Pelat Pendingin Cair untuk Modul IGBT

1. Apa itu modul IGBT?

Dalam kendaraan listrik, pembangkit listrik energi terbarukan, transportasi kereta api, dan otomatisasi industri, modul IGBT berkembang menuju kepadatan daya yang lebih tinggi, ukuran yang lebih kecil, dan suhu sambungan yang lebih tinggi. Namun, seiring meningkatnya kepadatan daya chip, ruang pendinginan yang tersedia menyusut dengan cepat. Studi menunjukkan bahwa masalah termal menyebabkan lebih dari 50% kegagalan sirkuit terpadu; untuk elektronika daya, sekitar 55% kegagalan IGBT terkait dengan suhu. Pendinginan udara tradisional memiliki koefisien perpindahan panas konvektif yang terbatas (sekitar 37 W/cm² pada kondisi terbaik) dan volume yang besar, sehingga tidak memadai untuk modul daya generasi berikutnya. Teknologi pelat pendingin cair telah muncul sebagai solusi inti untuk manajemen termal chip daya tinggi.

2. Tantangan termal IGBT dan keterbatasan pendinginan tradisional

Modul IGBT menghasilkan panas yang signifikan. Untuk inverter 100 kW dengan efisiensi 98%, sekitar 2 kW panas harus dihilangkan oleh sistem manajemen termal. Selain itu, distribusi panas tidak seragam; titik panas lokal pada permukaan chip dapat jauh lebih panas daripada suhu rata-rata, dan titik panas ini membatasi kinerja dinamis dan masa pakai.

Suhu sangat berkorelasi dengan kegagalan IGBT. Sebuah studi statistik tentang kegagalan turbin angin di 23 negara antara tahun 2003 dan 2017 menunjukkan bahwa kegagalan modul IGBT menyumbang 22% dari waktu henti konverter yang tidak direncanakan – salah satu komponen yang paling rentan terhadap kegagalan dalam sistem angin. Akselerasi/deselerasi yang sering terjadi pada kendaraan menyebabkan siklus daya dan perubahan suhu yang parah, yang menyebabkan kelelahan kawat penghubung, delaminasi solder, dan kegagalan kelelahan termal lainnya. Pelarian termal dapat menyebabkan kehilangan daya pada kendaraan listrik, yang merupakan bahaya keselamatan yang serius.

Dari perspektif hambatan termal, pembuangan panas IGBT merupakan masalah hambatan termal seri multi-lapisan. Hambatan termal antarmuka menyumbang lebih dari 60% dari total, menjadikannya hambatan utama. Dalam hambatan sambungan-ke-casing, substrat keramik DBC (tembaga terikat langsung) merupakan kontributor dominan (lebih dari 75%). Pendinginan udara tradisional memiliki tiga keterbatasan utama: koefisien perpindahan panas yang rendah, kemampuan yang buruk untuk menghilangkan titik panas lokal, dan volume sistem yang besar, yang bertentangan dengan miniaturisasi sistem.

3. bagaimana pelat pendingin cair pekerjaan dan klasifikasinya

Pelat pendingin cair (juga disebut pelat pendingin, pelat pendingin cairan, atau pelat pendingin air) menggunakan konveksi cairan paksa untuk menghilangkan panas. Prinsip kerjanya sederhana: panas dari modul IGBT berpindah melalui antarmuka termal ke dasar pelat pendingin, kemudian dibawa pergi oleh cairan pendingin yang mengalir melalui saluran internal; cairan pendingin yang dipanaskan bersirkulasi ke penukar panas, mendingin, dan kembali.

Berdasarkan proses manufaktur dan bentuk strukturnya, empat jenis pelat dingin IGBT utama digunakan dalam bidang teknik saat ini.

3.1 pelat pendingin cair tradisional

Desain tradisional meliputi tipe yang dibor, dirakit, dilas, dan berbentuk tabung. Desain ini memiliki proses yang lebih sederhana, biaya lebih rendah, dan cocok untuk modul IGBT dengan kepadatan daya rendah hingga menengah. Di antara desain tersebut, pelat dingin berbentuk tabung (atau pelat dingin cair tabung) menanamkan tabung tembaga atau baja tahan karat ke dalam alur pelat dasar aluminium, yang dipasang dengan cara disolder atau direkatkan dengan epoksi. Desain ini menawarkan kinerja termal dan masa pakai yang lebih baik daripada pelat yang dibor biasa.

