Силовая электроника №3'2005

Применение различных материалов в системах охлаждения силовых полупроводниковых приборов, в том числе силовых модулей и твердотельных реле

Ляля Исламгазина


В любом силовом модуле есть специфические компоненты, являющиеся основными источниками тепла. Защитный металлический кожух или основание служат для эффективного теплоотвода и уменьшения разности температур между точками подложки. Для мощных силовых модулей и твердотельных реле, имеющих металлическое основание или радиатор, теплопроводность в системе охлаждения приобретает гораздо большее значение, чем просто передача тепла окружающему воздуху.


С точки зрения тепловых процессов силовые модули и твердотельные реле могут функционировать при условии, что предусмотрен эффективный отвод тепла, осуществляемый через многослойную структуру к наружной поверхности корпуса, охлаждаемой воздухом.

Независимо от типа полупроводникового прибора его основная характеристика — коммутируемый ток — подвержена заметному влиянию положительных температур. Из-за интенсивного нагрева коммутирующего элемента во включенном состоянии это влияние тем сильнее, чем выше установленный для него номинальный ток. Уже при температуре 30 °С режим коммутации токов 10,0-25,0 А обеспечивается силовыми модулями (твердотельными реле) только совместно с радиатором системы охлаждения или при монтаже на теплопроводящие поверхности. Если радиатор не используется, то коммутируемый ток следует снизить относительно продекларированной изготовителем величины номинального тока на 40-60%. Дальнейшее повышение температуры до 90-110 °С приводит к необходимости уменьшать коммутируемый ток на 80% для твердотельных реле с радиатором и на 90%, если он отсутствует. Основным фактором обеспечения максимальной производительности полупроводниковых приборов является эффективность передачи тепла от поверхности к воздуху, характеризуемая тепловым сопротивлением. Чем ниже тепловое сопротивление, тем лучше отвод тепла. На практике распределение тепла внутри устройства никогда не бывает равномерным, всегда имеются так называемые «горячие» точки. Например, если источником тепла становится кристалл тиристора (транзистора или выпрямительная диодная сборка), то передача тепла от него осуществляется по конусообразному каналу (конической тепловой трубе) аналогично тому, как распространяются звуковые волны или свет. Но из-за того, что источники тепла имеют определенные размеры и конфигурацию, точного конуса не получается.

Передача тепла из одного места (кристалл) в другое (окружающий воздух) определяется толщиной слоев и тепловым сопротивлением материалов, а также площадью их касания (чем больше площадь касания, тем большее количество тепла может быть передано). Часто недостаточное внимание уделяется тому факту, что неблагоприятный эффект от воздействия высокого теплового сопротивления увеличивается по мере приближения к источнику тепла. То есть чем дальше от источника тепла находится слой материала, тем шире в этом месте конус тепловой трубы, а следовательно, снижается влияние теплового сопротивления данного материала. Все это означает, что даже самый хороший теплоотвод с вентиляцией не обеспечит охлаждения кристалла, если переходы «кристалл-корпус» и «корпус - теплоотвод» имеют неоправданно высокие значения теплового сопротивления. Предельные характеристики (ток, напряжение, мощность) ограничиваются максимальной температурой кристалла полупроводникового прибора, но она не должна превышаться ни при каких режимах работы твердотельных реле. Зная реальное сопротивление силового модуля, можно определить максимальный ток и рассеиваемую мощность, при которых не будет превышена предельная температура элементов полупроводниковых приборов, применяемых у потребителя. Тепловое сопротивление Rth является характерной величиной для каждого типа полупроводникового прибора и зависит от площади полупроводниковых кристаллов, площади, толщины и типа материалов между чипами и основанием, а также от технологического процесса и качества изготовления, оно связывает предельные электрические возможности по передаче мощности с условиями тепловых ограничений. Полное тепловое сопротивление R — это сумма тепловых сопротивлений материалов на пути отвода тепла от кристалла. Изображенная на рис. 1 цепочка тепловых сопротивлений отображает типичный путь отвода тепла от мощного полупроводникового прибора.

