تبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة

تقع الإلكترونيات عالية الطاقة في قلب التطبيقات مثل المركبات الكهربائية وتوربينات الرياح والسكك الحديدية عالية السرعة وشبكات الطاقة.في الوقت الحاضر ، تتطور الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة نحو مستوى طاقة عالي وتكامل عالي.لذلك ، لا محالة مشكلة تبديد الحرارة.ستؤدي الحرارة الناتجة عن أجهزة أشباه الموصلات عالية الطاقة إلى ارتفاع درجة حرارة الرقاقة.بدون تدابير تبديد الحرارة المناسبة ، ستتجاوز درجة حرارة التشغيل للرقاقة الحد الأقصى لدرجة الحرارة المسموح بها.سيؤدي ذلك إلى تدهور أداء الجهاز أو حتى إتلافه.أظهرت الدراسات أنه مقابل كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة شريحة أشباه الموصلات ، ستنخفض موثوقية الشريحة بمقدار النصف.كلما ارتفعت درجة حرارة تشغيل الجهاز ، قل عمر الجهاز.يعد خفض درجة حرارة الجهاز طريقة فعالة لإطالة دورة حياته.في هذه المرحلة ، تم إجراء العديد من الأبحاث حول التصميم الحراري وتحسين تبديد الحرارة لمختلف الأجهزة والمعدات الإلكترونية.

ينعكس تأثير درجة الحرارة على حياة الأجهزة الإلكترونية بشكل أساسي في جانبين.أحدهما هو الفشل الحراري للرقاقة ، والآخر هو تلف الإجهاد.درجة حرارة العمل الآمن لرقائق السيليكون الشائعة بشكل عام - 40 ~ 50 ℃ ، ويمكن للجهاز أن يعمل بشكل طبيعي ضمن نطاق درجة حرارة العمل الآمن.عندما تتجاوز درجة حرارة الوصلة درجة حرارة التشغيل الآمنة ، فإنها سوف تتسبب في فشل حراري للرقاقة.الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة المسموح بها لرقائق السيليكون هي بشكل عام 175 درجة مئوية.من ناحية أخرى ، نظرًا للاختلاف في معامل التمدد لكل مادة في الجهاز ، فإن درجة حرارة الوصلة العالية بشكل مفرط ستؤدي إلى زيادة الضغط الحراري في الشريحة.وهذا بدوره يتسبب في تلف ميكانيكي مثل ثني اللحام في الشريحة والسقوط من سلك الربط.أشار بعض العلماء في أبحاثهم إلى أنه بالنسبة للرقائق القلابة على إطارات الرصاص ، نظرًا للاختلاف الكبير في معامل التمدد الحراري بين إطار الرصاص النحاسي وشريحة السيليكون في العبوة ، فإن الإجهاد الحراري تحت تأثير الحمل الحراري سيؤدي إلى تلف إلى الهيكل السطحي للرقاقة المتصلة بمفاصل اللحام..أشار بعض العلماء أيضًا في المقالة إلى أن الضغط المتبقي الناتج عن تقنية ربط اللحام التقليدية المستخدمة في تغليف جهاز أشباه الموصلات سوف يتفاقم بدرجة أكبر في درجات الحرارة المرتفعة.يؤدي في النهاية إلى كسر هش للرقاقة وطبقة اللحام من الركيزة.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتسبب درجة حرارة الوصلة العالية بشكل مفرط في حدوث انهيار حراري للرقاقة ، أو حتى الذوبان الحراري للرقاقة.هذه الأعطال هي حالات فشل غير قابلة للاسترداد ، وبالتالي فإن تلف الجهاز بسبب ارتفاع درجة الحرارة يكون قاتلاً.