3.2 tabung cairan pelat dingin

Pelat pendingin cair tabung (juga disebut pelat pendingin berpendingin air atau pelat pendingin tabung) menggunakan tabung tembaga atau baja tahan karat sebagai saluran pendingin, yang tertanam dalam pelat dasar aluminium dan dipasang dengan perekat termal atau patri. Keunggulannya meliputi pembuatan yang sederhana, biaya rendah, dan tata letak tabung yang fleksibel (misalnya, berbentuk ular atau U) yang dapat menyesuaikan distribusi panas IGBT. Pelat ini cocok untuk penggerak industri dengan kepadatan daya menengah dan biaya yang sensitif, serta inverter surya. Diameter tabung tipikal adalah 6–12 mm, dan tekanan operasi biasanya di bawah 0,5 MPa.

3.3 pelat pendingin cair fsw

Pelat dingin cair FSW (friction stir welding) menggunakan pin pengaduk berputar untuk menghasilkan panas gesekan, memplastiskan material dan menciptakan las padat antara penutup dan pelat dasar beralur. Proses ini tidak menghasilkan porositas, retakan, dan logam pengisi, sehingga menghasilkan kekuatan las yang tinggi, penyegelan yang sangat baik, dan tidak ada deformasi saluran aliran. Pelat dingin FSW ideal untuk inverter traksi kendaraan listrik dan konverter transit kereta api di mana keandalan jangka panjang sangat penting. Lebar saluran tipikal adalah 4–10 mm, dan ketahanan tekanan dapat mencapai 1,5–2,0 MPa.

3.4 pelat pendingin cairan ekstrusi

Pelat pendingin cair ekstrusi (atau pelat pendingin aluminium) dibentuk dengan ekstrusi aluminium menggunakan cetakan khusus untuk menghasilkan saluran aliran multi-paralel dalam satu langkah, kemudian dipotong, disegel ujungnya, dan diolah. Keuntungan utamanya adalah efisiensi produksi yang tinggi dan biaya per unit yang rendah, dengan dimensi saluran yang konsisten, ideal untuk produksi standar volume tinggi. Namun, saluran tersebut biasanya lurus, sehingga membatasi optimasi sirip. Pelat ini digunakan dalam inverter tujuan umum dan modul pengisian daya kendaraan listrik di mana kepadatan daya relatif rendah. Diameter hidrolik tipikal adalah 2–5 mm.

3.5 pelat dingin cair yang disolder

Pelat pendingin cair yang disolder (atau pelat pendingin yang disolder) dibuat dengan menyolder pelat dasar saluran aliran yang dicetak ke pelat penutup menggunakan vakum atau atmosfer terkontrol. Hal ini memungkinkan struktur sirip internal yang kompleks seperti sirip pin, sirip miring, dan turbulator. Penyolderan menawarkan kebebasan desain yang sangat tinggi, memungkinkan peningkatan perpindahan panas dalam ukuran yang kompak, dengan penyegelan yang baik dan tegangan sisa yang rendah. Pelat pendingin cair yang disolder adalah pilihan utama untuk modul IGBT dan SIC dengan kepadatan daya tinggi, yang banyak digunakan dalam penggerak utama EV premium, konverter angin, dan catu daya industri kelas atas. Ukuran fitur saluran dapat sekecil 1–3 mm; dengan sirip pin, resistansi termal jauh lebih rendah daripada jenis ekstrusi atau tabung. Penyolderan vakum adalah proses yang paling andal.

3.6 Perbandingan resistansi termal dan struktur di antara berbagai arsitektur pelat pendingin

Untuk membantu pemilihan teknik, tabel 1 membandingkan parameter termal dan struktural utama dari keempat pelat dingin IGBT (termasuk tabung tradisional sebagai dasar).

Tabel 1: Perbandingan resistansi termal dan struktur dari berbagai arsitektur pelat pendingin cair

4. Optimalisasi kinerja: desain saluran aliran dan sirip mikro

Performa pendinginan sistem pendingin pelat dingin sangat bergantung pada desain saluran aliran internal dan sirip. Penelitian saat ini berfokus pada bidang-bidang berikut.

Struktur sirip: sebuah studi tentang pendinginan cairan untuk tiga modul IGBT dalam penggerak motor industri membandingkan sirip lurus, sirip pin-bertingkat, dan sirip miring, yang menegaskan bahwa sirip kompleks meningkatkan konveksi. Lebih lanjut, pelat pendingin cairan aliran berlapis skala mikro dengan sirip miring mencapai peningkatan koefisien perpindahan panas 3 kali lipat, pengurangan suhu puncak chip sebesar 1,4°C, peningkatan keseragaman suhu sebesar 37,8%, dan pengurangan hambatan aliran >15% dibandingkan dengan pelat pendingin mikro-saluran persegi panjang pada laju aliran yang sama, sehingga memungkinkan pendinginan yang andal untuk chip 800W.

Optimasi topologi: sebuah studi menggunakan optimasi topologi dua tujuan (perpindahan panas maksimum, hambatan aliran minimum) untuk pelat pendingin IGBT menunjukkan bahwa dibandingkan dengan pelat pendingin saluran lurus, pelat pendingin yang dioptimasi secara topologi mencapai penurunan tekanan 26,3% lebih rendah, hambatan termal 64,7% lebih rendah, dan koefisien perpindahan panas 16,3% lebih tinggi.

