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高功率密度功率模块的均匀高效嵌入式微流道冷却
Uniform and Efficient Embedded Microfluidic Cooling for High-Power-Density Power Modules
| 作者 | Weiyu Tang · Xiangbo Huang · Zhixin Chen · Kuang Sheng · Zan Wu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 功率模块 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅功率模块 微流体冷却 热性能 温度均匀性 集成封装架构 |
语言:
中文摘要
碳化硅(SiC)功率模块功率密度的不断增加给实现均匀的高热通量热管理带来了重大挑战,而这往往受限于传统封装。为解决这一问题,本文开发了一种嵌入式微流体冷却碳化硅功率模块,将嵌入式微通道与纳米银烧结相结合,以实现高效且均匀的冷却。利用皮秒激光蚀刻技术,在直接键合铜基板的芯片下方直接加工出微通道,并在基板中集成了交叉双层歧管,以促进大面积液体分配。首先使用碳化硅热测试芯片(SiC TTC)验证了所提出设计的热性能和温度均匀性。结果表明,该设计的结到流体的热阻超低,仅为0.064 K/W,性能系数大于20000,与传统散热器相比,热阻降低了52%,性能系数提高了10倍以上。在冷却液流速为3 g/s的情况下,该设计能够可靠地散发热量,最高可达655 W,结温梯度降低了86%。最后,将该设计应用于实际的碳化硅功率模块时,新架构改善的热性能使电流容量提高了43%。所提出的协同设计集成微流体冷却封装架构为下一代高功率密度电力电子设备提供了一种高效且易于扩展的解决方案。
English Abstract
The increasing power density of SiC power modules presents significant challenges in achieving uniform high-heat-flux thermal management, which is often limited by conventional packages. To address this, an embedded microfluidic-cooled SiC power module is developed, combining embedded microchannels and nano-silver sintering to enable efficient and uniform cooling. Microchannels were directly fabricated beneath the die footprint in the direct-bonded copper substrate using picosecond laser etching, with a crossover double-layer manifold integrated into the baseplate to facilitate large-area liquid distribution. The thermal performance and temperature uniformity of the proposed design were first validated using SiC thermal test chips (SiC TTCs). Our results demonstrated an ultralow junction-to-fluid thermal resistance of 0.064 K/W and a coefficient of performance greater than 20 000, representing a 52% reduction and more than a 10-fold improvement over conventional heat sinks, respectively. The design allowed reliable heat dissipation up to 655 W at a coolant flow rate of 3 g/s, reducing junction temperature gradients by 86%. Finally, when applied to a practical SiC power module, the improved thermal performance of the new architecture led to an increase in current capacity by 43%. The proposed codesigned integrated microfluidic-cooled packaging architecture offers an efficient and easy-to-extend solution for next-generation high-power-density power electronics.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项嵌入式微流道冷却技术为我们在高功率密度产品开发上提供了重要的技术突破方向。当前,我们的光伏逆变器和储能变流器正朝着更高功率密度和更紧凑设计演进,SiC功率模块的散热问题已成为制约产品性能提升的关键瓶颈。
该技术的核心价值体现在三个维度:首先,0.064 K/W的超低热阻和655W的散热能力意味着我们可以在相同体积下实现更高的功率输出,这对于工商业储能系统和大型地面电站逆变器的小型化至关重要。其次,86%的结温梯度降低显著改善了温度均匀性,这将直接延长SiC模块的使用寿命,降低我们产品的全生命周期成本。第三,43%的电流容量提升可使现有平台产品实现性能跃升,增强市场竞争力。
从技术成熟度评估,皮秒激光刻蚀和纳米银烧结技术已在半导体封装领域有应用基础,但集成化微流道设计的可靠性验证和量产工艺稳定性仍需深入研究。对阳光电源而言,主要挑战在于:一是液冷系统的复杂性会增加BOM成本和维护难度;二是需要建立完整的热-电-流耦合仿真体系;三是长期可靠性特别是冷却液与材料的兼容性需要充分验证。
建议我们可以优先在350kW以上的大功率逆变器和液冷储能系统中进行技术预研,与封装供应商联合开发定制化解决方案,同时评估该技术对系统级能效比(COP>20000)的实际贡献,为下一代超高功率密度产品平台奠定技术基础。