Mga Liquid Cold Plate para sa mga IGBT Module

1. Ano ang isang modyul na IGBT?

Sa mga sasakyang de-kuryente, pagbuo ng kuryente mula sa renewable energy, riles ng tren, at automation ng industriya, ang mga IGBT module ay umuunlad patungo sa mas mataas na densidad ng kuryente, mas maliliit na bakas ng paa, at mas mataas na temperatura ng junction. Gayunpaman, habang tumataas ang densidad ng kuryente ng chip, mabilis na lumiliit ang magagamit na espasyo sa paglamig. Ipinapakita ng mga pag-aaral na ang mga isyu sa thermal ay nagdudulot ng higit sa 50% ng mga pagkabigo ng integrated circuit; para sa power electronics, humigit-kumulang 55% ng mga pagkabigo ng IGBT ay nauugnay sa temperatura. Ang tradisyonal na paglamig ng hangin ay may limitadong convective heat transfer coefficient (humigit-kumulang 37 w/cm² sa pinakamahusay) at bulky volume, kaya hindi ito sapat para sa mga susunod na henerasyon ng mga power module. Ang teknolohiya ng liquid cold plate ay lumitaw bilang isang pangunahing solusyon para sa high-power chip thermal management.

2. mga hamon sa init ng mga IGBT at mga limitasyon ng tradisyonal na pagpapalamig

Ang isang IGBT module ay nakakabuo ng malaking init. Para sa isang 100 kW inverter na may 98% na kahusayan, humigit-kumulang 2 kW ng init ang dapat alisin ng thermal management system. Bukod dito, ang distribusyon ng init ay hindi pare-pareho; ang mga lokal na hot spot sa ibabaw ng chip ay maaaring mas mainit kaysa sa karaniwang temperatura, at ang mga hot spot na ito ay naglilimita sa dynamic na pagganap at buhay ng serbisyo.

Ang temperatura ay may malakas na kaugnayan sa pagkabigo ng IGBT. Isang istatistikal na pag-aaral ng mga pagkabigo ng wind turbine sa 23 bansa sa pagitan ng 2003 at 2017 ang nagpakita na ang pagkabigo ng IGBT module ay nagdulot ng 22% ng hindi planadong downtime ng converter – isa sa mga bahaging pinakamadaling masira sa mga sistema ng hangin. Ang madalas na pagbilis/pagbabawas ng bilis sa mga sasakyan ay nagdudulot ng matinding power cycling at pagbabago ng temperatura, na humahantong sa bond wire fatigue, solder delamination, at iba pang pagkabigo ng thermal-fatigue. Ang thermal runaway ay maaaring magdulot ng pagkawala ng kuryente sa mga electric vehicle, isang seryosong panganib sa kaligtasan.

Mula sa perspektibo ng thermal resistance, ang IGBT heat dissipation ay isang problema sa thermal resistance na may maraming layer. Ang thermal resistance ng interface ay bumubuo ng mahigit 60% ng kabuuan, kaya ito ang pangunahing bottleneck. Sa loob ng junction-to-case resistance, ang dbc (direct bonded copper) ceramic substrate ang dominanteng kontribyutor (mahigit 75%). Ang tradisyonal na air cooling ay may tatlong pangunahing limitasyon: mababang heat transfer coefficient, mahinang kakayahang alisin ang mga lokal na hot spot, at malaking volume ng sistema, na sumasalungat sa miniaturization ng sistema.

3. paano mga likidong malamig na plato trabaho at ang kanilang klasipikasyon

Ang isang liquid cold plate (tinatawag ding cooling plate, liquid cooling plate, o water cooling plate) ay gumagamit ng forced liquid convection upang alisin ang init. Simple lang ang prinsipyo ng paggana: ang init mula sa IGBT module ay inililipat sa pamamagitan ng thermal interface patungo sa cold plate base, pagkatapos ay dinadala palayo ng coolant na dumadaloy sa mga panloob na channel; ang pinainit na coolant ay umiikot sa isang heat exchanger, lumalamig, at bumabalik.

Batay sa mga proseso ng pagmamanupaktura at mga anyo ng istruktura, apat na pangunahing uri ng IGBT cold plate ang ginagamit sa inhinyeriya ngayon.