Рис. 1

R=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9+R10+R11

Применение DBC-керамики в конструкции твердотельных реле и силовых модулей снижает величину теплового сопротивления почти в 2 раза по сравнению с конструкцией, в которой используется корпусной силовой элемент, размещенный на основании теплоотвода с изолирующими прокладками из слюды, эластомера на основе силикона, материала, изменяющего свое физическое состояние под действием температуры нагрева силового элемента и др. Напомним, плата DBC (Direct Bonded Copper) — это керамическая пластина с медными шинами, нанесенными диффузионным методом, на которой устанавливаются силовые кристаллы. На рис. 2 показано распределение тепла в первом и втором случае.

Наглядно видно, что в конструкции с DBC-керамикой тепло, выделяемое силовыми полупроводниковыми приборами (кристаллами), первоначально распределяется в верхнем слое металлизированной керамики, затем равномерно распределяется по всей толщине изолирующей теплопроводящей подложки, проходит через нижний слой металлизации и передается основанию полупроводникового прибора, а потом и системе охлаждения. Таким образом, конус тепловой трубы становится шире, а соответственно, снижается и тепловое сопротивление.

На практике это означает, что простое увеличение площади керамической подложки может обеспечить более эффективный отвод тепла, нежели использование сложного радиатора с вентилятором.

Основание выполняет две функции: равномерное распределение температуры от локальных источников тепла, которыми являются полупроводниковые приборы, производящие в среднем около 85% генерируемого тепла, и передача выделяемого тепла в радиатор. Увеличение температуры перехода на каждые 10 °С приводит к снижению надежности полупроводниковых устройств на 50%. Поэтому проблема системы охлаждения выходит за рамки простых оценок и становится важным фактором повышения надежности этих устройств, выраженной в среднем времени наработки на отказ.

В зависимости от технологии изготовления основания силового модуля, его поверхность (гнутая, штампованная, фрезерованная или полированная) может иметь неровности до 0,254 мм по всей площади и до 0,508 мм в отдельных местах. Наличие таких больших зазоров может привести к выходу силового модуля из строя вследствие перегрева. В этом случае оптимальным является использование эластомера: несмотря на некоторое ухудшение характеристик силового модуля, он сохранит свою работоспособность.

По мере приближения к кристаллу, прокладка должна иметь минимальную толщину и максимально возможную теплопроводность. Под кристаллом тепловой интерфейс находится в узкой части тепловой конической трубы, площадь соприкосновения не превышает 6,45 см2, неровности поверхности будут минимальны, следовательно, идеальной здесь была бы пайка.

Слой теплопроводящей пасты (суспензия порошка окиси металла в масле, л = 0,8 Вт/м°С) между корпусом и системой охлаждения существует как тепловой барьер между основанием силового модуля и системой охлаждения, и это вносит значительный вклад в суммарное тепловое сопротивление «кристалл — окружающая среда». Выпуклая или вогнутая деформация (неплоскостность) основания силового модуля и системы охлаждения могут привести к появлению воздушных промежутков, которые еще больше ухудшают тепловое сопротивление между основанием силового модуля и системой охлаждения.