معلمات الجهاز الإلكتروني نفسه حساسة للغاية لتغيرات درجة الحرارة.ستتغير مقاومته في الحالة ، وانخفاض الجهد الأمامي ، والجهد العتبة ، وتيار التوصيل والمعلمات الأخرى مع تغير درجة الحرارة.على سبيل المثال ، تزداد المقاومة على الحالة لوحدة MOSFET للطاقة بشكل خطي تقريبًا مع زيادة درجة حرارة الوصلة.لذلك ، سيزداد أيضًا فقد الجهاز متماثل الشكل ، مما يتسبب في توليد المزيد من الحرارة بواسطة الجهاز.يؤدي هذا إلى زيادة درجة حرارة الوصلة ، مما يؤدي إلى حدوث حلقة مفرغة.بالنسبة لـ IGBT ، أظهرت الدراسات ذات الصلة أن وقت تأخير إيقاف التشغيل سيزداد مع زيادة درجة حرارة تقاطع التشغيل للجهاز.يمكن استخدام الاستخدام المعقول للمعلمات الحرارية كمعامل توصيف لدرجة حرارة تقاطع الجهاز.يمكن أن يتسبب فقدان التحكم في المعلمات الحرارية في أضرار جسيمة للجهاز ، ويميل الضرر الناجم عن المعلمات الحرارية إلى مزيد من التدهور مع زيادة درجة الحرارة.

باعتبارها المكونات الأساسية لمعدات الطاقة الإلكترونية ، فإن الأجهزة الإلكترونية للطاقة ستؤدي حتماً إلى خسائر مختلفة أثناء التشغيل ، بما في ذلك فقدان التوصيل وفقدان التبديل.إذا لم يتم تبديد الحرارة الناتجة عن الجهاز في البيئة المحيطة في الوقت المناسب ، فإن درجة حرارة التشغيل المرتفعة ستؤثر بشكل خطير على التشغيل العادي للجهاز والتشغيل الموثوق للجهاز.مع تقدم تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة ، تتطور المعدات في اتجاه التصغير والضغط.هذا يجعل خصائص تركيز الحرارة ومساحة تبديد الحرارة الصغيرة للأجهزة الإلكترونية للطاقة بارزة بشكل متزايد ، مما يؤدي إلى الزيادة المستمرة في كثافة تدفق الحرارة السطحية للأجهزة.في التطبيقات عالية الطاقة ، من الضروري تركيب أحواض حرارية إضافية لتحقيق تشغيل موثوق للمعدات.بالإضافة إلى ذلك ، مع تطبيق مواد جديدة مثل SiC في الأجهزة الإلكترونية للطاقة ، نظرًا لتقليل حجم الرقاقة ، تكون كثافة تدفق الحرارة المحلية أعلى ، ومتطلبات تبديد الحرارة أعلى.

مع التطور السريع للأجهزة الإلكترونية للطاقة ، تتوسع سيناريوهات التطبيق وتعقد باستمرار.عادة ما تواجه المعدات بيئات خارجية مختلفة مثل درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية والملح العالي والاهتزاز وحتى الفراغ.هذا يُخضع الجهاز والمكونات الموجودة بداخله لاختبارات مختلفة.في نفس الوقت ، يتم وضع متطلبات أعلى على نظام تبديد الحرارة للمعدات.لذلك ، من الضروري مراعاة تأثير العوامل البيئية المختلفة على التصميم الحراري للجهاز.قام بعض العلماء بتحليل احتياجات تطوير تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة في درجات حرارة قصوى ، مشيرين إلى أن درجات الحرارة المرتفعة للغاية وبيئات درجات الحرارة المنخفضة في الفضاء والمجالات الأخرى لا مفر منها للأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالطاقة.لذلك ، فإن البحث عن أداء الأجهزة في البيئات القاسية مهم للغاية.نظر بعض العلماء في خصائص درجات الحرارة المرتفعة والرطوبة العالية في بيئة منجم الفحم ، وقاموا بتحليل خصائص ارتفاع درجة الحرارة لمحول طاقة محرك المنجم في بيئة رطبة.من خلال المحاكاة والبحث التجريبي ، وجد أنه في ظل نفس درجة الحرارة المحيطة ، ينخفض ​​الحد الأقصى لارتفاع درجة الحرارة لمحول الطاقة مع زيادة الرطوبة النسبية للبيئة.هذا لديه فهم أولي لقانون التدفئة في البيئات الرطبة.نظرًا لتعقيد بيئة التطبيق ، في تصميم المعدات الإلكترونية للطاقة ، لا يجب مراعاة تأثير البيئة على المكونات الداخلية فحسب ، بل يجب أيضًا مراعاة خصوصية التصميم الحراري للمعدات.وفقًا للخصائص البيئية المختلفة ، قم بتحسين طريقة تبديد الحرارة.بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري أيضًا مراعاة تأثير البيئة على نظام تبديد الحرارة لتحسين كفاءة تبديد الحرارة وموثوقية نظام تبديد الحرارة.

