来源 | 现代电子技术
题目 | VC 技术在半导体热管理应用的性能研究
作者 | 黄南1，温志强2，荣智林1，吴智勇1，王雄1，宋郭蒙1
单位 | 1.中车株洲电力机车研究所有限公司；2.深圳地铁运营集团有限公司车辆中心
原文 | DOI: 10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.07.026
摘要：针对半导体行业常见的高集成化、高热流密度和非均匀热物理条件导致散热条件恶劣的热管理问题，基于 VC 均温技术，以某新能源项目用集成变流模块的散热器为研究对象，对非均匀热流密度分布的半导体器件进行热管理设计优化，并对其应用性能进行对比分析研究。应用数值仿真方法，用 VC 均温板对散热器定性优化，并通过试验验证进行全面对比分析。结果表明，应用 VC 均温技术可显著提升散热性能和均温性，在相同风速和功率工况下，有 VC 均温板相对无 VC 均温板的散热器温升降低 12.7~13.8 K，散热性能最大提升约 19%；单 IGBT 温度均匀性指数 TUIIGBT降幅高达 55.1%~74.5%；散热器台面温度均匀性指数 TUIS降低了 26%~35%。
关键词：VC 技术；均温板；半导体；热管理；均温性；数值仿真；热流密度；温升
00 引言
近年来，随着世界科技水平的不断发展，半导体器件被广泛地应用在各行各业，其产品不断迭代升级，高集成度、大功率和小型化是现今乃至未来的发展趋势和特点，随之而来的高热流密度、非均匀热物理条件热管理问题给散热设计带来了严峻挑战。
VC（Vapor Chamber）均温板作为一种可有效扩展半导体电子元件热流密度的散热方式应运而生。VC均温板散热器换热高效，具有高导热性和高等温性等一系列散热优良特性，是解决高热流密度散热问题的重点技术。
已有大量研究从 VC 材质、热学性能和传热特性进行相关分析，而内部结构上常见的主要包括烧结芯、丝网和微槽道等；文献从 VC 蒸汽腔空间高度及充液率角度进行了相关研究。
本文从应用角度主要研究 VC 技术在半导体热管理中的应用性能，以某新能源项目的逆变模块散热器为研究对象，通过对其应用工况进行仿真和实验对比研究，并与未加 VC 均温板的散热器进行对比，分析 VC 技术的热扩展能力及均温性能。
01 冷却方案与分析
1.1 冷却方案
当前常用的散热方式有水冷和风冷两大类，在应用上，散热器需满足小型化和轻量化的要求，不宜采用部件繁多且系统复杂的水冷系统，而对于结构最简单的空气自冷散热器，研究表明，一般应用的热流密度不宜超过 0.8 W/cm2。
如表 1 所示，该新能源项目的热源 1型号的 IGBT（V1~V3）的功率均为 800 W，热流密度为15.7 W/cm2；热源 2 型号的 IGBT（V4~V7）的功率均为400 W，热流密度为 8 W/cm2。
表 1 功率器件属性汇总
两种不同 IGBT 的热流密度相差近 2 倍，属于典型的高热流密度、非均匀的热物理条件，需采用散热性能更强的强迫风冷冷却方式。
其中铲齿工艺的翅片散热器具备可灵活优化翅片厚度及间距的优势，如图 1 所示，优化至最优翅厚及间距，且根据前后两排 IGBT 热源将翅片分为两段，有效降低散热器重量，同时保证最优的散热器翅片肋效率，达到最优的散热性能，在风冷系统中，其匹配到已定风机额定工况下可获得的风量约为 4.7 m/s。
图 1 散热器几何模型
IGBT 位置布局如图 1 所示，实际应用过程中，由于热流密度分布差异，热源 1 型号的 IGBT 温升将远高于热源 2 型号 IGBT，整个散热器台面温度场分布差异显著。如图 1b）所示，考虑到散热器台面其他安装设备的影响，均温板中间板面不宜开安装孔，因此仅对热流密度大的 V1~V3 采用均温板进行有限的热源接触面积扩展，从而降低接触热阻，起到均衡热流密度的作用，降低散热器温升，有效提升散热器热性能。
1.2 VC 均温板工作原理
VC 均温板作为一种可有效扩展半导体电子元件热流密度的散热元件，本身具备高导热性和高等温性等一系列散热优良特性，常应用于多元件热流密度不均对象的热管理，其工作原理图如图 2 所示。
图 2 VC 均温板结构原理图
VC 均温板采用金属壳密封，为保证均温板超高导热性能，其外壳材料一般选用导热系数更高的铜，这有利于使蒸发端的热量更迅速地传导至均温板内部，降低壳体材料层热阻。
在 VC 均温板密封前进行抽真空处理，以保证良好的真空度，并灌入适量的相变工质。其内壁有一层毛细结构，一般为丝网状、烧结芯或沟槽型等结构，通过毛细结构产生的毛细力使液相工质在毛细结构内部实现二维扩散流动。