Зарубежные производители, проанализировав отказы, свойственные силовым модулям, выявили, что они вызваны неоптимальным согласованием коэффициентов теплового расширения конструктивных элементов: алюминиевых соединительных выводов кристаллов и медных шин связи; медного основания и керамической пластины DBC, на которой установлены силовые чипы. Наиболее значительные перемещения (свыше 1 мкм) происходят в паяном слое между керамикой DBC и медным основанием. После определенного числа термоциклов начинается ухудшение теплового контакта в этом соединении и увеличение теплового сопротивления. Следствием является повышение градиента температуры и потерь, а также разрушение сварного шва. На практике данные проблемы устраняются при использовании конструкции силового модуля без медного основания с прямым прижимом керамики на системе охлаждения. При такой конструкции градиент температуры на участке «кристалл - теплоотвод» снижается более чем на 5-10% по сравнению с силовыми модулем, имеющим медное основание, и обеспечивается отличное согласование коэффициентов теплового расширения. Увеличение площади керамической подложки за счет отсутствия медного основания позволило снизить тепловое сопротивление Rth на 24% при использовании керамики Al2O3. В некоторых силовых модулях применяется керамическая плата из AlN, что уменьшает тепловое сопротивление еще на 30%. Столь значительное улучшение тепловых характеристик удалось получить за счет того, что нитрид алюминия имеет не только лучшую теплопроводность, но и большую механическую прочность и однородность поверхности. Благодаря этому толщина теплопроводящей пасты снижена с 25 до 15 мкм.

В большинстве, силовые модули крепятся к системе охлаждения с помощью винтов, с усилием около М = 1,5 Nm, что эквивалентно 1000N. В процессе длительной работы полупроводниковый прибор нагревается до Т = 150 °С, материал корпуса (пластмасса) в точке крепления деформируется и возникает зазор, который может достигать величины 5-10 мкм. В связи с тем, что крепление силового модуля ослабевает, вакуум, созданный с помощью теплопроводящей пасты между DBC-керамикой и системой охлаждения, исчезает и увеличивается тепловое сопротивление полупроводникового прибора в целом. Чтобы избежать данного явления, используются некоторые конструктивные решения, такие как: • в местах крепления силовых модулей к системе охлаждения устанавливается заклепка, соединяющая корпус и основание. Давление крепежных элементов приходится на шляпку металлической заклепки, а не на пластмассовый корпус; вместо традиционной пружинной (гро-верной) шайбы, используются шайбы, исключающие самостоятельное выкручивание винта в процессе эксплуатации и обеспечивающие его подпружинивание;

  1. ряд крупных производителей, таких как Eupec и Semikron, используют специально разработанные прижимы в виде клипс, которые жестко крепятся к системе охлаждения и, обладая пружинящим эффектом, фиксируют силовые модули (рис. 3).
Рис. 3. Прижимы-клипсы
Рис. 3. Прижимы-клипсы

Результатом резкого улучшения тепловых характеристик стало значительное повышение уровней предельно допустимых токов.

Эффективность отвода тепла от полупроводниковых приборов может быть увеличена с помощью одного или нескольких методов снижения теплового сопротивления, а значит, удельной теплопроводности от внутренних источников тепла в окружающую среду:

  • использование большого металлического элемента, обеспечивающего увеличение диаметра конической тепловой трубы, а следовательно, и эффективность отвода тепла в окружающий воздух. Этот метод не всегда применим к мощным силовым модулям, так как изначально считается, что габаритные размеры должны быть малы;
  • принудительный обдув воздухом подложки или корпуса, который ускоряет процесс отвода тепла за счет увеличения диаметра конической тепловой трубы. Степень охлаждения имеет ярко выраженную зависимость от скорости воздушного потока и площади обдуваемой поверхности;
  • крепление корпуса к большому металлическому элементу шасси, в результате чего достигается суммарное увеличение поверхности теплоотвода;
  • крепление металлического основания к ребристому обдуваемому теплоотводу.

Использование ребристой поверхности равносильно увеличению площади простого плоского радиатора (аналогично предыдущему методу), но позволяет получить более компактные конструкции. Важно понимать, что эффективность ребристых радиаторов снижается, если направление воздушного потока совпадает с направлением ребер. Как правило, это самый распространенный способ охлаждения в системе охлаждения полупроводниковых приборов. На практике применение ребристого радиатора высотой 1-2 см разрешает удвоить теплоотдачу по сравнению с плоским основанием.

