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可靠性与测试
★ 5.0
使用CuW微通道散热器和FC3283对离散加热器进行热管理
Thermal Management of Discretized Heaters Using CuW Microchannel Heat Sinks and FC3283
| 作者 | Isabella Amyx · Caleb Anderson · Nicole Cassada · Charles Lewinsohn · Devin Funaro · Clint Frye |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 微通道散热器 激光二极管条 铜钨 介电冷却液 热管理 |
语言:
中文摘要
使用微通道散热器(MCHS)的单相冷却已成为应对高功率微电子器件热挑战的一种常用方法。热管理是提高电子设备功率密度的最大障碍之一,并且经常限制设备的整体性能。在微通道散热器中通过单相液体冷却实现强制对流冷却,可降低热阻,从而在高功率条件下降低设备温度,这可以减小封装尺寸并延长设备的使用寿命。本文所述工作的目标是研究激光二极管阵列的实用冷却解决方案。本研究通过数值和实验研究,考察了铜钨(CuW)微通道散热器与介电冷却液(FC3283)搭配使用时,在 0.25 平方厘米的表面积上消散高达 600 瓦/平方厘米的离散和均匀热通量的有效性。选择 CuW 作为微通道散热器材料是因为它的热膨胀系数与砷化镓(一种常见的激光二极管衬底)相匹配。FC3283 用作与电力电子设备冷却兼容的介电冷却液。本研究中使用的微通道深度约为 365 微米,宽度约为 100 微米,水力直径为 160 微米。该研究考察了在各种施加功率负载和流速下的冷却性能,以确定最佳效果。最终热阻范围为:在最高流速下为 0.15 平方厘米·开尔文/瓦,在最低流速下为 0.26 平方厘米·开尔文/瓦。本研究的热性能结果表明,将离散热源与均匀热源分开考虑十分重要,并且证明了 CuW 微通道与 FC3283 的独特组合有望成为未来激光二极管阵列和其他高功率微电子器件冷却的一种选择。
English Abstract
Single-phase cooling using microchannel heat sinks (MCHS) has become a popular approach for overcoming the thermal challenges associated with high-powered microelectronic devices. Thermal management is one of the largest barriers to higher power densities in electronics and frequently limits overall device performance. The implementation of forced convective cooling via single-phase liquid cooling in MCHS reduces the thermal resistance resulting in lower device temperatures at high-power conditions, which can decrease the package size and extend the lifespan of devices. The goal of the work described in this article was to investigate practical cooling solutions for laser diode bars. This study examined the effectiveness of a copper tungsten (CuW) microchannel heat sink paired with a dielectric coolant (FC3283) for dissipating both discrete and uniform heat fluxes up to 600 W/cm2 across a 0.25-cm2 surface area through a numerical and experimental study. CuW was chosen as the MCHS material because it is thermal expansion matched to GaAs, which is a common laser diode substrate. FC3283 serves as a dielectric coolant that is compatible with power electronics cooling. The microchannels utilized in this work were approximately 365~ m deep and 100~ m wide resulting in a hydraulic diameter of 160~ m. The study investigated the cooling performance across a variety of applied power loads and flow rates to determine optimal effectiveness. The resulting thermal resistance ranged from 0.15 cm2 K/W at the highest flow rate to 0.26 cm2 K/W at the lowest flow rate. The resulting thermal performance from this study demonstrates the importance of considering discrete heat sources separately from uniform heat sources and proved that the unique combination of CuW microchannels with FC3283 can be a promising cooling option toward future advancements of laser diode bars and other high-power microelectronics.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于铜钨微通道热沉和FC3283介质冷却液的热管理技术具有显著的应用价值。随着光伏逆变器和储能变流器向更高功率密度方向发展,功率半导体器件(如IGBT、SiC MOSFET)的散热问题已成为制约系统性能提升的关键瓶颈。该研究实现了600 W/cm²热流密度下0.15-0.26 cm²K/W的热阻,这一性能指标对于我们下一代高功率密度产品具有重要参考意义。
该技术的核心优势在于三个方面:首先,铜钨材料的热膨胀系数匹配特性可有效降低热应力,这对提高功率模块在温度循环工况下的可靠性至关重要;其次,FC3283作为介质冷却液可直接接触带电部件,简化了绝缘设计,为逆变器和储能系统的紧凑化设计提供了新思路;第三,微通道结构(水力直径160μm)能够精确管理离散热源,这与我们功率器件的实际发热分布特征高度契合。
从技术成熟度评估,微通道散热技术在数据中心等领域已有应用基础,但在新能源装备的工业化应用仍面临挑战:包括微通道的长期防堵塞设计、氟化液的成本控制、以及在户外宽温度范围(-40°C至70°C)下的性能稳定性验证。此外,铜钨材料的加工工艺复杂度和成本也需要系统评估。
建议我们的技术团队关注该方向的研发进展,特别是针对1500V及以上高压系统、液冷储能系统等应用场景开展适应性研究,这可能成为阳光电源在下一代超高功率密度产品(如500kW+光伏逆变器、MW级储能PCS)中建立技术差异化优势的突破口。