3.1 tradisyonal na mga malamig na plato para sa likido

Kasama sa mga tradisyonal na disenyo ang mga uri na may drill, assemble, welded, at tube. Ang mga ito ay may mas simpleng pagproseso, mas mababang gastos, at angkop para sa mga low-to-medium power density IGBT module. Kabilang sa mga ito, ang tubed cold plate (o tube liquid cold plate) ay naglalagay ng mga tubo na tanso o hindi kinakalawang na asero sa mga uka ng isang aluminum baseplate, na inaayos sa pamamagitan ng brazing o epoxy. Nag-aalok ito ng mas mahusay na thermal performance at service life kaysa sa mga basic drilled plate.

3.2 mga malamig na plato ng likidong tubo

Ang mga tube liquid cold plate (tinatawag ding water cooled cold plate o tubed cold plate) ay gumagamit ng mga tubo na tanso o hindi kinakalawang na asero bilang mga coolant channel, na nakabaon sa isang aluminum baseplate at kinakabitan ng thermal adhesive o brazing. Kabilang sa kanilang mga bentahe ang simpleng paggawa, mababang gastos, at flexible na layout ng tubo (hal., serpentine o hugis-U) na maaaring tumugma sa distribusyon ng init ng IGBT. Angkop ang mga ito para sa medium-power density, cost-sensitive industrial drives at solar inverters. Ang karaniwang diameter ng tubo ay 6-12 mm, at ang operating pressure ay karaniwang mas mababa sa 0.5 mpa.

3.3 mga malamig na plato ng likidong fsw

Ang mga FSW liquid cold plate (friction stir welding) ay gumagamit ng umiikot na stir pin upang makabuo ng frictional heat, na ginagawang plasticize ang materyal at lumilikha ng solid-state weld sa pagitan ng takip at ng ukit na baseplate. Ang prosesong ito ay hindi lumilikha ng porosity, walang bitak, at walang filler metal, na nagreresulta sa mataas na lakas ng weld, mahusay na sealing, at walang flow channel deformation. Ang mga FSW cold plate ay mainam para sa mga electric vehicle traction inverter at rail transit converter kung saan mahalaga ang pangmatagalang reliability. Ang karaniwang lapad ng channel ay 4-10 mm, at ang pressure resistance ay maaaring umabot sa 1.5-2.0 mpa.

3.4 na naka-extrude mga likidong malamig na plato

Ang mga naka-extrude liquid cold plate (o aluminum cold plate, aluminum cooling plate) ay binubuo sa pamamagitan ng aluminum extrusion gamit ang isang nakalaang die upang makagawa ng mga multi-parallel flow channel sa isang hakbang, pagkatapos ay pinuputol, tinatakan ang dulo, at minaneho. Ang mga pangunahing benepisyo ay ang mataas na kahusayan sa produksyon at mababang gastos sa yunit, na may pare-parehong sukat ng channel, na mainam para sa mataas na volume standardized production. Gayunpaman, ang mga channel ay karaniwang straight-through, na naglilimita sa pag-optimize ng fin. Ginagamit ang mga ito sa mga general-purpose inverter at EV charging module kung saan katamtaman ang power density. Ang karaniwang hydraulic diameter ay 2-5 mm.

3.5 mga platong malamig na likido na pinagbraso

Ang mga pinatigas liquid cold plate (o pinatigas cold plate) ay ginagawa sa pamamagitan ng vacuum o controlled-atmosphere bracing sa isang stamped flow-channel baseplate papunta sa isang cover plate. Pinapayagan nito ang mga kumplikadong internal fin structure tulad ng mga pin fins, oblique fins, at turbulators. Nag-aalok ang brazing ng napakataas na kalayaan sa disenyo, na nagbibigay-daan sa pinahusay na heat transfer sa isang compact na laki, na may mahusay na sealing at mababang residual stress. Ang mga pinatigas liquid cold plate ang unang pagpipilian para sa mga high-power-density IGBT at sic module, na malawakang ginagamit sa mga premium EV main drive, wind converter, at high-end industrial power supply. Ang mga laki ng channel feature ay maaaring kasing liit ng 1-3 mm; sa mga pin fins, ang thermal resistance ay mas mababa kaysa sa mga naka-extrude o tube type. Ang vacuum brazing ang pinaka-maaasahang proseso.

