电力电子集成模块用平板型热管基板的传热特性

电力电子集成模块用平板型热管基板的传热特性:摘要：为了解决集成模块中面临的热集中和热影响问题，提高模块的热扩散能力，并实现模块热管理集成，本文对基于新型垂直传热平板热管的电力电子集成模块的传热特性进行了研究。文中介绍了小型径向平板热管的工作机理，建立了基于该热管的集成模块热路模型，该集成模块的稳态和瞬态传热实验结果验证了该模型的有效性。并且，将该热管基板模块与纯铜基板和空气填充热管基板模块在稳态和瞬态传热特性进行了对比。实验结果表明，热管基板的等温性和蒸发端的高对流换热系数增强了模块的热扩散能力，削弱了模块的热集中现象，管芯、DBC和焊料层的热阻相对于铜基板集成模块减小30％，并且在正反放置的情况下热管具有相同的高效散热能力，IGBT管芯的最大热流密度达到186W/cm2。集成模块结壳热阻随着热流密度的提高而减小，提高了集成模块的抗热冲击性能。
关键词：电力电子集成模块；小型径向平板热管；传热特性；热路模型
1  引言
电力电子集成技术的产生和发展正快速地促进电力电子集成模块朝着小型化、轻量化、智能化方向发展[1-3]。集成模块的小型化不仅能够减少耗材、减轻重量、增加功率密度和降低成本，而且能够提高功率器件的封装密度，减小由封装引起的寄生电感、电容和电阻参数，从而改善和提高集成模块的电气性能。然而，集成模块的小型化在增加模块功率密度的同时，也增加了模块损耗功率密度，导致集成模块内的发热功率管芯的热集中非常显著，各个管芯之间的热影响非常严重【4a】。散热问题已成为制约集成模块朝着小型化方向发展的主要因素之一。同时，研究[5]表明电力电子集成模块的失效有近55％是由于高温引起的。因此，综合优化模块传热性能，并研究开发具有紧凑可靠、灵活高效和免维护的新型散热方式，实现模块热管理的集成，是电力电子集成技术中急需解决的一个问题。
目前，电力电子集成模块的散热技术主要有风冷散热（分自然风冷和强制风冷两种）、水冷散热、微通道散热和热管散热[4b]。风冷散热具有装置结构简单、成本低廉等特点，但对于集中发热源存在着温度场集中、翅片散热效率不高等问题；水冷散热和微通道散热虽然散热效率高，但其装置结构复杂，需要驱动液体循环的水泵和液体冷却装置。文献[6]中对电力电子集成模块的散热方式及效率进行了详细对比。热管是具有特别高的导热性能的传热元件，它的等温性和超导热性可以用来冷却高热流密度的发热源和调节传热路径的热流密度[7]。因此，热管在解决集成模块中的热集中和热影响问题具有非常明显的优势。