熱分析優化

使 Flotherm 仿 IGBT 模塊
 
隨著集成電路不斷被認為能提供更多核心和更快時鐘速度,它們也被要求具備更強散熱能力。微處理器以成倍的指定時鐘速度運行,從而獲得性能優勢,生產出為大部分市場所研發的產品。而且由于系統有不同散熱需求,散熱管理挑戰日益增多。因此,產生的疑問是:這些系統中功率最大的系統能否利用對流散熱。作為主要選擇,液體冷卻能處理溫度較高的熱載荷,但價格相當昂貴,比起對流散熱面臨更高挑戰。
 
圖 1:這是一種 IGBT 模塊,安裝在平行板式鋁制散熱器上
 
我們可以提供定制設計和散熱產品服務,最近其工程師對備用 100 千瓦 IGBT 模塊的冷卻方式進行評估,散熱量達兩千瓦。
 
 
圖 2:此圖顯示的是從芯片結到散熱器表面的熱阻堆棧冷卻兩千瓦集成電路
 
Foson開始量化該挑戰,并側重于散熱量達 2 千瓦的 100 千瓦 IGBT 功率模塊,因為這樣的模塊是轉換器和逆變器電路常用的配置。IGBT 主要用作電源和電機驅動應用中循環電路和逆變器電路中靜態和動態間的轉換。IGBT 三維多層封裝的出現能有助于實現更高的可靠性,降低電噪聲和成本。不過,這種方法將電子模塊更緊密地結合在一起,增加了熱通量和熱密度。
 
在以上提到的任一應用中,一旦功耗部件生成,其使得半導體溫度升高,開關總功耗增加。這些裝置的最高結溫通常是 150℃,然而較低的溫度能提高產品可靠性。傳統上的選擇一直是對流式散熱器,但由于一些軍事和商業應用要求達到數兆千瓦,散熱器已由鋁制改為銅制,并由于對流式散熱器感應能力的限制,液冷散熱器又取代了對流式散熱器。
 
 

圖 3:優化過程中散熱器熱阻值降低
 
我們利用Flotherm 計算流體動力(CFD)軟件,對不同假設情況下的 IGBT 進行散熱器優化設計。我們選擇該軟件包的主要原因是它可以自動優化散熱器設計或 其他任何方面的熱管理。以成本函數的形式,在關鍵參數變化范圍內,用戶只需定義設計目標。軟件自動生成和運行所需模擬量,以探究最佳成本效益下的整個設計空間。分別運行所有的不同組合,然后 Flotherm 生成響應界面,顯示設計目標值。
 
 

圖 4:優化響應界面,結合設計目標使工程師能夠將完整的互動設計可視化
 
優化散熱器設計流體分析和散熱器優化,以界定 IGBT 散熱器風扇組件的限度范圍。電力電子電路采用直接鍵合式銅技術,該技術利用帶有銅制散熱器的電子模塊。將模塊式散熱組件和使用熱油脂接口的散熱器通過螺栓連接在一起。鍛鋁(型號為 6061-T6)制散熱器被用來優化啟動點。代表 comair rotron 模型 mt12b3 軸流風機的風扇曲線提供了通過導管式散熱器的強迫對流情況。該風扇具有的最大氣流量達 0.1415 立方米每秒(cmps)(300cfm),最大靜壓力達 206 帕斯卡(水下 0.811 英寸)。 循序優化求解被用來優化翅片數量,翅片厚度和基本軸向厚度。因為仿真中應用到的風扇曲線、流量、流速和壓力降受到這些設計參數的影響。
 
從 10 個翅片開始,一個翅片的厚度為 0.4 毫米,基本軸向厚度為 4 毫米,優化過程中允許在正負 30%范圍內調整變量。如果優化變量處于范圍內最低或最高點,從以往優化值開始,另外運行十次求解。如果優化值沒有達到最小或最大值,則在正負 10%范圍內另外運行十次求解。如果始于同一點進行第二次運行后,優化值不變,則在正負 5%范圍內開始運行 20 次求解。如果優化值還是不變,則認為求解完成。
 

圖 5:該圖表顯示的是各類散熱器擴展電阻間的比較證明對流式散熱能力足夠
 
鋁制散熱器的優化體現鋁的極限性。最終得到的是厚度為 54 毫米,60 厘米 x60 厘米,擁有 127個厚度為 1.21 毫米翅片的鋁制散熱器。采用先前描述的風扇曲線,其得到的氣流量為 0.08672立方米每秒(184 立方米每分鐘),壓力降為 84.1 帕斯卡(水下 0。331 英寸。),面積為 15.6 平方米。 總的傳熱系數約為 1.501 Wpm2 K,其導致溫度升高 85。4℃,熱阻值為 0.0427 度 CpW。從結到散熱器,使用熱電阻,其規定周圍環境溫度為 50 度,而結溫約為 184 度,這顯然不能被接受。
該仿真結果表明,由于擴展電阻性的影響,不論芯片大小,鋁制散熱器都無法對其實現散熱:所制造的鋁制散熱器越大,由于擴展電阻性,效率也越低。
 
 

圖 6 表明從鋁制,然后到銅制,再到蒸汽腔體散熱器,整體性能不斷提高
 
與鋁相比,銅的熱導率有大幅度提高,因此在其應用中,性能自然也更高。優化表明:40 厘米 x 40厘米 x 10 厘米的銅制散熱器能滿足溫度要求。問題是對于絕大多數應用來說,其重量過大。
 
由此認識到,在該應用中,擴展電阻性是需要克服的難題,對此,工程師嘗試采用帶有銅制翅片的蒸汽腔體散熱器。蒸汽腔體是板形熱管,可用作散熱器的底板,能使熱量更有效地通過平面,減少熱源的擴展電阻。而且,蒸汽腔體也更便宜、更簡易、比起液冷系統可靠性更高。優化表明通過減少擴展電阻性,更有效地利用散熱器的外部空間,蒸汽腔體將散熱器的尺寸縮小至 20厘米 x 20 厘米 x 10 厘米。因此,這又將散熱器的重量減少至 9 公斤或 20 磅左右,其深為大多數應用所接受,其性能同液冷系統一樣。
 
熱仿真和自動優化技術的關鍵在于我們能夠證明眾多關于鋁制散熱器中高功率芯片的散熱問題可能是源于材料的高擴展電阻性。他們還表明,雖然銅已有了很大改進,但在要求較高的應用中重量又是個問題。蒸汽腔體能提供更低的擴展電阻性,因此,它能更充分地利用散熱器的所有空間。