Vloeistofgekoelde platen voor IGBT-modules

1. Wat is een IGBT-module?

In elektrische voertuigen, hernieuwbare energieopwekking, spoorvervoer en industriële automatisering evolueren IGBT-modules naar een hogere vermogensdichtheid, kleinere afmetingen en hogere junctietemperaturen. Naarmate de vermogensdichtheid van de chip toeneemt, neemt de beschikbare koelruimte echter snel af. Studies tonen aan dat thermische problemen verantwoordelijk zijn voor meer dan 50% van de defecten aan geïntegreerde schakelingen; voor vermogenselektronica is ongeveer 55% van de IGBT-storingen temperatuurgerelateerd. Traditionele luchtkoeling heeft een beperkte convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (ongeveer 37 W/cm² in het beste geval) en een groot volume, waardoor het ongeschikt is voor de volgende generatie vermogensmodules. Vloeistofkoelplaattechnologie is uitgegroeid tot een belangrijke oplossing voor thermisch beheer van chips met een hoog vermogen.

2. Thermische uitdagingen van IGBT's en beperkingen van traditionele koeling

Een IGBT-module genereert aanzienlijke warmte. Voor een 100 kW-omvormer met een rendement van 98% moet ongeveer 2 kW aan warmte worden afgevoerd door het thermisch beheersysteem. Bovendien is de warmteverdeling niet uniform; lokale hotspots op het chipoppervlak kunnen veel heter zijn dan de gemiddelde temperatuur, en deze hotspots beperken de dynamische prestaties en de levensduur.

Temperatuur is sterk gecorreleerd met het uitvallen van IGBT's. Een statistisch onderzoek naar storingen in windturbines in 23 landen tussen 2003 en 2017 toonde aan dat IGBT-modulestoringen verantwoordelijk waren voor 22% van de ongeplande uitval van de omvormer – een van de meest storingsgevoelige componenten in windenergiesystemen. Frequent accelereren en decelereren in voertuigen veroorzaakt ernstige vermogensschommelingen en temperatuurschommelingen, wat leidt tot vermoeidheid van de verbindingsdraden, loslating van soldeerverbindingen en andere thermische vermoeidheidsverschijnselen. Thermische runaway kan leiden tot vermogensverlies in elektrische voertuigen, een ernstig veiligheidsrisico.

Vanuit het oogpunt van thermische weerstand is de warmteafvoer van IGBT's een meerlagig serieel probleem van thermische weerstand. De thermische weerstand van de interface is goed voor meer dan 60% van het totaal, waardoor dit de belangrijkste bottleneck is. Binnen de weerstand tussen de junctie en de behuizing is het DBC (Direct Bonded Copper) keramische substraat de belangrijkste bijdrager (meer dan 75%). Traditionele luchtkoeling kent drie belangrijke beperkingen: een lage warmteoverdrachtscoëfficiënt, een slecht vermogen om lokale hotspots te elimineren en een groot systeemvolume, wat in strijd is met systeemminiaturisatie.

3. hoe vloeistofkoelplaten werk en hun classificatie

Een vloeistofkoelplaat (ook wel koelplaat, vloeistofkoelplaat of waterkoelplaat genoemd) gebruikt geforceerde vloeistofconvectie om warmte af te voeren. Het werkingsprincipe is eenvoudig: warmte van de IGBT-module wordt via een thermische interface overgedragen naar de basis van de koelplaat en vervolgens afgevoerd door de koelvloeistof die door interne kanalen stroomt; de verwarmde koelvloeistof circuleert naar een warmtewisselaar, koelt af en keert terug.

Op basis van fabricageprocessen en constructievormen worden er tegenwoordig vier gangbare typen IGBT-koelplaten gebruikt in de techniek.