3.6 paghahambing ng thermal resistance at istruktura sa iba't ibang arkitektura ng cold plate

Upang makatulong sa pagpili ng inhinyeriya, pinaghahambing ng Talahanayan 1 ang mga pangunahing parametro ng thermal at istruktura ng apat na IGBT cold plates (kabilang ang tradisyonal na tubed bilang baseline).

Talahanayan 1: thermal resistance at paghahambing ng istruktura ng iba't ibang arkitektura ng liquid cold plate

4. pag-optimize ng pagganap: disenyo ng channel ng daloy at micro-fin

Ang pagganap ng paglamig ng isang cold plate cooling system ay lubos na nakadepende sa panloob na daluyan ng daloy at disenyo ng palikpik. Ang kasalukuyang pananaliksik ay nakatuon sa mga sumusunod na aspeto.

Istruktura ng palikpik: isang pag-aaral sa liquid cooling para sa tatlong IGBT module sa isang industrial motor drive na inihambing ang straight, staggered pin-fin, at oblique fins, na nagpapatunay na ang mga complex fins ay nagpapahusay sa convection. Dagdag pa rito, ang isang oblique-fin microscale layered-flow liquid cooling plate ay nakamit ang 3× na pagtaas sa heat transfer coefficient, 1.4°C na pagbawas sa chip peak temperature, 37.8% na pagpapabuti sa temperature uniformity, at >15% na pagbawas sa flow resistance kumpara sa isang rectangular micro-channel cold plate sa ilalim ng parehong flow rate, na nagbibigay-daan sa maaasahang paglamig ng isang 800w chip.

Pag-optimize ng Topolohiya: Isang pag-aaral gamit ang bi-objective topology optimization (max heat transfer, min flow resistance) para sa isang IGBT cold plate ang nagpakita na kumpara sa isang straight-channel cold plate, ang topology-optimized cold plate ay nakamit ang 26.3% na mas mababang pressure drop, 64.7% na mas mababang thermal resistance, at 16.3% na mas mataas na heat transfer coefficient.

Pagkakapareho ng Temperatura: Isang pangkat ng pananaliksik sa Nanjing University of Information Science & Technology ang nagpanukala ng isang makabagong liquid cold plate na may mga serpentine channel, pinahusay na mga palikpik, at staggered turbulators. Ipinakita ng mga resulta ng eksperimento na ang pagtaas ng coolant flow rate ay nagbawas sa peak temperature ng device nang humigit-kumulang 22 k, na may matatag na thermal performance sa isang partikular na saklaw ng daloy.

Pagsasantabi sa pagitan ng paglamig at lakas ng pagbomba: sa isang cold plate cooling system, ang pagtaas ng flow rate ay nagpapabuti sa paglipat ng init ngunit pinapataas din ang pagkonsumo ng lakas ng bomba nang hindi linear. Sa mga de-kuryenteng sasakyan, ang karagdagang 10 kpa pressure drop ay maaaring magkahalaga ng ilan hanggang sampu-sampung watts ng lakas ng bomba, na dapat isaalang-alang sa badyet ng lakas ng sistema.

5. ebolusyon ng arkitektura: mula sa hindi direktang paglamig patungo sa naka-embed / dbc-integrated liquid cold plate

Sa mga tradisyunal na arkitektura ng pagpapalamig, ang IGBT module ay mayroong multi-layer stack na “chip – dbc – baseplate (cu o alsic) – cold plate”, kung saan ang bawat layer ay nagdaragdag ng thermal resistance. Gaya ng nabanggit, ang thermal resistance ng interface ay lumalagpas sa 60% ng kabuuan.

Upang malampasan ito, isang disruptive architecture – embedded o dbc-integrated liquid cold plate – ang lumitaw. Ang ideya ay i-integrate ang dbc substrate nang direkta sa cold plate, gamit ang mga prosesong may mataas na temperatura upang pagdugtungin ang tanso at ceramic (al₂o₃ o aln) sa isang monolithic structure. Ang mga coolant channel ay direktang inilalagay sa ilalim ng chip, na pinaghihiwalay lamang ng dbc, na lubhang nagpapaikli sa heat conduction path.