工作时，液相工质从蒸发端吸热蒸发，经气相空腔快速将热量传递给散热器冷却端，放出潜热液化再经由上部的冷却端的毛细结构流回底部蒸发端完成循环，从而获得高效的二维传热特性，通常导热率可达到 15000 W/（m·K）以上。
02 VC 技术优化后性能结果
将逆变模块散热器作为研究对象，先通过仿真得到整体的可视化温度分布，并进行性能试验研究，对比有无 VC 均温板的差异，充分分析 VC 技术的应用性能。
2.1 散热器性能仿真
2.1.1 定解条件
为重点研究 VC 技术在逆变模块器件热管理的温度分布特点，分析其应用性能，忽略仿真过程中 VC 均温板内部蒸发腔体内的复杂相变原理研究，将其等效设置为具有各向异性的导热实体结构，沿坐标系分别赋予各方向不同的导热系数。该逆变模块散热器的几何模型如图 1 所示，其中图 1a）与图 1b）的主要差异是热源 1 型号IGBT 下是否加装有 VC 均温板。
整个散热器计算域尺寸为 563 mm×356 mm×74 mm，散热器主要特征尺寸如表 2 所示，IGBT 根据实际尺寸设置面热源，如图 1中编号顺序分布在散热器基板上，两种型号热源共7个，功率为 3×800 W+4×400 W；入口风速方向如图 1 所示，入口风温 45 ℃，风速仿真四种不同工况分别为 4 m/s，4.5 m/s，4.7 m/s，6 m/s。整个过程的热仿真采用 k⁃ε 方程以及质量守恒、动量守恒、能量守恒描述散热器传热与流动特征。
表 2 散热器主要结构尺寸
2.1.2 仿真结果
取额定工况 4.7 m/s 风速下的仿真结果，截取散热器基板热源面温度分布云图，如图 3 所示。整体上，有VC 均温板相对无 VC 均温板的散热器台面最高温度低17.2 K，降幅达 24.2%，说明通过 VC 技术有效地扩展了原高热流密度热源的传热面积，相当于热源热量传递到VC 均温板后再传递到散热器时的热流密度显著降低，从而降低了接触热阻，提升了散热性能。
其次，由于 VC均温板本身具备的二维超导热性质，如图 3b）所示，加VC 均温板的 IGBT热源 V1~V3对应的温度分布一致性良好，反观无 VC均温板（见图 3a））则局部热点区域明显，且两排热源对应位置出现温度分区，因此采用 VC技术优化后的散热器温升性能及均温性均优于无 VC 的散热器。
图片
图 3 散热器台面温度云图
2.2 散热器的性能实验
如图 4 实验装置图所示，将散热器垂直地面安装在测试风道中，用于实际安装尺寸相同的金属发热模块模拟IGBT 器件安装在散热器上充当热源。
图 4 实验装置图
其中热源 1 型号为 3 个 47 mm×107 mm 的模拟器件，热源 2型号为 4个 62 mm×82 mm 的模拟器件，功率可调，设置与实际 IGBT 运行功率大小相同，即 3×800 W+4×400 W，共计 4000 W，连接电路，开启风机，风频可调，入口风温按夏季室外最高环境温度标准设置为 45℃。开启温度数据采集器，记录各测试点的温度，并按试验标准测量对应风速工况下的压降，结果汇总见表 3。
表 3 实验结果汇总
2.3 结果对比验证
表 4 为不同风速工况下，有无 VC 均温板的散热器仿真与试验温升结果对比。由表 4 可以得出，仿真与试验温升的最大误差在 1.05%~8.88% 范围内，误差小于10%，未超出工程设计精度的允许范围，可认为仿真结果可靠。误差的主要来源为：数值仿真是在理想条件下进行的，其中 VC 均温板模型进行了一定的简化处理；实验中数据的测试存在一定的误差。
表 4 仿真与试验验证
03 试验结果分析
通过仿真优化的可视化温度分布云图，定性分析了VC 技术的优势，并通过试验对比验证了仿真的可靠性。将得到的试验结果通过有无 VC 均温板的温升性能及均温性分析，进行全面的应用性能对比。
3.1 温升性能分析
两散热器除热源 V1~V3 下有无 VC 均温板的区别外，其他冷却条件一致。如图 5 所示，对风速⁃温升曲线进行对比，其中温升为散热器台面最大温升，即散热器台面最大温度与环境温度的差值。相同风速下，有 VC 均温板相对无 VC 均温板的散热器温升降低 12.7~13.8 K，降幅约 17.1~19%，说明采用 VC 均温板对于半导体器件运行结温提供了显著的裕量空间，可进一步提高功率等级或有效解决极限工况高热流密度局部过热问题。
其性能提升的主要原因是 VC 均温板扩展了热源的传热面积，降低了接触热阻。根据传热原理，接触热阻 R=δ( A·λ )，A 为接触面积，单位为 m2；λ 为导热系数，单位为 W/（m·K），δ 为导热体厚度，单位为 m。