3.1 Traditionele vloeistofkoelplaten

Traditionele ontwerpen omvatten geboorde, geassembleerde, gelaste en buisvormige types. Deze hebben een eenvoudigere verwerking, lagere kosten en zijn geschikt voor IGBT-modules met een lage tot gemiddelde vermogensdichtheid. Een voorbeeld hiervan is de buisvormige koelplaat (of vloeistofkoelplaat met buizen), waarbij koperen of roestvrijstalen buizen in groeven van een aluminium basisplaat zijn ingebed en vastgezet door middel van solderen of epoxy. Deze biedt betere thermische prestaties en een langere levensduur dan de standaard geboorde platen.

3.2 buisvloeistof koelplaten

Vloeistofgekoelde buizen (ook wel watergekoelde koelplaten of buiskoelplaten genoemd) gebruiken koperen of roestvrijstalen buizen als koelkanalen, ingebed in een aluminium basisplaat en bevestigd met thermische lijm of solderen. De voordelen zijn onder andere een eenvoudige productie, lage kosten en flexibele buisconfiguraties (bijvoorbeeld serpentine of U-vormig) die kunnen worden afgestemd op de warmteverdeling van de IGBT. Ze zijn geschikt voor industriële aandrijvingen en zonne-omvormers met een gemiddelde vermogensdichtheid en een lage kostengevoeligheid. De typische buisdiameter is 6-12 mm en de werkdruk ligt normaal gesproken onder de 0,5 MPa.

3.3 fsw vloeistofkoelplaten

Bij FSW-vloeistofkoelplaten (friction stir welding) wordt een roterende roerpen gebruikt om wrijvingswarmte te genereren, waardoor het materiaal plastificeert en een vaste-stoflas ontstaat tussen de deklaag en de gegroefde basisplaat. Dit proces produceert geen porositeit, geen scheuren en geen vulmetaal, wat resulteert in een hoge lassterkte, uitstekende afdichting en geen vervorming van de stroomkanalen. FSW-koelplaten zijn ideaal voor tractieomvormers in elektrische voertuigen en converters voor railtransport, waar betrouwbaarheid op lange termijn cruciaal is. De typische kanaalbreedte is 4-10 mm en de drukweerstand kan 1,5-2,0 MPa bereiken.

3.4 geëxtrudeerde vloeistofkoelplaten

Geëxtrudeerde vloeistofkoelplaten (of aluminium koelplaten) worden gevormd door aluminiumextrusie met behulp van een speciale matrijs om in één stap meerdere parallelle stroomkanalen te produceren. Vervolgens worden ze gesneden, aan de uiteinden afgedicht en bewerkt. De belangrijkste voordelen zijn een hoge productie-efficiëntie en lage eenheidskosten, met consistente kanaalafmetingen, ideaal voor gestandaardiseerde productie in grote volumes. De kanalen zijn echter meestal recht, wat de optimalisatie van de koelvinnen beperkt. Deze platen worden gebruikt in algemene omvormers en laadmodules voor elektrische voertuigen waar de vermogensdichtheid bescheiden is. De typische hydraulische diameter is 2-5 mm.

3.5 gesoldeerde vloeibare koelplaten

Gesoldeerde vloeistofkoelplaten (of gesoldeerde koelplaten) worden gemaakt door een gestempelde basisplaat met stroomkanalen aan een afdekplaat te solderen onder vacuüm of in een gecontroleerde atmosfeer. Dit maakt complexe interne vinstructuren mogelijk, zoals pinvinnen, schuine vinnen en turbulatoren. Solderen biedt een zeer grote ontwerpvrijheid, waardoor een verbeterde warmteoverdracht in een compact formaat mogelijk is, met een goede afdichting en lage restspanning. Gesoldeerde vloeistofkoelplaten zijn de eerste keuze voor IGBT- en SIC-modules met een hoge vermogensdichtheid, die veelvuldig worden gebruikt in hoogwaardige EV-hoofdaandrijvingen, windomvormers en high-end industriële voedingen. De kanaalafmetingen kunnen zo klein zijn als 1-3 mm; met pinvinnen is de thermische weerstand aanzienlijk lager dan bij geëxtrudeerde of buisvormige vinnen. Vacuümsolderen is het meest betrouwbare proces.