يتضمن التصميم الحراري لإلكترونيات الطاقة أكثر من مجرد مجال نقل الحرارة.كما هو مبين في الشكل 1 ، في تحليل مسار نقل الحرارة للأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة النموذجية باستخدام طريقة المحاكاة الحرارية ، من أجل تحقيق تأثير جيد لتبديد الحرارة ومراعاة الموثوقية والوزن الخفيف ومتطلبات تصغير المعدات ، ضروري للنظر بشكل شامل في مجال درجة الحرارة ومجال الإجهاد الاقتران بمجال التدفق.يمكن أن نرى من التحليل أعلاه أن التصميم الحراري لمعدات الطاقة الإلكترونية هو بحث يشمل العديد من التخصصات مثل الميكانيكا والإلكترونيات ونقل الحرارة وميكانيكا السوائل.لذلك ، من الضروري النظر في تصميم التكامل الميكانيكي والكهربائي الحراري للأجهزة الإلكترونية للطاقة ، والتركيز على اقتران مجالات الفيزياء الكهربائية الحرارية والميكانيكية المتعددة للأجهزة الإلكترونية للطاقة.

تتضمن عملية نقل الحرارة للأجهزة الإلكترونية للطاقة ثلاث طرق: التوصيل الحراري ، والحمل الحراري ، والإشعاع الحراري.يعتبر التوصيل الحراري من الرقاقة إلى المشتت الحراري والحمل الحراري من المشتت الحراري إلى البيئة المحيطة من طرق نقل الحرارة الرئيسية.يبدأ تصميم تبديد الحرارة للمعدات الإلكترونية للطاقة بشكل أساسي من هذين الجانبين.يمكن تقسيم طرق تبديد الحرارة الشائعة إلى تبديد الحرارة النشط ، وتبديد الحرارة السلبي ، والتبريد الحراري وفقًا للطريقة التي يتم بها إبعاد الحرارة عن المبرد.يشتمل التبديد الحراري السلبي بشكل أساسي على الحمل الحراري الطبيعي الشائع ، وتلامس الغاز السائل غير المباشر ، وتبريد تغيير الطور السائل والصلب ، وتبريد سائل الغمر بالتلامس المباشر وتبريد تغيير الطور.يشمل التبريد النشط بشكل أساسي تبريد الهواء القسري المشترك والتبريد القسري بالسائل.من أجل إفساح المجال كاملاً لقدرة تبديد الحرارة لطرق تبديد الحرارة الحالية ، تعمل تقنية تبديد الحرارة للمعدات الإلكترونية للطاقة باستمرار على تحسين وتحسين طرق تبديد الحرارة الحالية أثناء تطوير تقنيات جديدة لتبديد الحرارة.الشكل 2 هو رسم تخطيطي لنطاق تدفق الحرارة المقابل لطرق تبديد الحرارة الشائعة.

تستخدم تقنية تبديد الحرارة بالحمل الطبيعي الهواء كوسيط لنقل الحرارة.إنها تستخدم الطفو الناتج عن التمدد الحراري والانكماش البارد للهواء نفسه لجعل تدفق الهواء حول زعنفة المبرد لتحقيق التبادل بين الهواء الساخن والهواء البارد.بالمقارنة مع طرق تبديد الحرارة الأخرى ، لا يتطلب تبديد الحرارة بالحمل الطبيعي أي طاقة إضافية ، وهيكل بسيط ، وتشغيل موثوق به ولا يحتاج إلى صيانة بشكل أساسي.يستخدم على نطاق واسع في حالة تدفق الحرارة المنخفضة.بسبب هيكل تبديد الحرارة البسيط ، فإن البحث في تبديد الحرارة بالحمل الطبيعي يركز بشكل أساسي على تحسين هيكل تبديد الحرارة واتجاه التركيب.في السنوات الأخيرة ، هناك العديد من الأبحاث حول تبديد الحرارة مدعومة بنظرية التآزر الميداني.