На эффективность отвода тепла влияют высота ребер, зазор между ними, скорость воздушного потока и его направление. Общая ошибка разработчиков состоит в том, что при выборе системы охлаждения они оценивают объем прокачиваемого воздуха за единицу времени. Число кубометров в минуту ничего не говорит нам о скорости воздушного потока, который должен пройти вдоль нагретой металлической поверхности, измеряется в метрах в минуту и является главной характеристикой системы охлаждения. Для того чтобы обеспечить максимальную эффективность работы теплоотвода, ребра радиаторов располагают вдоль направления потока охлаждающего воздуха.

Маленький вентилятор, удачно скомпонованный с ребристым радиатором, может оказаться гораздо эффективнее большого вентилятора, обдувающего плохо продуманный теплоотвод, аналогично тому, как маленький вентилятор, направленный в лицо с расстояния десяти сантиметров, обдувает лучше, чем огромный вентилятор, расположенный на расстоянии нескольких десятков метров.

Для наилучшей передачи тепла от основания к радиатору необходимо использовать специальные теплопроводящие пасты и прокладки, сглаживающие естественные неровности поверхностей. Чем больше шероховатость поверхностей, тем толще должен быть вспомогательный слой. В этом качестве используются:

  • теплопроводящая паста (смазка) — прекрасный способ соединения относительно плоских и даже плохо согласованных поверхностей, однако при этом необходимо обеспечить очень толстый слой. Неудобства: низкая технологичность, большие временные затраты и загрязнение; не обеспечивается электрическая изоляция между полупроводниковым прибором и радиатором.
  • тонкая алюминиевая фольга (0,051-0,076 мм) с или без парафинового покрытия с обеих сторон. Парафиновое покрытие обеспечивает заполнение микроскопических неровностей на касающихся поверхностях. Неудобства: фольга должна прокладываться без складок, которые резко ухудшают теплопередачу; наличие двух поверхностей соприкосновения вместо одной;
  • тонкая прокладка из теплопроводящего, но изолирующего материала (каптона, полиамидной пленки). Неудобство: худшая теплопроводность, чем у алюминиевой фольги;
  • эластомер на основе силикона (толщиной 0,127-0,254 мм). Хотя такие прокладки очень технологичны, они не столь хороши, как проводящие пасты и парафинированный алюминий. Однако при использовании наполнителя из окиси алюминия эластомер может быть эффективен, особенно когда площадь касания превышает 1 см2 или поверхности не являются достаточно плоскими. Неудобство: тепловое сопротивление эластомера зависит от давления, поэтому при неаккуратной сборке может произойти непредвиденное снижение теплопроводности, приводящее к выходу из строя мощных полупроводниковых приборов при работе в жестких условиях и в критическом режиме;
  • более толстый слой эластомера на основе  силикона (0,508-0,762 мм и выше), предназначенный для соединения грубо обработанных металлических деталей, где имеется большая вероятность возникновения зазоров и снижения теплопроводности. Неудобство: относительно низкая эффективность передачи тепла, однако лучшая, чем у обычного воздуха;
  • материалы, изменяющие свое физическое состояние. Такие материалы представляют собой специально изготовленные слоистые структуры из парафина или воска, выпускаемые в виде больших листов или специально  нарезанных прокладок.  После размещения прокладки между двумя металлическими поверхностями изделие нагревают до температуры 60-70 °С. Парафин тает и почти идеально заполняет микротрещины. Для плоских металлических деталей данный метод является лучшим, сравниться с ним может только пайка.

Компания Bergquist, около 25 лет выпускающая электроизолирующие и теплопроводящие материалы, на сегодняшний день способна предложить разработчикам материалы, не только не уступающие традиционным теплопроводящим пастам и керамике, но и позволяющие принципиально по-новому решать проблему отвода избыточного тепла. Рассмотрим основные классы материалов фирмы Bergquist.

