Выбор металлов для охладителей силовой электроники: теплопроводность, масса и коррозия

При отводе высоких плотностей теплового потока от силовых полупроводниковых приборов (IGBT-модулей, тиристоров, SiC-транзисторов) определяющим фактором является удельная теплопроводность материала радиатора. Наиболее распространенными металлами для изготовления охладителей остаются медь марки М1 (и ее бескислородные аналоги) и алюминиевые деформируемые или литейные сплавы (АД31, АВ, АЛ9).

Влияние теплопроводности на габариты охладителя

Чистая медь обладает коэффициентом теплопроводности порядка 390 Вт/(м·К), тогда как у технического алюминия этот показатель составляет около 200–220 Вт/(м·К). В сплавах типа АД31Т1 после термообработки теплопроводность снижается до 180–190 Вт/(м·К). Использование меди позволяет уменьшить толщину подошвы радиатора и снизить локальное тепловое сопротивление непосредственно под кристаллом полупроводника.

Массогабаритные показатели и динамические нагрузки

Плотность меди составляет 8,9 г/куб. см, а алюминия — 2,7 г/куб. см. При одинаковом объеме медный теплоотвод тяжелее алюминиевого более чем в три раза. В транспорте, авиации и мобильных энергетических установках увеличение массы блока критично, так как приводит к повышению вибронагруженности крепежных узлов и усложнению демпфирующих конструкций.

Эксплуатация в системах жидкостного охлаждения

В замкнутых контурах охлаждения преобразователей высокой мощности теплоноситель (деионизированная вода, пропиленгликолевый антифриз) контактирует с внутренними каналами водоблока. Выбор материала каналов напрямую влияет на ресурс системы.

Гальваническая коррозия в жидкостных контурах

При совместном использовании разродных металлов в одном контуре охлаждения возникает гальваническая пара. Алюминий имеет стандартный электродный потенциал -1,66 В, а медь +0,34 В. Разница потенциалов в 2,0 В при наличии электролита вызывает интенсивный электрохимический разнос алюминиевого элемента. По этой причине прямое соединение алюминиевых радиаторов с медными трубопроводами без изолирующих втулок или специализированных ингибиторов коррозии не допускается.

Грамотный выбор сплавов предотвращает образование окисных пленок с высоким тепловым сопротивлением. При инженерном выборе цветных металлов для силовых блоков учитывают не только теплопроводность, но и химическую совместимость материалов во избежание пробоя изоляции или разгерметизации канала.

Кавитационный износ и качество поверхности

В водоблоках с микроканальной структурой скорость протекания хладагента может превышать 2–3 м/с. На поворотах каналов и возле штуцеров возникает риск кавитации. Медь обладает более высокой стойкостью к кавитационной эрозии по сравнению с мягкими алюминиевыми сплавами. Для защиты алюминия применяются следующие методы:

• Химическое или электрохимическое никелирование внутренних каналов на глубину до 15–20 мкм.
• Анодирование поверхностей, не участвующих в передаче основного теплового потока.
• Добавление в теплоноситель пассивирующих присадок на основе силикатов или карбоксилатов.

Технологии изготовления и гибридные конструкции

Для оптимизации стоимости и массы применяются комбинированные решения, сочетающие достоинства обоих металлов.

Охладители с медной вставкой

Конструкция представляет собой алюминиевый корпус, полученный экструзией или фрезерованием, в подошву которого запрессована или впаяна медная пластина. Медная вставка располагается непосредственно под тепловыделяющей основанием IGBT-модуля. Она обеспечивает быстрое растекание тепла по площади (эффект heat spreading), а основной объем тепла рассеивается в окружающую среду или хладагент через развитое алюминиевое оребрение.

Технология фрикционной сварки (FSW)

Сварка трением с перемешиванием позволяет получать неразъемные соединения меди и алюминия без образования хрупких интерметаллических фаз, характерных для классической дуговой сварки. Это позволяет производить жидкостные водоблоки с медной подошвой и алюминиевой крышкой со сложной системой каналов.

1. Подготовка контактных поверхностей механической зачисткой и обезжириванием.
2. Фиксация заготовок в жестком оснащении для предотвращения сдвига.
3. Проход вращающегося инструмента с контролем погружения и усилием прижима.
4. Контроль герметичности шва опрессовкой давлением, превышающим рабочее в 1,5 раза.

Применение гибридных медно-алюминиевых водоблоков позволяет снизить общую массу охладителя на 40–50% по сравнению с полностью медным аналогом при сохранении аналогичных показателей теплового сопротивления на уровне 0,015–0,020 К/Вт.