Keseragaman suhu: sebuah tim peneliti di Universitas Sains dan Teknologi Informasi Nanjing mengusulkan pelat pendingin cair inovatif dengan saluran berkelok-kelok, sirip yang ditingkatkan, dan turbulator bertingkat. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa peningkatan laju aliran pendingin mengurangi suhu puncak perangkat sekitar 22 k, dengan kinerja termal yang stabil pada rentang aliran tertentu.

Kompromi antara daya pendinginan dan daya pemompaan: dalam sistem pendinginan pelat dingin, peningkatan laju aliran meningkatkan perpindahan panas tetapi juga meningkatkan konsumsi daya pompa secara non-linier. Pada kendaraan listrik, penurunan tekanan tambahan sebesar 10 kPa dapat menghabiskan beberapa hingga puluhan watt daya pompa, yang harus diperhitungkan dalam anggaran daya sistem.

5. Evolusi arsitektur: dari pendinginan tidak langsung ke pelat pendingin cair terintegrasi/dbc.

Dalam arsitektur pendinginan tradisional, modul IGBT memiliki susunan multi-lapisan "chip – DBC – baseplate (Cu atau Alsic) – cold plate", di mana setiap lapisan menambahkan resistansi termal. Seperti yang telah disebutkan, resistansi termal antarmuka melebihi 60% dari total resistansi.

Untuk mengatasi hal ini, muncul arsitektur inovatif – pelat pendingin cair terintegrasi atau dbc. Idenya adalah mengintegrasikan substrat dbc langsung ke dalam pelat pendingin, menggunakan proses suhu tinggi untuk merekatkan tembaga dan keramik (al₂o₃ atau aln) menjadi struktur monolitik. Saluran pendingin ditempatkan langsung di bawah chip, hanya dipisahkan oleh dbc, sehingga secara dramatis memperpendek jalur konduksi panas.

Tiga keunggulan utama: (1) menghilangkan pelat dasar dan tim eksternal, secara drastis mengurangi resistansi termal total; (2) resolusi saluran hingga 0,3 mm, dikombinasikan dengan tembaga konduktivitas tinggi, mencapai kinerja isotermal yang sangat baik; (3) mendukung tata letak kompak dengan kepadatan daya tinggi dan pemasangan komponen dua sisi. Parameter material utama untuk skema terintegrasi ini ditunjukkan pada tabel 2.

Tabel 2: Parameter material utama untuk pelat pendingin cair terintegrasi dbc (sumber: pendinginan elektronik, 2025)

Tren integrasi ini sejalan dengan pertumbuhan pasar modul IGBT berpendingin langsung.

6. Pemilihan material dan teknologi pendingin

Pemilihan material pelat pendingin menyeimbangkan konduktivitas termal, kemampuan pengerjaan, dan biaya. Pilihan yang paling umum adalah paduan aluminium 6063, dengan konduktivitas termal sekitar 180–230 w/(m·k). Tembaga menawarkan ~401 w/(m·k) tetapi densitasnya tiga kali lipat dari aluminium, dan biayanya jauh lebih tinggi, hanya digunakan dalam aplikasi kelas atas dengan persyaratan pendinginan yang ketat.

Cairan pendingin merupakan pembawa perpindahan panas yang sangat penting. Sebuah studi yang diterbitkan dalam Applied Thermal Engineering membandingkan air deionisasi, air murni, larutan etilen glikol-air 20%, dan HFE7100. Pada Re = 1400, kriteria evaluasi kinerja keseluruhan (PEC) air deionisasi 9,3%, 24,5%, dan 163,9% lebih tinggi daripada air murni, etilen glikol 20%, dan HFE7100, masing-masing. Re = 1400 (kecepatan aliran ~0,5–0,6 m/s) diidentifikasi sebagai rentang operasi optimal untuk penurunan tekanan rendah. Dalam sistem praktis, campuran etilen glikol-air 50% banyak digunakan, menawarkan perlindungan terhadap pembekuan dan konduktivitas termal yang baik.

7. Proses manufaktur dan pengujian keandalan

Pengelasan/penyegelan pelat pendingin cair secara langsung memengaruhi keandalan jangka panjang. Untuk empat jenis utama: tipe tabung menggunakan penanaman tabung + penyolderan atau pengepresan; FSW menggunakan pengelasan gesekan aduk; tipe ekstrusi menggunakan ekstrusi + penyegelan ujung; tipe solder menggunakan penyolderan vakum atau atmosfer. Penyolderan vakum dan FSW adalah proses utama untuk pelat pendingin dengan keandalan tinggi.

Cacat pengelasan umum meliputi porositas, penyebaran yang berlebihan, retakan mikro internal, ikatan yang buruk, dan penyumbatan saluran aliran. Untuk FSW dan pelat dingin yang disolder, penyegelan las dan kebersihan internal harus diperiksa dengan cermat.

Kerataan adalah faktor kunci lainnya. Menurut teori kontak Hertz, bahkan permukaan yang tampak rata secara makroskopis memiliki puncak dan lembah mikroskopis; area kontak sebenarnya jauh lebih kecil daripada area nominal. Penyimpangan kerataan tingkat mikron dapat menyebabkan resistansi termal antarmuka meningkat secara dramatis. Kriteria penerimaan tipikal untuk sistem pendinginan pelat dingin meliputi:

• Kekedapan terhadap kebocoran: uji kebocoran helium, kebocoran ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s atau ≤ 0,05 ml/min @ 0,5–2,0 mpa

• Ketahanan tekanan: uji ledakan hidrolik ≥ 3× tekanan kerja (biasanya ≥ 3,0 mpa)

• Kerataan: ≤ 0,05 mm per 100 mm (keseluruhan ≤ 0,1 mm)

• Kebersihan: partikel ≤ 10 mg/m²

8. Nilai pelat pendingin cair dalam bidang aplikasi IGBT

Kendaraan listrik: pelat pendingin cair menangani panas dari inverter traksi, yang secara langsung memengaruhi keluaran daya motor. Modul SIC memiliki kepadatan daya 2-3 kali lipat dari IGBT tradisional; pelat pendingin cair yang efisien dengan tabung, FSW, atau yang disolder secara efektif menghilangkan titik panas lokal, meningkatkan jangkauan dan keandalan kendaraan listrik.

Inverter angin dan surya: modul IGBT beroperasi di bawah beban tinggi jangka panjang; sistem pendingin harus memiliki umur pakai yang panjang dan perawatan yang rendah. Pelat dingin memberikan suhu sambungan stabil yang lebih rendah dan fluktuasi suhu yang lebih kecil, secara signifikan meningkatkan keandalan dalam kondisi yang berat.

Transportasi kereta api: elektrifikasi meningkatkan kebutuhan pendinginan; pendinginan cairan aktif (yang digerakkan pompa) memberikan kontrol suhu yang lebih tepat daripada konveksi alami atau pendinginan udara paksa, sehingga meningkatkan keandalan di lingkungan ekstrem.

(Pelat pendingin serupa untuk elektronik juga digunakan pada pelat pendingin CPU untuk prosesor berkinerja tinggi, pelat pendingin cairan baterai untuk paket baterai kendaraan listrik, dan desain pelat pendingin terisolasi untuk isolasi tegangan tinggi.)

9. Prospek pasar dan tren teknologi

Menurut QYResearch, pasar substrat heatsink IGBT global telah mencapai... Jumlahnya diperkirakan mencapai 720 juta pada tahun 2024 dan diperkirakan akan mencapai 1,165 miliar pada tahun 2031, dengan CAGR sebesar 7,7%. Dalam pertumbuhan ini, pelat pendingin cair – terutama jenis yang disolder dan FSW – merupakan pendorong utama. CAGR sebesar 17,9% untuk modul IGBT berpendingin cairan langsung jauh lebih tinggi daripada CAGR keseluruhan sebesar 7,7% untuk substrat IGBT, menunjukkan penetrasi teknologi pendinginan cair yang cepat.

Sebuah konsep canggih, pelat pendingin cair impinging jet multi-nozzle (MJILCP) untuk TDP 1000W, yang dipresentasikan pada konferensi IEEE, menunjukkan resistansi termal 14,3% lebih rendah dan daya pemompaan 19,3% lebih rendah dibandingkan dengan pelat pendingin saluran yang digiling konvensional. Untuk mencapai resistansi termal 0,0236°C/W, MJILCP membutuhkan daya pompa 48% lebih rendah.

Evolusi masa depan berfokus pada tiga arah:

1. Integrasi mendalam: dari pendinginan tidak langsung hingga integrasi dbc tertanam, yang semakin mengurangi hambatan termal.

2. Desain cerdas: desain berbantuan AI, optimasi topologi, dan manufaktur aditif untuk saluran aliran khusus (pelat pendingin cairan khusus, pelat pendingin khusus).

3. Adaptasi multi-skenario: solusi khusus untuk platform tegangan tinggi 800V, ketinggian tinggi, dll., termasuk kemungkinan pelat pendingin nitrogen cair untuk kebutuhan pendinginan ekstrem.

Seiring kemajuan manufaktur lokal dan semakin dalamnya revolusi energi baru, pelat pendingin cair akan berevolusi dari komponen tambahan menjadi komponen inti yang memungkinkan kepadatan daya dan keandalan pada IGBT dan elektronika daya yang lebih luas.