Материалы семейства Sil-Pad предназначены для замены термопроводящих паст и керамических прокладок. Они производятся на стекловолоконной основе, заполненной силиконовым каучуком. Благодаря стекловолоконной основе материал устойчив к проколам и прочим механическим повреждениям при сильном прижиме радиатора к корпусу полупроводникового прибора — прижимное усилие около 500 кг не повреждает материал. Силиконовый каучук с высокой теплопроводностью заполняет все неровности микрорельефа поверхностей, повышая теплоотдачу. Существуют специальные материалы Sil-Pad для работы в условиях повышенной влажности. На рис. 4а и 4б показаны варианты применения данного материала.

Рис. 4. Варианты применения материала Sil-Pad
Рис. 4. Варианты применения материала Sil-Pad

В аппаратуре определенного вида, где нельзя применять кремнийсодержащие материалы (телекоммуникационные устройства или авиационно-космическое оборудование), разработана группа материалов Poli-Pad — в качестве основы в них использованы стекловолокно или диэлектрическая пленка, а силиконовый каучук заменен полистиролом.

Для применений, не требующих электроизоляции, компания Bergquist разработала материалы Q-Pad, представляющие собой алюминиевую фольгу, с двух сторон покрытую теплопроводным слоем силиконового каучука, или полимер с графитовым наполнителем на стекловолоконной основе.

Для СВЧ-применений компания Bergquist предлагает Sil-Pad Shield — медные пластины, ламинированные с двух сторон материалом Sil-Pad, имеющие вывод для заземления. Применение Sil-Pad Shield позволяет на порядок снизить уровень паразитного излучения.

Материалы группы Hi-Flow в основе состоят из алюминиевой фольги, покрытой полимером, остающимся в твердом состоянии при температуре до 65 °С, а при ее повышении размягчающимся и растекающимся по всей контактной поверхности. Если же изоляция необходима, фирма предлагает материалы Hi-Flow с пленочной и стекловолоконной изолирующими основами.

Особый интерес для разработчиков электронной аппаратуры представляют материалы группы Gap Pad. Благодаря особому теплопроводному изолирующему полимеру, материал легко деформируется, плотно прилегая ко всем компонентам на печатной плате. Такие материалы могут служить прокладкой между печатными платами и теплорассеивающим элементом — металлическим корпусом устройства или радиатором.

На рис. 5а и 5б показаны варианты использования материала Gap Pad.

Рис. 5. Варианты использования материала Gap Pad
Рис. 5. Варианты использования материала Gap Pad

Из данного материала фирма Semikron применяет эластичные прокладки в интеллектуальных IGBT силовых модулях SKiiP.

Если же свойств материалов Gap Pad окажется недостаточно, можно воспользоваться продуктами группы Gap Filler. Это жидкие материалы, состоящие из двух компонентов, вулканизирующиеся при смешивании. Вулканизация происходит в течение нескольких часов при комнатной температуре либо в течение 5 минут при 100 °С.

Все выше рассмотренные материалы чаще всего применяются для теплоотвода от дискретных элементов на печатных платах, для обеспечения теплоотвода от DC-DC конверторов, силовых модулей и твердотельных реле на коммутирующие токи не выше 10 А и т. д. Использование теплопроводящих материалов в применении к силовым модулям, функционирующим при больших значениях токов и напряжений, имеет свои особенности, описанные ранее. 

Литература

  1. Никитин В. Станут ли твердотельные реле альтернативой реле электромагнитным // Электронные компоненты. № 2’2004.
  2. Родригес Э. Методы охлаждения DC-DC конверторов // Chip news. № 4’2004.
  3. Termal Solutions for surface mount power applications. Catalog products the Bergquist company. Netherlands. 2002.
  4. Исламгазина Л. Технологические методы повышения надежности силовых модулей // Технологии в электронной промышленности. № 2’2005.
  5. Колпаков А. SKiiP-интеллектуальные силовые модули IGBT фирмы Semikron // КиТ. №1 2003.
  6. Hagenhoff Dirk, Passe Thomas. Fast mounting systems of low power IGBT modules // PCIM Europe. № 10’2002.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо