Révolution du refroidissement des semi-conducteurs de puissance : la percée technologique des dissipateurs thermiques matériels sous haute température et haute pression
Sous la vague de neutralité carbone et d'électrification, les semi-conducteurs de puissance évoluent rapidement des IGBT traditionnels à base de silicium au carbure de silicium et au nitrure de gallium. La température de jonction de travail est passée de 125 ° C à 200 ° C ou même plus, et le flux de chaleur a augmenté à plusieurs reprises. Cela pose des défis d'ingénierie et des opportunités d'innovation sans précédent aux dissipateurs thermiques matériels directement attachés aux modules d'alimentation.
Le dissipateur thermique en aluminium moulé sous pression traditionnel présente trois lacunes majeures face aux modules SiC : une faible conductivité thermique due aux grains grossiers, des points chauds locaux causés par un retrait interne et une fatigue de la soudure causée par un décalage du coefficient de dilatation thermique avec le substrat SiC. Par conséquent, le dissipateur thermique de puissance haut de gamme en 2026 a été entièrement déplacé vers la voie composite aluminium forgé à froid et cuivre-aluminium. Le processus de forgeage à froid applique des milliers de tonnes de pression sur la billette d'aluminium en dessous de la température de recristallisation pour affiner le grain à moins de 5 μm, et la conductivité thermique est augmentée de 15 % à 20 % par rapport à la coulée sous pression. En même temps, la limite d'élasticité est grandement améliorée, ce qui prolonge la durée de vie du module de plus de trois fois sous la charge cyclique de -40 ° C à 175 ° C.
Le dissipateur thermique composite cuivre-aluminium est devenu le premier choix pour les convertisseurs de puissance embarqués haute puissance. Sa structure est généralement la suivante : la plaque de base en contact avec le module d'alimentation est en cuivre sans oxygène, qui utilise sa conductivité thermique ultra-élevée de 400 W / m · K pour disperser rapidement la chaleur latéralement ; l'ailette supérieure est en alliage d'aluminium pour réduire le poids et le coût. La technologie de liaison entre le cuivre et l'aluminium a connu un saut de la liaison par résine époxy au brasage sous vide à haute température. Le dernier processus de brasage à base de nickel peut former une couche de composé intermétallique cuivre-aluminium à 880 ° C, avec une résistance de plus de 80 MPa et une résistance thermique aussi basse que 0,02 K · cm ² / W, réalisant presque une liaison métallurgique instantanée. Certains projets de soudage à haute pression et de pointe en aluminium ont même essayé. L'épaisseur de l'interface n'est qu'à l'échelle nanométrique et la résistance thermique approche de la limite théorique.
En plus du matériau et de la structure, l'apparence macroscopique du dissipateur thermique change également. Pour correspondre au module SiC de refroidissement double face, le dissipateur thermique n'est plus seulement une plaque plate simple face avec des ailettes, mais a évolué pour devenir un élément de canal d'écoulement tridimensionnel double face avec des rainures et des bossages usinés avec précision. Ces rainures sont intégrées avec des contacts à ressort qui entrent directement en contact avec la surface supérieure de la puce SiC, et la surface arrière emporte la chaleur à travers le substrat refroidi par liquide, formant un chemin de gestion thermique tridimensionnel de "dissipation thermique double face + refroidissement liquide". Cette conception réduit la résistance thermique totale de la puce au liquide de refroidissement à un cinquième de celle des dissipateurs thermiques traditionnels en aluminium simple face.
Le traitement de surface est également pertinent pour la fiabilité à long terme du module d'alimentation. Lorsque le module d'alimentation fonctionne, la tension peut atteindre plus de 1200V. Si le dissipateur thermique a des bavures ou des arêtes vives, il est facile de provoquer une décharge corona. Par conséquent, le dissipateur thermique pour les applications haute tension adopte progressivement l'ébavurage chimique et le polissage électrochimique, de sorte que la rugosité de surface Ra est réduite à moins de 0,2 μm. En même temps, certains modèles de dissipateurs thermiques nécessitent une résistance à la pression d'isolation supérieure à 2500V, ce qui a conduit à la technologie de frittage intégrée de joints isolants en céramique à haute conductivité thermique et de dissipateurs thermiques, réduisant le nombre d'interfaces thermiques de trois couches à une, ce qui non seulement améliore la résistance à la tension, mais réduit également la résistance thermique.
La métamorphose des dissipateurs thermiques métalliques dans le domaine des semi-conducteurs de puissance montre qu'ils sont passés d'un simple transporteur de chaleur à un composant structurel de base qui affecte les performances électriques et la durée de vie des modules de puissance. Pour les fabricants de dissipateurs thermiques, la connaissance approfondie de la métallurgie des matériaux, du moulage de précision et de la physique des interfaces déterminera s'ils peuvent occuper une place dans la vague de la propulsion électrique automobile et des infrastructures énergétiques.
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