利用微通道结构直接冷却电源模块
本期给大家带来的是关于利用微通道结构直接冷却电源模块研究内容，希望对大家有帮助。
本文分享的是一种使用微通道铜结构的解决方案。
随着电源模块的功率密度越来越大，芯片的工作温度直接影响设备的可靠性。高功率模块需要优异的散热性能，来保障其长期工作的可靠性。
高功率电子通常由许多焊接在一个或多个基板上的若干功率模组成。基板通常是DBC（直接粘合铜）金属化焊接在陶瓷基板上。
一个常见的电源模块系统总体组成如图1所示，
图1.一个电源模块的总体设计
基于硅的电源芯片（例如IGBT、MOSFET和二极管）被焊接到陶瓷基基板上，然后将基板焊接到铜基板上，铜板的另一边被安装在一个风冷的铝散热器上。
当空间有限时，该模块被安装在一个液冷板上。在模块的底板和散热器/水冷板之间涂抹热润滑脂。
电源模块系统的热阻是每个单层的热阻之和。每一层的热阻都取决于其材料的导热系数和厚度。（R=L/(λ*A）
图2显示了电源模块典型材料的导热系数（a）和热阻（b）。
图2.电源模块中材料的导热系数(a)和热阻(b)
由上图2b可以看出，铝散热器、和导热硅脂的热阻在整个系统的热阻中的占比最大。
大部分的整体热阻发生在基底的背面和散热器之间。在运行过程中，热循环导致焊料界面的机械热应变，特别是在基板和基板之间。从底板上分层的基板会降低模块的可靠性。
克服机械和热应力问题并提高热性能的一种方法是使用微通道冷却结构直接冷却基底后侧。
减少或消除热阻
近年来，电源模块的热阻主要集中在陶瓷隔离基板上。引入了氮化铝和薄氧化铝，将基板到焊料层的热阻降低。在不考虑成本的情况下，可以使用更高的导热材料如金刚石进一步减少热阻。
增加基板上铜的厚度来增强散热的效果，进一步的优势可以通过直接将基板连接到散热器上来实现。
如图2所示，风冷散热器的热阻最大，其次是模块与散热器之间的导热硅脂。因此，提高热性能的最佳手段是消除这两个部分。
冷板液冷散热
在液冷冷板上组装电源模块是一种众所周知的增加冷却的方法，如图3所示。
图3.液体冷却板上的标准电源模块
风冷散热器被冷板取代，这改善了其热阻。界面材料的热阻在系统中的占比增大。
典型冷板是铝板中的简单的大通道，或压入铝板中的铜管。
之前的文章也分享过叶脉冷泵在水冷板设计上的启发与仿真验证
直接液冷
消除模块和散热器之间的润滑脂的热阻的最简单的方法，将液体直接流到模块的背面，如图4所示。
图4.将冷却液体直接流动进入模块背面
在这种情况下，热交换受到交换面积和不受控制的流量条件限制。
通过射流冲击冷却，可以实现更好的热交换效率。热交换区域仍然限于模块的面积。
为了增加换热面积，可以在底板上设计增加翅片，如图5所示。
图5.鳍板底板的直接液体流动冷却
这些方法都面临着外壳到模块背面的密封，防止液体泄漏的挑战。
基板内的液体流动冷却
为了克服密封问题，冷却液在基板内流动，如图6所示。
图6.具有直接集成基板的底板内的液体流动冷却
DBC基板直接连接到液冷的基板上。消除了基板和底板之间的焊料层的热阻。在底板内部有许多从上到下运行的柱子，并由平行的结构连接。
图7显示了一个三维微通道隔离（MCI）冷却器，
图7. MCI冷却器，a）与直接集成DBC基板；b）与焊缝集成DBC基板
图7a是一个具有直接集成的DBC衬底的冷却器部分。许多铜层被放置在两个DBC衬底之间，彼此链接衬底。
密封的入口和出口放置在与电源电路基板相对的基板上。图7b显示了带有焊接接头集成的DBC衬底的MCI冷却器。DBC衬底被焊接在冷却器上。
铜对陶瓷和铜对铜的直接粘合技术为制造具有高内表面的复杂微通道冷却器提供了可能，以实现优异的传热性能。
冷却器是由堆积8到10个内层和顶部和底部建立起来的具有进水和出口水开口的密封层。图8显示了由8到10个六角形铜层结合在一起的内层的堆叠过程。
图8.冷却器的通道结构
内层从上到下形成柱子，并有自由的翅膀进入液体中。图9显示了柱子和机翼区域的横截面。
图9.带有直接集成基板的冷却器的横截面切割图
没有集成陶瓷代替铜基板的冷却器的横截面如图10所示，
图10.无集成基板的冷却器的横截面切割图
图11显示了四种基板的热阻随水流的函数。
图11.热阻（Rthja）随水流的关系
基板A和B直接集成，C和D焊接在铜冷却器上。对于低流量，可以观察到对水流的强依赖性。
在流动开始，随后大流量增加时，热阻略有下降。这是由流动特性从层流到湍流的变化引起的。
如预期的那样，使用集成的AlN（氮化铝）基板可以实现最低的热阻。但焊接基底和集成基底之间的区别不是很大。
图12比较了具有导热硅脂层（柱1）的液冷金属板上的标准模块、具有液冷微通道基板和氧化铝基板（柱2）的标准模块以及具有集成AlN基板（柱3) 的标准模块的热阻。
图12.常规水冷模块(1)和集成水冷模块（2和3）的比较：(1)为封闭液体冷却系统的标准模块；(2)为微通道液体流动基板和焊接Al2O3基板的标准模块；(3)为集成AIN基板的标准模块
该图显示，与安装在带有导热硅脂层的标准液冷板上的模块相比，使用液冷基板的散热性能有所提高。
总结
采用几种措施可以降低功率模块的热阻。使用具有较高导热系数的隔离基板。利用液冷的微通道系统可以取得最实质性的进展。
电力电子器件的直接液体冷却可以降低半导体芯片结与环境之间的热阻。液体冷却的基板具有极低的热阻。
参考文献
新一代高效冷却电力设备的DBC基板
电力电子设备的直接电子冷却
微通道水冷却动力模块
电力电子产品的高效冷却
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