3.6 Vergelijking van thermische weerstand en structuur tussen verschillende koelplaatarchitecturen

Om de technische selectie te vergemakkelijken, vergelijkt tabel 1 de belangrijkste thermische en structurele parameters van de vier IGBT-koelplaten (inclusief traditionele buizen als referentie).

Tabel 1: Vergelijking van de thermische weerstand en de structuur van verschillende vloeistofkoelplaatconstructies

4. Prestatieoptimalisatie: ontwerp van stroomkanalen en microvinnen

De koelprestaties van een koelplaatkoelsysteem zijn sterk afhankelijk van het ontwerp van de interne stromingskanalen en de koelvinnen. Huidig onderzoek richt zich op de volgende gebieden.

Vinnenstructuur: een onderzoek naar vloeistofkoeling voor drie IGBT-modules in een industriële motoraandrijving vergeleek rechte, verspringende pin-vinnen en schuine vinnen, en bevestigde dat complexe vinnen de convectie verbeteren. Bovendien behaalde een vloeistofkoelplaat met schuine vinnen en een gelaagde stroming een drievoudige toename van de warmteoverdrachtscoëfficiënt, een verlaging van de piektemperatuur van de chip met 1,4 °C, een verbetering van de temperatuuruniformiteit met 37,8% en een verlaging van de stromingsweerstand met meer dan 15% in vergelijking met een rechthoekige koelplaat met microkanalen bij dezelfde stroomsnelheid, waardoor een betrouwbare koeling van een chip van 800 W mogelijk werd.

Topologieoptimalisatie: een onderzoek met behulp van bi-objectieve topologieoptimalisatie (maximale warmteoverdracht, minimale stromingsweerstand) voor een IGBT-koelplaat toonde aan dat de topologie-geoptimaliseerde koelplaat, vergeleken met een koelplaat met rechte kanalen, een 26,3% lagere drukval, een 64,7% lagere thermische weerstand en een 16,3% hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt behaalde.

Temperatuuruniformiteit: een onderzoeksteam van de Nanjing University of Information Science & Technology heeft een innovatieve vloeistofkoelplaat ontwikkeld met serpentinekanalen, verbeterde vinnen en verspringende turbulatoren. Experimentele resultaten toonden aan dat een hogere koelvloeistofstroom de piektemperatuur van het apparaat met ongeveer 22 K verlaagde, met stabiele thermische prestaties binnen een bepaald stroombereik.

Afweging tussen koel- en pompvermogen: in een koelsysteem met koude platen verbetert een hogere doorstroomsnelheid de warmteoverdracht, maar verhoogt tegelijkertijd het pompvermogen op een niet-lineaire manier. In elektrische voertuigen kan een extra drukval van 10 kPa leiden tot een pompvermogensverlies van enkele tot tientallen watts, waarmee rekening moet worden gehouden in de energiebegroting van het systeem.

5. Architectuurontwikkeling: van indirecte koeling naar ingebouwde/DBC-geïntegreerde vloeistofkoelplaat

Bij traditionele koelarchitecturen heeft de IGBT-module een meerlaagse opbouw van "chip – DBC – basisplaat (koper of AlSiC) – koelplaat", waarbij elke laag bijdraagt aan de thermische weerstand. Zoals opgemerkt, bedraagt de thermische weerstand van de interface meer dan 60% van het totaal.

Om dit te overwinnen, is een baanbrekende architectuur ontstaan: een ingebedde of in een DBC geïntegreerde vloeibare koelplaat. Het idee is om het DBC-substraat direct in de koelplaat te integreren, waarbij koper en keramiek (Al₂O₃ of Aln) door middel van hogetemperatuurprocessen tot een monolithische structuur worden verbonden. Koelkanalen worden direct onder de chip geplaatst, alleen gescheiden door de DBC, waardoor het warmtegeleidingspad drastisch wordt verkort.