Tatlong pangunahing bentahe: (1) inaalis ang baseplate at external tim, na lubhang binabawasan ang kabuuang thermal resistance; (2) ang channel resolution pababa sa 0.3 mm, kasama ng high-conductivity copper, ay nakakamit ng mahusay na isothermal performance; (3) sinusuportahan ang high-power-density compact layouts at double-sided component mounting. Ang mga pangunahing parameter ng materyal para sa integrated scheme na ito ay ipinapakita sa Table 2.

Talahanayan 2: Mga Pangunahing Parametro ng Materyales para sa DBC-Integrated Liquid Cold Plate (Pinagmulan: Electronics Cooling, 2025)

Ang trend na ito ng integrasyon ay naaayon sa paglago ng merkado ng mga direct-cooled na IGBT module.

6. pagpili ng materyal at teknolohiya ng coolant

Binabalanse ng pagpili ng materyal na cold plate ang thermal conductivity, machinability, at gastos. Ang pinakakaraniwang pagpipilian ay ang aluminum alloy 6063, na may thermal conductivity na nasa bandang 180–230 w/(m·k). Nag-aalok ang tanso ng ~401 w/(m·k) ngunit ang density ay tatlong beses kaysa sa aluminum, at mas mataas ang gastos, ginagamit lamang sa mga high-end na aplikasyon na may mahigpit na mga kinakailangan sa pagpapalamig.

Ang coolant ay isang kritikal na tagapagdala ng paglipat ng init. Isang pag-aaral na inilathala sa Applied Thermal Engineering ang nagkumpara sa deionized water, purified water, 20% ethylene glycol-water solution, at hfe7100. Sa re = 1400, ang overall performance evaluation criterion (pec) ng deionized water ay 9.3%, 24.5%, at 163.9% na mas mataas kaysa sa purified water, 20% ethylene glycol, at hfe7100, ayon sa pagkakabanggit. Ang re = 1400 (flow velocity ~0.5–0.6 m/s) ay natukoy bilang ang pinakamainam na operating range para sa mababang pressure drop. Sa mga praktikal na sistema, ang 50% ethylene glycol-water mix ay malawakang ginagamit, na nag-aalok ng freeze protection at mahusay na thermal conductivity.

7. mga proseso ng pagmamanupaktura at pagsubok sa pagiging maaasahan

Ang pagwelding/pagbubuklod ng isang liquid cold plate ay direktang nakakaapekto sa pangmatagalang pagiging maaasahan. Para sa apat na pangunahing uri: ang tubed ay gumagamit ng tube-embedding + brazing o pressing; ang fsw ay gumagamit ng friction stir welding; ang naka-extrude ay gumagamit ng extrusion + end sealing; ang pinatigas ay gumagamit ng vacuum o atmosphere brazing. Ang vacuum brazing at fsw ang mga pangunahing proseso para sa mga high-reliability cold plates.

Kabilang sa mga karaniwang depekto sa hinang ang porosity, labis na pagkalat, mga panloob na micro-crack, mahinang bonding, at bara sa flow channel. Para sa mga fsw at pinatigas cold plates, ang weld sealing at panloob na kalinisan ay dapat na maingat na siyasatin.

Ang pagiging patag ay isa pang mahalagang salik. Ayon sa teorya ng hertz contact, kahit ang mga ibabaw na mala-makroskopiko ay may mga mikroskopikong taluktok at lambak; ang aktwal na lugar ng kontak ay mas maliit kaysa sa nominal na lugar. Ang mga paglihis sa antas ng patag ng micron ay maaaring maging sanhi ng pagtaas ng thermal resistance ng interface. Ang karaniwang pamantayan sa pagtanggap para sa mga sistema ng paglamig ng cold plate ay kinabibilangan ng:

• higpit ng tagas: pagsubok sa tagas ng helium, tagas ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s o ≤ 0.05 ml/min @ 0.5–2.0 mpa

• paglaban sa presyon: haydroliko na pagsabog na pagsubok ≥ 3× presyon ng pagtatrabaho (karaniwan ay ≥ 3.0 mpa)