على عكس تبديد الحرارة بالحمل الطبيعي ، فإن حركة الهواء المبرد بالهواء القسري يتم تشغيلها بواسطة مروحة.لأن سرعة الهواء تزداد بشكل كبير ، تكون قدرته على تبديد الحرارة أقوى.من الواضح أن تدفق الحرارة أعلى من تبديد الحرارة بالحمل الطبيعي ، حوالي 5 إلى 10 مرات من تبريد الهواء الطبيعي.يتضمن تصميم هيكل تبريد الهواء القسري بشكل أساسي تصميم معلمات هيكل المشتت الحراري ، واختيار مروحة التبريد وتصميم مجرى الهواء السائل.هذه الجوانب الثلاثة للتصميم تجعل منطقة تبديد الحرارة وتدفق الهواء وتوازن انخفاض ضغط الهواء ، من أجل جعل تبديد حرارة تبريد الهواء القسري يلعب أفضل تأثير.نظرًا لأن تأثير تبديد الحرارة لتبريد الهواء القسري أفضل بشكل واضح من تأثير تبريد الهواء الطبيعي ، على الرغم من أن تأثير تبديد الحرارة ليس جيدًا مثل تأثير التبريد السائل القسري ، فإن تعقيده وحجمه ووزنه والصيانة المتأخرة أفضل بوضوح من تأثير التبريد بالسائل. التبريد السائل.يمكن استخدامه على نطاق واسع وتطويره بسرعة في التصميم الحراري للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة.

يوضح الشكل 3 بنية نموذجية للقوة التبريد السائل.يتم نقل الحرارة الناتجة عن مصدر الحرارة في هيكل تبديد الحرارة إلى سائل التبريد من خلال عبوة الجهاز ولوحة التبريد السائل في طريقة التوصيل الحراري.يتم نقل السائل المسخن إلى قسم مبدل الحرارة تحت تأثير المضخة ويتم تبديد الحرارة إلى البيئة المحيطة من خلال مبدل الحرارة السابق.التبريد السائل القسري ، على عكس تبريد الهواء القسري ، ينقل الحرارة من مصدر الحرارة إلى جزء مبدل الحرارة السابق عن طريق تبريد السائل.الاتصال المباشر بمصدر الحرارة هو الموصلية الحرارية السائلة والسائلة أعلى بكثير من الهواء ، وبالتالي ، فإن تأثير تبديد الحرارة أفضل بكثير من تبديد الحرارة بتبريد الهواء القسري ، حوالي 6 ~ 10 مرات من تبريد الهواء.في تبديد حرارة التبريد السائل ، يمكن أن يؤدي استخدام الوسائط ذات التوصيل الحراري الأفضل إلى تحسين تأثير تبديد الحرارة بشكل كبير.طرح بعض العلماء تطبيق المعدن السائل كوسيط تبريد في التطور الحراري لنظام التبريد للأجهزة الإلكترونية للطاقة ، وتحققوا من إمكانية تطبيق المعدن السائل في التبريد السائل وتبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة من خلال المحاكاة والتجربة .نظرًا لوجود سائل في النظام ، من الضروري مراعاة استبدال السائل ومنع تلف تسرب السائل للجهاز.التبريد بالسائل القسري له متطلبات عالية على موثوقية السائل ونظام الأنابيب.نظرًا لهيكل النظام المعقد والعديد من المكونات ، من الواضح أن حجم ووزن النظام أكبر من تبديد حرارة تبريد الهواء.لذلك ، فإن بيئة تطبيق التبريد السائل القسري لها قيود معينة.

يستفيد التبريد الكهروحراري من التأثير الجزئي لمواد أشباه الموصلات ، حيث يتدفق التيار الكهربائي عبر واجهة مادتين مختلفتين ، ممتصًا أو يطلق الحرارة من العالم الخارجي.في السنوات الأخيرة ، مع تطور تكنولوجيا تصنيع مواد أشباه الموصلات ، تطور التبريد الكهروحراري بسرعة.يوضح الشكل 4 بنية نموذجية للتبريد الكهروحراري.على الرغم من أن نهاية التبريد للتبريد الكهروحراري يمكن أن تقلل بدرجة كبيرة من درجة حرارة مصدر الحرارة ، إلا أن قدرتها الكلية على تبديد الحرارة تقتصر على الطرف الساخن.يرتبط تأثير تبديد الحرارة للنظام بأكمله ارتباطًا وثيقًا بوضع تبديد الحرارة للنهاية الساخنة.نظرًا لتدابير تبديد الحرارة التي لا تزال بحاجة إلى اتخاذها في الطرف الساخن للتبريد الكهروحراري ، فإن نظام تبديد الحرارة الكلي معقد ومرهق ، مما يحد من تطبيقه.