Drie belangrijke voordelen: (1) elimineert de basisplaat en externe koeling, waardoor de totale thermische weerstand drastisch wordt verlaagd; (2) kanaalresolutie tot 0,3 mm, gecombineerd met zeer geleidend koper, zorgt voor uitstekende isothermische prestaties; (3) ondersteunt compacte lay-outs met een hoge vermogensdichtheid en dubbelzijdige componentmontage. De belangrijkste materiaalparameters voor dit geïntegreerde schema worden weergegeven in tabel 2.

Tabel 2: belangrijkste materiaalparameters voor een dbc-geïntegreerde vloeistofkoelplaat (bron: elektronica-koeling, 2025)

Deze integratietrend sluit aan bij de marktgroei van direct gekoelde IGBT-modules.

6. materiaalkeuze en koelvloeistoftechnologie

Bij de materiaalkeuze voor koelplaten wordt een balans gezocht tussen thermische geleidbaarheid, bewerkbaarheid en kosten. De meest gangbare keuze is aluminiumlegering 6063, met een thermische geleidbaarheid van ongeveer 180-230 W/(m·K). Koper heeft een thermische geleidbaarheid van ongeveer 401 W/(m·K), maar de dichtheid is drie keer zo hoog als die van aluminium en de kosten zijn veel hoger. Koper wordt daarom alleen gebruikt in hoogwaardige toepassingen met strenge koelingseisen.

De koelvloeistof is een cruciale drager van warmteoverdracht. Een studie gepubliceerd in Applied Thermal Engineering vergeleek gedemineraliseerd water, gezuiverd water, een 20% ethyleenglycol-wateroplossing en HFE7100. Bij een Reynoldsgetal (re) van 1400 was de algehele prestatie-evaluatie (PEC) van gedemineraliseerd water respectievelijk 9,3%, 24,5% en 163,9% hoger dan die van gezuiverd water, 20% ethyleenglycol en HFE7100. Een re van 1400 (stroomsnelheid ~0,5–0,6 m/s) werd geïdentificeerd als het optimale werkingsbereik voor een lage drukval. In praktische systemen wordt een 50% ethyleenglycol-watermengsel veel gebruikt, dat vorstbescherming en een goede thermische geleidbaarheid biedt.

7. Productieprocessen en betrouwbaarheidstesten

Het lassen/afdichten van een vloeistofkoelplaat heeft een directe invloed op de betrouwbaarheid op lange termijn. Voor de vier belangrijkste typen: buisvormige platen worden buisinbedding en solderen of persen gebruikt; FSW wordt wrijvingsroerlassen gebruikt; geëxtrudeerde platen worden geëxtrudeerd en aan de uiteinden afgedicht; gesoldeerde platen worden vacuüm- of atmosferisch gesoldeerd. Vacuümsolderen en FSW zijn de meest gebruikte processen voor zeer betrouwbare koelplaten.

Veelvoorkomende lasfouten zijn onder andere porositeit, overmatige spreiding, interne microscheurtjes, slechte hechting en verstopping van de stroomkanalen. Bij FSW- en gesoldeerde koudgewalste platen moeten de lasafdichting en de interne reinheid zorgvuldig worden gecontroleerd.

Vlakheid is een andere belangrijke factor. Volgens de contacttheorie van Hertz hebben zelfs macroscopisch vlakke oppervlakken microscopische pieken en dalen; het werkelijke contactoppervlak is veel kleiner dan het nominale oppervlak. Afwijkingen in vlakheid op micronniveau kunnen de thermische weerstand van het grensvlak dramatisch verhogen. Typische acceptatiecriteria voor koelsystemen met koelplaten zijn onder andere:

• Lekdichtheid: heliumlektest, lekkage ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s of ≤ 0,05 ml/min bij 0,5–2,0 mpa

• Drukbestendigheid: hydraulische barstproef ≥ 3× werkdruk (normaal ≥ 3,0 MPa)

• vlakheid: ≤ 0,05 mm per 100 mm (totaal ≤ 0,1 mm)

• reinheid: deeltjes ≤ 10 mg/m²

8. De waarde van vloeistofkoelplaten in IGBT-toepassingen

Elektrische voertuigen: de vloeistofkoelplaat voert de warmte van de tractieomvormer af, wat direct van invloed is op het motorvermogen. SIC-modules hebben een 2-3 keer hogere vermogensdichtheid dan traditionele IGBT's; efficiënte vloeistofkoelplaten met buizen, FSW-verbindingen of soldeerverbindingen elimineren effectief lokale hotspots, waardoor de actieradius en betrouwbaarheid van elektrische voertuigen verbeteren.

Wind- en zonne-omvormers: IGBT-modules werken langdurig onder hoge belasting; het koelsysteem moet een lange levensduur hebben en weinig onderhoud vereisen. Koelplaten zorgen voor lagere, stabiele junctietemperaturen en kleinere temperatuurschommelingen, waardoor de betrouwbaarheid onder zware omstandigheden aanzienlijk verbetert.

Spoorvervoer: elektrificatie verhoogt de behoefte aan koeling; actieve vloeistofkoeling (pompaangedreven) biedt een nauwkeurigere temperatuurregeling dan natuurlijke convectie of geforceerde luchtkoeling, waardoor de betrouwbaarheid in extreme omstandigheden wordt verbeterd.

(Vergelijkbare koelplaten voor elektronica worden ook gebruikt in CPU-koelplaten voor krachtige processoren, koelplaten voor vloeistofkoeling in elektrische auto-accupakketten en geïsoleerde koelplaten voor hoogspanningsisolatie.)

9. Marktvooruitzichten en technologische trends

Volgens QY Research bereikte de wereldwijde markt voor IGBT-koelsubstraten een bepaald niveau. De markt voor direct vloeistofgekoelde IGBT-modules zal naar verwachting 720 miljoen bereiken in 2024 en 1,165 miljard in 2031, met een samengestelde jaarlijkse groei van 7,7%. Binnen deze groei zijn vloeistofgekoelde printplaten – met name gesoldeerde en FSW-typen – de belangrijkste drijfveren. De samengestelde jaarlijkse groei van 17,9% voor direct vloeistofgekoelde IGBT-modules is aanzienlijk hoger dan de algemene groei van 7,7% voor IGBT-substraten, wat wijst op een snelle opmars van vloeistofkoelingstechnologie.

Een geavanceerd concept, de multi-nozzle jet impingement liquid cold plate (MJILCP) voor 1000W TDP, gepresenteerd op een IEEE-conferentie, toonde een 14,3% lagere thermische weerstand en 19,3% lager pompvermogen in vergelijking met een conventionele koelplaat met gefreesde kanalen. Om een thermische weerstand van 0,0236 °C/W te bereiken, vereiste de MJILCP 48% minder pompvermogen.

De toekomstige evolutie richt zich op drie richtingen:

1. Diepgaande integratie: van indirecte koeling tot ingebouwde dbc-integratie, waardoor de thermische weerstand verder wordt verlaagd.

2. Intelligent ontwerp: AI-ondersteund ontwerp, topologieoptimalisatie en additieve productie voor op maat gemaakte vloeistofkanalen (op maat gemaakte vloeistofkoelplaat, op maat gemaakte koelplaten).

3. Aanpassing aan meerdere scenario's: oplossingen op maat voor 800V hoogspanningsplatforms, grote hoogte, enz., eventueel inclusief een koelplaat met vloeibare stikstof voor extreme koelingsbehoeften.

Naarmate de lokale productie zich verder ontwikkelt en de nieuwe energierevolutie zich verdiept, zullen vloeistofkoelplaten evolueren van hulpcomponenten tot essentiële onderdelen voor vermogensdichtheid en betrouwbaarheid in IGBT's en bredere vermogenselektronica.