• patag: ≤ 0.05 mm bawat 100 mm (kabuuan ≤ 0.1 mm)

• kalinisan: mga partikulo ≤ 10 mg/m²

8. halaga ng mga likidong malamig na plato sa mga patlang ng aplikasyon ng igbt

Mga sasakyang de-kuryente: ang liquid cooling plate ang humahawak sa init mula sa traction inverter, na direktang nakakaapekto sa output ng kuryente ng motor. Ang mga sic module ay may 2-3 beses na densidad ng kuryente kumpara sa mga tradisyunal na IGBT; ang mahusay na tubed, fsw, o pinatigas liquid cold plate ay epektibong nag-aalis ng mga lokal na hot spot, na nagpapabuti sa saklaw at pagiging maaasahan ng EV.

Mga inverter ng hangin at solar: ang mga modyul ng IGBT ay tumatakbo sa ilalim ng pangmatagalang mataas na karga; ang sistema ng pagpapalamig ay dapat magkaroon ng mahabang buhay at mababang maintenance. Ang mga cold plate ay nagbibigay ng mas mababang matatag na temperatura ng junction at mas maliliit na pagbabago ng temperatura, na makabuluhang nagpapabuti sa pagiging maaasahan sa ilalim ng malupit na mga kondisyon.

transportasyon ng riles: pinapataas ng elektripikasyon ang pangangailangan para sa paglamig; ang aktibong likidong paglamig (pinapatakbo ng bomba) ay nagbibigay ng mas tumpak na kontrol sa temperatura kaysa sa natural na kombeksyon o sapilitang paglamig ng hangin, na nagpapahusay sa pagiging maaasahan sa matinding mga kapaligiran.

(Ang mga katulad na cooling plate para sa electronics ay ginagamit din sa CPU cooling plate para sa mga high-performance processor, battery liquid cold plate para sa mga EV battery pack, at mga insulated cold plate design para sa high-voltage isolation.)

9. pananaw sa merkado at mga uso sa teknolohiya

ayon sa qyresearch, ang pandaigdigang merkado ng substrate ng igbt heatsink ay umabot na 720 milyon sa 2024 at inaasahang aabot sa 1.165 bilyon pagsapit ng 2031, na may paglago na 7.7%. Sa loob ng paglagong ito, ang mga liquid cold plate – lalo na ang mga uri na pinatigas at fsw – ang mga pangunahing nagtutulak. Ang 17.9% na paglago para sa mga direct-liquid-cooled IGBT module ay mas mataas nang malaki kaysa sa kabuuang 7.7% para sa mga IGBT substrate, na nagpapahiwatig ng mabilis na pagpasok ng teknolohiya ng liquid cooling.

Isang makabagong konsepto, ang multi-nozzle jet impingement liquid cold plate (mjilcp) para sa 1000w tdp, na iniharap sa isang kumperensya ng IEEE, ay nagpakita ng 14.3% na mas mababang thermal resistance at 19.3% na mas mababang pumping power kumpara sa isang kumbensyonal na milled-channel cooler cold plate. Upang makamit ang 0.0236°c/w thermal resistance, ang mjilcp ay nangangailangan ng 48% na mas kaunting pump power.

Ang ebolusyon sa hinaharap ay nakatuon sa tatlong direksyon:

1. malalim na integrasyon: mula sa hindi direktang paglamig hanggang sa naka-embed na integrasyon ng dbc, na lalong nagbabawas ng thermal resistance.

2. matalinong disenyo: disenyong tinutulungan ng AI, pag-optimize ng topolohiya, at additive manufacturing para sa mga custom na channel ng daloy (custom liquid cold plate, custom cold plates).

3. Adaptasyon sa maraming senaryo: mga pasadyang solusyon para sa 800v na mga platform na may mataas na boltahe, matataas na lugar, atbp., posibleng kabilang ang liquid nitrogen cold plate para sa matinding pangangailangan sa pagpapalamig.

Habang umuunlad ang lokal na pagmamanupaktura at lumalalim ang rebolusyon sa bagong enerhiya, ang mga liquid cold plate ay magbabago mula sa mga auxiliary component patungo sa mga pangunahing tagapagtaguyod ng power density at reliability sa mga IGBT at mas malawak na power electronics.