mědi a keramiky (Al₂O₃ nebo Aln) do monolitické struktury. Chladicí kanály jsou umístěny přímo pod čipem a odděleny pouze DBC, což dramaticky zkracuje cestu vedení tepla.

tři hlavní výhody: (1) eliminuje základní desku a externí časovač, což drasticky snižuje celkový tepelný odpor; (2) rozlišení kanálu až 0,3 mm v kombinaci s vysoce vodivou mědí dosahuje vynikajícího izotermického výkonu; (3) podporuje kompaktní uspořádání s vysokou hustotou výkonu a oboustrannou montáž součástek. Klíčové materiálové parametry pro toto integrované schéma jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2: Klíčové materiálové parametry pro integrovanou kapalinovou chladicí desku DBC (zdroj: chlazení elektroniky, 2025)

Tento integrační trend je v souladu s růstem trhu s přímo chlazenými IGBT moduly.

6. výběr materiálu a technologie chladicí kapaliny

Výběr materiálu pro studené desky vyvažuje tepelnou vodivost, obrobitelnost a cenu. Nejběžnější volbou je hliníková slitina 6063 s tepelnou vodivostí kolem 180–230 W/(m·K). Měď nabízí ~401 W/(m·K), ale hustota je třikrát vyšší než u hliníku a cena je mnohem vyšší. Používá se pouze ve špičkových aplikacích s přísnými požadavky na chlazení.

Chladicí kapalina je kritickým nosičem přenosu tepla. Studie publikovaná v časopise Applied Thermal Engineering porovnávala deionizovanou vodu, čištěnou vodu, 20% roztok ethylenglykolu a vody a HFE7100. Při re = 1400 bylo celkové kritérium hodnocení výkonu (Pec) deionizované vody o 9,3 %, 24,5 % a 163,9 % vyšší než u čištěné vody, 20% roztoku ethylenglykolu a HFE7100. Re = 1400 (rychlost proudění ~0,5–0,6 m/s) bylo identifikováno jako optimální provozní rozsah pro nízký tlakový spád. V praktických systémech se široce používá směs 50% ethylenglykolu a vody, která nabízí ochranu proti zamrznutí a dobrou tepelnou vodivost.

7. výrobní procesy a testování spolehlivosti

Svařování/utěsnění kapalinové chladicí desky přímo ovlivňuje dlouhodobou spolehlivost. U čtyř hlavních typů: trubková deska využívá zalévání trubek + pájení nebo lisování; FSW využívá třecí svařování s mícháním; extrudovaná deska využívá vytlačování + utěsnění konců; pájená deska využívá vakuové nebo atmosférické pájení. Vakuové pájení a FSW jsou hlavními procesy pro vysoce spolehlivé chladicí desky.

Mezi běžné vady svařování patří pórovitost, nadměrné rozptylování, vnitřní mikrotrhliny, špatné spojení a ucpání průtokového kanálu. U FSW a pájených za studena desek je nutné pečlivě zkontrolovat utěsnění svarů a vnitřní čistotu.

Dalším klíčovým faktorem je rovinnost. Podle Hertzovy teorie kontaktu mají i makroskopicky ploché povrchy mikroskopické vrcholy a údolí; skutečná kontaktní plocha je mnohem menší než nominální plocha. Odchylky rovinnosti na úrovni mikronů mohou způsobit dramatický nárůst tepelného odporu rozhraní. Mezi typická kritéria přijetí pro chladicí systémy se studenou deskou patří:

• těsnost: zkouška těsnosti heliem, netěsnost ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s nebo ≤ 0,05 ml/min při 0,5–2,0 mpa

• Odolnost proti tlaku: hydraulická zkouška roztržením ≥ 3× provozní tlak (obvykle ≥ 3,0 mpa)

• rovinnost: ≤ 0,05 mm na 100 mm (celkově ≤ 0,1 mm)

• čistota: částice ≤ 10 mg/m²

8. hodnota kapalných chladicích desek v aplikačních oblastech IGBT

Elektrická vozidla: Kapalinová chladicí deska odvádí teplo z trakčního měniče, což přímo ovlivňuje výkon motoru. Moduly SIC mají 2–3krát vyšší hustotu výkonu než tradiční IGBT tranzistory; účinné trubicové, FSW nebo pájené kapalinové chladicí desky účinně eliminují lokální přehřátá místa, čímž zlepšují dojezd a spolehlivost elektromobilu.

Větrné a solární střídače: IGBT moduly běží při dlouhodobém vysokém zatížení; chladicí systém musí mít dlouhou životnost a nízké nároky na údržbu. Chladicí desky zajišťují nižší stabilní teploty spojů a menší teplotní výkyvy, což výrazně zlepšuje spolehlivost v náročných podmínkách.

železniční doprava: elektrifikace zvyšuje poptávku po chlazení; aktivní kapalinové chlazení (poháněné čerpadlem) poskytuje přesnější regulaci teploty než přirozená konvekce nebo nucené chlazení vzduchem, což zvyšuje spolehlivost v extrémních podmínkách.

(Podobné chladicí desky pro elektroniku se používají také v chladicích deskách procesorů pro vysoce výkonné procesory, chladicích deskách s kapalinovým chladičem pro baterie pro elektromobily a v izolovaných chladicích deskách pro izolaci vysokého napětí.)

9. výhled trhu a technologické trendy

Podle qyresearch dosáhl globální trh s IGBT substráty chladičů 720 milionů v roce 2024 a očekává se, že do roku 2031 dosáhne 1,165 miliardy s meziročním růstem 7,7 %. V rámci tohoto růstu jsou klíčovými faktory kapalinové chladicí desky – zejména pájené a FSW typy. Meziroční růst 17,9 % pro přímo kapalinou chlazené IGBT moduly je výrazně vyšší než celkových 7,7 % pro IGBT substráty, což naznačuje rychlé pronikání technologie kapalinového chlazení.

Pokročilý koncept, vícetrysková proudově impingementová kapalinová studená deska (MJILCP) pro 1000W TDP, prezentovaný na konferenci IEEE, vykazoval o 14,3 % nižší tepelný odpor a o 19,3 % nižší čerpací výkon ve srovnání s konvenční chladicí deskou s frézovanými kanálky. Pro dosažení tepelného odporu 0,0236 °C/W vyžadoval MJILCP o 48 % nižší čerpací výkon.

Budoucí vývoj se zaměřuje na tři směry:

1. hluboká integrace: od nepřímého chlazení až po integraci DBC, což dále snižuje tepelný odpor.

2. inteligentní návrh: návrh s pomocí umělé inteligence, optimalizace topologie a aditivní výroba pro zakázkové průtokové kanály (zakázková kapalinová chladicí deska, zakázkové chladicí desky).

3. adaptace na více scénářů: řešení na míru pro vysokonapěťové platformy 800 V, vysoké nadmořské výšky atd., případně včetně chladicí desky s kapalným dusíkem pro extrémní potřeby chlazení.

S pokrokem v místní výrobě a prohlubováním nové energetické revoluce se kapalinové chladicí desky vyvinou z pomocných komponentů na klíčové prvky umožňující hustotu výkonu a spolehlivost v IGBT tranzistorech a širší výkonové elektronice.