Piastre di raffreddamento a liquido per moduli IGBT

1. Cos'è un modulo IGBT?

Nei veicoli elettrici, nella produzione di energia da fonti rinnovabili, nel trasporto ferroviario e nell'automazione industriale, i moduli IGBT si stanno evolvendo verso una maggiore densità di potenza, dimensioni più ridotte e temperature di giunzione più elevate. Tuttavia, con l'aumento della densità di potenza dei chip, lo spazio di raffreddamento disponibile si riduce rapidamente. Gli studi dimostrano che i problemi termici causano oltre il 50% dei guasti dei circuiti integrati; per l'elettronica di potenza, circa il 55% dei guasti degli IGBT è correlato alla temperatura. Il raffreddamento ad aria tradizionale ha un coefficiente di scambio termico convettivo limitato (circa 37 W/cm² al massimo) e un volume ingombrante, il che lo rende inadeguato per i moduli di potenza di nuova generazione. La tecnologia a piastre di raffreddamento a liquido si è affermata come soluzione fondamentale per la gestione termica dei chip ad alta potenza.

2. Sfide termiche degli IGBT e limitazioni del raffreddamento tradizionale

Un modulo IGBT genera una notevole quantità di calore. Per un inverter da 100 kW con un'efficienza del 98%, circa 2 kW di calore devono essere dissipati dal sistema di gestione termica. Inoltre, la distribuzione del calore non è uniforme; i punti caldi localizzati sulla superficie del chip possono raggiungere temperature molto superiori alla media, e questi punti caldi limitano le prestazioni dinamiche e la durata di vita.

La temperatura è fortemente correlata al guasto degli IGBT. Uno studio statistico sui guasti delle turbine eoliche in 23 paesi tra il 2003 e il 2017 ha dimostrato che il guasto del modulo IGBT è stato responsabile del 22% dei tempi di inattività non pianificati dei convertitori, uno dei componenti più soggetti a guasti nei sistemi eolici. Le frequenti accelerazioni/decelerazioni nei veicoli causano forti cicli di potenza e oscillazioni di temperatura, che portano all'affaticamento dei fili di collegamento, alla delaminazione delle saldature e ad altri guasti da fatica termica. L'instabilità termica può causare una perdita di potenza nei veicoli elettrici, un grave pericolo per la sicurezza.

Dal punto di vista della resistenza termica, la dissipazione del calore degli IGBT è un problema di resistenza termica in serie multistrato. La resistenza termica dell'interfaccia rappresenta oltre il 60% del totale, costituendo il principale collo di bottiglia. All'interno della resistenza giunzione-involucro, il substrato ceramico dbc (direct bonded copper) è il principale responsabile (oltre il 75%). Il raffreddamento ad aria tradizionale soffre di tre principali limitazioni: basso coefficiente di trasferimento del calore, scarsa capacità di eliminare i punti caldi localizzati e grande volume del sistema, in contrasto con la miniaturizzazione del sistema.

3. come piastre di raffreddamento a liquido lavoro e loro classificazione

Una piastra di raffreddamento a liquido (chiamata anche piastra di raffreddamento, piastra di raffreddamento a liquido o piastra di raffreddamento ad acqua) utilizza la convezione forzata del liquido per rimuovere il calore. Il principio di funzionamento è semplice: il calore proveniente dal modulo IGBT si trasferisce attraverso un'interfaccia termica alla base della piastra di raffreddamento, quindi viene trasportato via dal liquido refrigerante che scorre attraverso canali interni; il liquido refrigerante riscaldato circola verso uno scambiatore di calore, si raffredda e ritorna al circuito.

In base ai processi di produzione e alle forme strutturali, oggi in ingegneria vengono utilizzati quattro tipi principali di piastre fredde IGBT.

3.1 Piastre di raffreddamento a liquido tradizionali

I design tradizionali includono le tipologie forate, assemblate, saldate e tubolari. Queste presentano una lavorazione più semplice, costi inferiori e sono adatte a moduli IGBT a bassa e media densità di potenza. Tra queste, la piastra di raffreddamento tubolare (o piastra di raffreddamento a liquido tubolare) incorpora tubi di rame o acciaio inossidabile in scanalature di una piastra di base in alluminio, fissati mediante brasatura o resina epossidica. Offre prestazioni termiche e durata migliori rispetto alle piastre forate di base.

3.2 piastre di raffreddamento a liquido tubo

Le piastre di raffreddamento a liquido tubolari (chiamate anche piastre di raffreddamento ad acqua o piastre di raffreddamento a tubi) utilizzano tubi in rame o acciaio inossidabile come canali di raffreddamento, incorporati in una piastra di base in alluminio e fissati con adesivo termico o brasatura. I loro vantaggi includono la semplicità di produzione, il basso costo e la flessibilità nella configurazione dei tubi (ad esempio, a serpentina o a U) che può adattarsi alla distribuzione del calore dell'IGBT. Sono adatte per azionamenti industriali e inverter solari a media densità di potenza e a basso costo. Il diametro tipico dei tubi è di 6-12 mm e la pressione di esercizio è normalmente inferiore a 0,5 MPa.

3.3 piastre fredde a liquido fsw

Le piastre a freddo FSW (saldatura a frizione) utilizzano un perno di agitazione rotante per generare calore da attrito, plastificando il materiale e creando una saldatura allo stato solido tra il coperchio e la piastra di base scanalata. Questo processo non produce porosità, crepe o materiale d'apporto, garantendo un'elevata resistenza della saldatura, un'eccellente tenuta e nessuna deformazione del canale di flusso. Le piastre a freddo FSW sono ideali per gli inverter di trazione dei veicoli elettrici e i convertitori per il trasporto ferroviario, dove l'affidabilità a lungo termine è fondamentale. La larghezza tipica del canale è di 4-10 mm e la resistenza alla pressione può raggiungere 1,5-2,0 MPa.

3.4 piastre fredde a liquido estruso

Le piastre di raffreddamento a liquido estruse (o piastre di raffreddamento in alluminio) sono formate mediante estrusione di alluminio utilizzando uno stampo dedicato per produrre canali di flusso multiparalleli in un'unica fase, quindi tagliate, sigillate alle estremità e lavorate. I principali vantaggi sono l'elevata efficienza produttiva e il basso costo unitario, con dimensioni dei canali costanti, ideali per la produzione standardizzata ad alto volume. Tuttavia, i canali sono solitamente rettilinei, il che limita l'ottimizzazione delle alette. Queste piastre sono utilizzate in inverter generici e moduli di ricarica per veicoli elettrici dove la densità di potenza è modesta. Il diametro idraulico tipico è di 2-5 mm.

3.5 piastre di raffreddamento a liquido brasate

Le piastre di raffreddamento a liquido brasate (o piastre di raffreddamento brasate) sono realizzate mediante brasatura sottovuoto o in atmosfera controllata di una piastra di base con canali di flusso stampata a una piastra di copertura. Ciò consente la realizzazione di complesse strutture interne a alette, come alette a perno, alette oblique e turbulatori. La brasatura offre un'elevatissima libertà di progettazione, consentendo un migliore trasferimento di calore in dimensioni compatte, con una buona tenuta e basse tensioni residue. Le piastre di raffreddamento a liquido brasate sono la prima scelta per i moduli IGBT e SiC ad alta densità di potenza, ampiamente utilizzati nei sistemi di azionamento principali per veicoli elettrici di alta gamma, nei convertitori eolici e negli alimentatori industriali di fascia alta. Le dimensioni dei canali possono essere ridotte fino a 1-3 mm; con le alette a perno, la resistenza termica è significativamente inferiore rispetto ai tipi estrusi o tubolari. La brasatura sottovuoto è il processo più affidabile.

3.6 Confronto tra resistenza termica e struttura di diverse architetture di piastre di raffreddamento

Per agevolare la selezione ingegneristica, la tabella 1 confronta i principali parametri termici e strutturali delle quattro piastre fredde IGBT (inclusa quella tradizionale a tubi come riferimento).

Tabella 1: Resistenza termica e confronto strutturale di diverse architetture di piastre di raffreddamento a liquido

4. Ottimizzazione delle prestazioni: progettazione del canale di flusso e delle microalette

Le prestazioni di raffreddamento di un sistema di raffreddamento a piastre fredde dipendono fortemente dal canale di flusso interno e dal design delle alette. La ricerca attuale si concentra sulle seguenti aree.

Struttura delle alette: uno studio sul raffreddamento a liquido per tre moduli IGBT in un azionamento motore industriale ha confrontato alette dritte, alette sfalsate e alette oblique, confermando che le alette complesse migliorano la convezione. Inoltre, una piastra di raffreddamento a liquido a flusso stratificato su scala micrometrica con alette oblique ha ottenuto un aumento di 3 volte del coefficiente di trasferimento del calore, una riduzione di 1,4 °C della temperatura di picco del chip, un miglioramento del 37,8% nell'uniformità della temperatura e una riduzione di oltre il 15% della resistenza al flusso rispetto a una piastra di raffreddamento rettangolare a microcanali con la stessa portata, consentendo un raffreddamento affidabile di un chip da 800 W.

Ottimizzazione topologica: uno studio che utilizza l'ottimizzazione topologica a due obiettivi (massimo trasferimento di calore, minima resistenza al flusso) per una piastra di raffreddamento IGBT ha dimostrato che, rispetto a una piastra di raffreddamento a canale rettilineo, la piastra di raffreddamento con topologia ottimizzata ha raggiunto una caduta di pressione inferiore del 26,3%, una resistenza termica inferiore del 64,7% e un coefficiente di trasferimento di calore superiore del 16,3%.

Uniformità della temperatura: un team di ricerca dell'Università di Scienze e Tecnologie dell'Informazione di Nanchino ha proposto un'innovativa piastra di raffreddamento a liquido con canali a serpentina, alette potenziate e turbolatori sfalsati. I risultati sperimentali hanno dimostrato che l'aumento della portata del refrigerante ha ridotto la temperatura di picco del dispositivo di circa 22 K, con prestazioni termiche stabili in un determinato intervallo di portata.

Compromesso tra potenza di raffreddamento e potenza di pompaggio: in un sistema di raffreddamento a piastre fredde, l'aumento della portata migliora il trasferimento di calore ma aumenta anche il consumo di energia della pompa in modo non lineare. Nei veicoli elettrici, una caduta di pressione aggiuntiva di 10 kPa può comportare un consumo di energia della pompa da diverse a decine di watt, che deve essere considerato nel bilancio energetico del sistema.

5. Evoluzione dell'architettura: dal raffreddamento indiretto alla piastra di raffreddamento a liquido integrata/con sistema dbc

Nelle architetture di raffreddamento tradizionali, il modulo IGBT presenta una struttura multistrato "chip - dbc - piastra di base (in rame o alsilico) - piastra di raffreddamento", in cui ogni strato aggiunge resistenza termica. Come già accennato, la resistenza termica dell'interfaccia supera il 60% del totale.

Per superare questo problema, è emersa un'architettura innovativa: una piastra di raffreddamento a liquido integrata nel substrato dbc. L'idea è di integrare il substrato dbc direttamente nella piastra di raffreddamento, utilizzando processi ad alta temperatura per unire rame e ceramica (Al₂O₃ o AlN) in una struttura monolitica. I canali di raffreddamento sono posizionati direttamente sotto il chip, separati solo dal substrato dbc, riducendo drasticamente il percorso di conduzione del calore.

tre vantaggi principali: (1) elimina la piastra di base e il dissipatore di calore esterno, riducendo drasticamente la resistenza termica totale; (2) la risoluzione del canale fino a 0,3 mm, combinata con rame ad alta conduttività, raggiunge eccellenti prestazioni isotermiche; (3) supporta layout compatti ad alta densità di potenza e montaggio dei componenti su entrambi i lati. I parametri chiave dei materiali per questo schema integrato sono mostrati nella tabella 2.

Tabella 2: parametri chiave dei materiali per la piastra di raffreddamento a liquido integrata dbc (fonte: raffreddamento dell'elettronica, 2025)

Questa tendenza all'integrazione si allinea con la crescita del mercato dei moduli IGBT a raffreddamento diretto.

6. Selezione dei materiali e tecnologia del refrigerante

La scelta del materiale per le piastre di raffreddamento deve bilanciare conducibilità termica, lavorabilità e costo. La scelta più comune è la lega di alluminio 6063, con una conducibilità termica di circa 180-230 W/(m·K). Il rame offre circa 401 W/(m·K), ma la sua densità è tre volte superiore a quella dell'alluminio e il costo è molto più elevato; viene utilizzato solo in applicazioni di fascia alta con requisiti di raffreddamento stringenti.

Il refrigerante è un vettore critico per il trasferimento di calore. Uno studio pubblicato su Applied Thermal Engineering ha confrontato acqua deionizzata, acqua purificata, una soluzione di glicole etilenico al 20% in acqua e HFe7100. A Re = 1400, il criterio di valutazione delle prestazioni complessive (PEC) dell'acqua deionizzata era superiore del 9,3%, del 24,5% e del 163,9% rispetto all'acqua purificata, al glicole etilenico al 20% e all'HFe7100, rispettivamente. Re = 1400 (velocità di flusso ~0,5–0,6 m/s) è stato identificato come l'intervallo operativo ottimale per una bassa caduta di pressione. Nei sistemi pratici, la miscela di glicole etilenico al 50% in acqua è ampiamente utilizzata, offrendo protezione dal gelo e una buona conduttività termica.

7. processi di produzione e test di affidabilità

La saldatura/sigillatura di una piastra di raffreddamento a liquido influisce direttamente sull'affidabilità a lungo termine. Per i quattro tipi principali: a tubi, che utilizza l'incorporamento del tubo + brasatura o pressatura; FSW, che utilizza la saldatura per attrito; estrusa, che utilizza l'estrusione + sigillatura delle estremità; brasata, che utilizza la brasatura sottovuoto o in atmosfera. La brasatura sottovuoto e la saldatura per attrito sono i processi principali per le piastre di raffreddamento ad alta affidabilità.