تبديد حرارة أنبوب الحرارة هو مبدأ نقل الحرارة تغيير المرحلة السائلة.يمتص السائل المشبع داخل الأنبوب الحراري الحرارة من جانب درجة الحرارة المرتفعة ويتبخر.يتدفق البخار المشبع إلى جانب درجة الحرارة المنخفضة ليخرج الحرارة ويتكثف في سائل ، ويعود إلى جانب درجة الحرارة المرتفعة تحت تأثير الجاذبية أو القوة الشعرية للاستمرار في المشاركة في دورة الامتصاص وانبعاث الحرارة.يوضح الشكل 5 الهيكل النموذجي لأنابيب حرارة الجاذبية.على الرغم من أن تبديد الحرارة للأنابيب الحرارية هو تبديد سلبي للحرارة ، إلا أنه يتمتع بموصلية حرارية ممتازة لا تضاهى مع المعادن الأخرى.في السنوات الأخيرة ، تطورت أشكال مختلفة من تكنولوجيا تبديد الحرارة لأنابيب الحرارة بسرعة.

هناك نوعان من التعريفات الرئيسية للقنوات الصغيرة.يمكن تسمية القناة التي يبلغ قطرها الهيدروليكي من 0.01 إلى 0.2 مم قناة صغيرة.يتم تعريف الآخر من خلال نسبة الطفو إلى التوتر السطحي.بغض النظر عن التعريف ، جذبت تقنية تبديد الحرارة للقنوات الصغيرة اهتمامًا متزايدًا من الباحثين نظرًا لمزاياها البارزة مثل الحجم الصغير ، والفرق الصغير في درجة حرارة نقل الحرارة ، وكفاءة نقل الحرارة العالية لكل وحدة مساحة.في السنوات الأخيرة ، مع التحسين المستمر لنظرية القنوات الدقيقة والتطور السريع لتكنولوجيا المعالجة ، أصبحت هذه التكنولوجيا موضوع بحث ساخن للعلماء.البحث على القناة الصغيرة تكنولوجيا تبديد الحرارة يركز بشكل أساسي على تحسين حجم القناة وخصائص التدفق ونقل الحرارة لوسط القناة.

مع تعميق البحث والتطوير ، تم تطبيق مواد جديدة في مستويات هيكلية مختلفة.تطبيق مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق SiC في أجهزة التحويل.تطبيق وسيط تغيير الطور الجديد بموثوقية عالية في تبديد حرارة تغيير الطور.في مواد الواجهة الحرارية ، مكونات مختلفة لتطبيقات المعادن السائلة.

في حل مشكلة تبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة ، يجب أن تستند نظرية الديناميكا الحرارية أولاً.بدءاً بالقوانين الأساسية للديناميكا الحرارية ؛نعلق أهمية على البحث والتطوير للمواد الجديدة والإنتاج.سواء كانت مادة تبديد الحرارة أو مادة واجهة حرارية ، فإن المواد الجديدة لها مزايا لا تضاهى.تطوير مواد جديدة ذات خصائص حرارية فائقة وتقليل تكلفة الإنتاج والتطبيق ، بحيث يمكن استخدامها على نطاق واسع.يمكن أن يؤدي هذا إلى إفساح المجال كاملاً لإمكانيات تقنية تبديد الحرارة وتحسين تأثير تبديد الحرارة.يجب أن يستمر البحث في تقنية تبديد الحرارة الجديدة في العمق.في عملية تطوير تقنية تبديد الحرارة الحالية من السلبية إلى النشطة ، من الحمل الحراري الطبيعي إلى تبريد الهواء القسري إلى التبريد السائل القسري ، ومن تبديد الحرارة أحادي الطور إلى تبديد الحرارة متعدد المراحل ، زاد تدفق الحرارة بشكل كبير.على الرغم من أن وضع تبديد الحرارة الجديد سيصاحب حتمًا تغيير الهيكل العام ، فإن زيادة تدفق الحرارة أمر مهم ، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتحسين تأثير تبديد الحرارة الكلي للمعدات.