热流密度是传热功率与接触面积的比值，高热流密度的 IGBT 即高传热功率、小接触面积，因此表现为散热器接触热阻 R大，散热器温升高。而通过接触面积数倍大于热源的VC 均温板作为传热过渡，由于其本身的超导热性能，热源到 VC 的导热热阻在总热阻中占比小，可以忽略，同时由于传热功率扩展到数倍于热源的传热面积，有效降低了接触热阻，显著提升了散热器的传热性能。
图 5 风速⁃温升曲线
3.2 均温性分析
均温性也是评价散热器性能的一个重要指标，表征散热器台面及各热源的温度分布的差异，IGBT 这类半导体器件对温度的敏感度非常高，研究表明，结温每升高 5 ℃，其性能降低 10% 左右，一个 IGBT 内部包含多个芯片单元，局部过热会导致 IGBT 芯片单元的性能出现明显差异，从而放大故障风险，因此均温性对 IGBT 这类半导体器件的散热评价尤为重要。
本文引入温度均匀性指数（TUI）来对比评估逆变模块散热器增加 VC 均温板前后的温度分布特性。TUI 定义如下：
（1）
式中：tlocal 为局部测点温度；tave 为平均温度；A 为有效换热面积。
当 TUI值越高，说明该区域或整体的温度分布差异大，均温性差；反之，则表示温度分布一致性好，温度场均匀。
如图 6 所示为散热器的测点布置图，每个 IGBT 安装区域对应的散热器上沿对角线等距开槽布置 3 个热电偶测点，则根据 TUI 定义，式（1）对应热电偶所反映的单个 IGBT 的温度均匀性指数 TUI 可改写为：
（2）
式中：ti 为单个 IGBT 第 i 个测点温度；tavg 为单个 IGBT 平均温度。每个 IGBT 对应有 3 个测点，即 n = 3。
图 6 散热器测点布置图
同理，可将整个散热器台面的温度均匀性指数 TUI 改写为：
（3）
式中：tj 为单个 IGBT 第 j 个测点温度；tavg, S 为整个散热器的平均温度。每个IGBT对应有3个测点，整个散热器7个IGBT 共计 21 个测点，即 N = 21。
图 7 展示出了散热器匹配风机额定工况为 4.7 m/s 风速下的单 IGTB 温度均匀性指数 TUIIGBT 在有无 VC 均温板条件下的对比，其中仅热源 1 型号 IGBT（V1~V3）下布置有均温板，从图 7 中可以看出，有 VC 均温板的 IGBT，其 TUIIGBT 均在 1.5 以下，显著低于无 VC 均温板散热器对应的 IGBT，降幅高达 55.1%~74.5%，均温性提升显著，这说明 VC 均温板可有效扩展热流密度，保持温度分布呈现良好的一致性。
热源 2 型号 IGBT（V4~V7）未加装 VC 均温板，但 TUIIGBT 也有一定的降低，特别是中间的 V5/V6，这是因为热源 1 型号 IGBT 加装均温板，使得整个散热器热性能提升，温升降低，处在进风口前一排的热源 2 型号 IGBT 也受到热源间的相互作用，温度分布差异性有一定的改善，平均温度与极值间差距缩小，因此 TUIIGBT 呈现一定的降幅。
图 7 风速为 4.7 m/s 的 TUIIGBT 对比
图 8 展示出了有无 VC 均温板的散热器台面温度均匀性指数 TUIS 在随风速工况的变化趋势，两者的 TUIS都相对较大，说明散热器整个台面的温度分布差异性较大，这主要是受限于散热器上其他非热源器件的安装，均温板尺寸未覆盖整个散热器台面，且散热器上两种不同 IGBT 的热流密度相差近 2 倍，因此从整个台面角度看 TUIS 值较大。其中，V1~V3 加 VC 均温板后改善明显，整体上均温性提升 26%~35%。随风速增加，TUIS 呈现变小趋势，当风速大于 6 m/s 后，曲线斜率变化较小，说明均温板受风速影响的作用有限，进一步提高风速对均温性的提升作用不再显著。
图 8 不同风速下 TUIS 对比
04 结论
通过对某逆变模块散热器进行数值仿真与试验，对比分析了其有无 VC 均温板散热性能差异，得出以下几点结论：
1）相同风速下，有 VC 均温板相对无 VC 均温板的散热器温升降低 12.7~13.8 K，最大降幅约 19%，散热性能提升显著，可进一步提高热流密度或有效解决极限工况高热流密度局部过热问题；
2）有 VC 均温板相对无 VC 均温板的散热器对应的单 IGBT 温度均匀性指数 TUIIGBT 降幅高达 55.1%~74.5%，均温性提升显著；
3）有 VC 均温板相对无 VC 均温板的散热器台面温度，均匀性指数 TUIS 降低了 26%~35%。
参考文献 略