I difetti di saldatura più comuni includono porosità, eccessiva diffusione, microfratture interne, scarsa adesione e ostruzione dei canali di flusso. Per le lamiere saldate a freddo (FSW) e brasate, è necessario ispezionare attentamente la tenuta della saldatura e la pulizia interna.

La planarità è un altro fattore chiave. Secondo la teoria del contatto di Hertz, anche le superfici macroscopicamente piatte presentano picchi e valli microscopici; l'area di contatto effettiva è molto più piccola dell'area nominale. Deviazioni di planarità a livello micrometrico possono causare un aumento drastico della resistenza termica dell'interfaccia. I criteri di accettazione tipici per i sistemi di raffreddamento a piastra fredda includono:

• Tenuta stagna: test di tenuta all'elio, perdita ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s o ≤ 0,05 ml/min a 0,5–2,0 mpa

• resistenza alla pressione: test di scoppio idraulico ≥ 3× pressione di esercizio (normalmente ≥ 3,0 MPa)

• planarità: ≤ 0,05 mm per 100 mm (totale ≤ 0,1 mm)

• pulizia: particelle ≤ 10 mg/m²

8. Valore delle piastre di raffreddamento a liquido nei campi di applicazione dell'IGBT

Veicoli elettrici: la piastra di raffreddamento a liquido gestisce il calore proveniente dall'inverter di trazione, influenzando direttamente la potenza erogata dal motore. I moduli SiC hanno una densità di potenza 2-3 volte superiore rispetto ai tradizionali IGBT; le efficienti piastre di raffreddamento a liquido tubolari, FSW o brasate eliminano efficacemente i punti caldi localizzati, migliorando l'autonomia e l'affidabilità dei veicoli elettrici.

Inverter eolici e solari: i moduli IGBT funzionano a lungo termine sotto carico elevato; il sistema di raffreddamento deve avere una lunga durata e richiedere poca manutenzione. Le piastre di raffreddamento garantiscono temperature di giunzione stabili più basse e minori oscillazioni di temperatura, migliorando significativamente l'affidabilità in condizioni difficili.

Trasporto ferroviario: l'elettrificazione aumenta la richiesta di raffreddamento; il raffreddamento attivo a liquido (azionato da pompa) offre un controllo della temperatura più preciso rispetto alla convezione naturale o al raffreddamento ad aria forzata, migliorando l'affidabilità in ambienti estremi.

(Piastre di raffreddamento simili per l'elettronica vengono utilizzate anche nelle piastre di raffreddamento delle CPU per processori ad alte prestazioni, nelle piastre di raffreddamento a liquido per i pacchi batteria dei veicoli elettrici e nelle piastre di raffreddamento isolate per l'isolamento ad alta tensione.)

9. Prospettive di mercato e tendenze tecnologiche

Secondo Qyresearch, il mercato globale dei substrati per dissipatori di calore IGBT ha raggiunto 720 milioni nel 2024 e si prevede che raggiungerà 1,165 miliardi entro il 2031, con un CAGR del 7,7%. All'interno di questa crescita, le piastre di raffreddamento a liquido, in particolare quelle brasate e FSW, sono i principali motori. Il CAGR del 17,9% per i moduli IGBT raffreddati a liquido diretto è significativamente superiore al 7,7% complessivo per i substrati IGBT, indicando una rapida diffusione della tecnologia di raffreddamento a liquido.

Un concetto avanzato, la piastra di raffreddamento a liquido a getto multi-ugello (mjilcp) per 1000 W TDP, presentato a una conferenza IEEE, ha mostrato una resistenza termica inferiore del 14,3% e una potenza di pompaggio inferiore del 19,3% rispetto a una piastra di raffreddamento convenzionale con canale fresato. Per ottenere una resistenza termica di 0,0236 °C/W, mjilcp ha richiesto il 48% in meno di potenza di pompaggio.

L'evoluzione futura si concentra su tre direzioni:

1. Integrazione profonda: dal raffreddamento indiretto all'integrazione del sistema dbc embedded, per una riduzione ulteriore della resistenza termica.

2. Progettazione intelligente: progettazione assistita dall'IA, ottimizzazione topologica e produzione additiva per canali di flusso personalizzati (piastra di raffreddamento per liquidi personalizzata, piastre di raffreddamento personalizzate).

3. Adattamento a molteplici scenari: soluzioni personalizzate per piattaforme ad alta tensione da 800 V, alta quota, ecc., eventualmente con l'inclusione di una piastra di raffreddamento ad azoto liquido per esigenze di raffreddamento estreme.

Con l'avanzare della produzione locale e l'intensificarsi della rivoluzione energetica, le piastre di raffreddamento a liquido si evolveranno da componenti ausiliari a elementi chiave per la densità di potenza e l'affidabilità negli IGBT e, più in generale, nell'elettronica di potenza.