Placas frias líquidas para módulos IGBT

1. O que é um módulo IGBT?

Em veículos elétricos, geração de energia renovável, transporte ferroviário e automação industrial, os módulos IGBT estão evoluindo para maior densidade de potência, dimensões reduzidas e temperaturas de junção mais elevadas. No entanto, à medida que a densidade de potência dos chips aumenta, o espaço disponível para refrigeração diminui rapidamente. Estudos mostram que problemas térmicos causam mais de 50% das falhas em circuitos integrados; para eletrônica de potência, cerca de 55% das falhas em IGBTs estão relacionadas à temperatura. O resfriamento a ar tradicional tem um coeficiente de transferência de calor por convecção limitado (aproximadamente 37 W/cm² na melhor das hipóteses) e um volume considerável, tornando-o inadequado para módulos de potência de próxima geração. A tecnologia de placas frias líquidas surgiu como uma solução essencial para o gerenciamento térmico de chips de alta potência.

2. Desafios térmicos dos IGBTs e limitações do resfriamento tradicional

Um módulo IGBT gera uma quantidade significativa de calor. Para um inversor de 100 kW com 98% de eficiência, cerca de 2 kW de calor devem ser removidos pelo sistema de gerenciamento térmico. Além disso, a distribuição de calor não é uniforme; pontos quentes localizados na superfície do chip podem atingir temperaturas muito superiores à média, e esses pontos limitam o desempenho dinâmico e a vida útil.

A temperatura está fortemente correlacionada com a falha de IGBTs. Um estudo estatístico de falhas em turbinas eólicas em 23 países entre 2003 e 2017 mostrou que a falha do módulo IGBT foi responsável por 22% do tempo de inatividade não planejado do conversor – um dos componentes mais propensos a falhas em sistemas eólicos. Acelerações/desacelerações frequentes em veículos causam ciclos de potência severos e oscilações de temperatura, levando à fadiga dos fios de ligação, delaminação da solda e outras falhas por fadiga térmica. A fuga térmica pode causar perda de potência em veículos elétricos, um sério risco à segurança.

Do ponto de vista da resistência térmica, a dissipação de calor do IGBT é um problema de resistência térmica em série multicamadas. A resistência térmica da interface representa mais de 60% do total, sendo o principal gargalo. Dentro da resistência entre a junção e a carcaça, o substrato cerâmico DBC (cobre ligado diretamente) é o principal contribuinte (mais de 75%). O resfriamento a ar tradicional sofre com três limitações principais: baixo coeficiente de transferência de calor, baixa capacidade de eliminar pontos quentes localizados e grande volume do sistema, o que entra em conflito com a miniaturização do mesmo.

3. como placas frias líquidas trabalho e sua classificação

Uma placa fria líquida (também chamada de placa de resfriamento, placa de resfriamento líquido ou placa de resfriamento a água) utiliza convecção forçada de líquido para remover calor. O princípio de funcionamento é simples: o calor do módulo IGBT é transferido através de uma interface térmica para a base da placa fria, sendo então dissipado pelo fluido refrigerante que circula por canais internos; o fluido refrigerante aquecido circula até um trocador de calor, resfria e retorna.

Com base nos processos de fabricação e nas formas estruturais, quatro tipos principais de placas frias IGBT são usados na engenharia atualmente.

3.1 placas frias líquidas tradicionais

Os designs tradicionais incluem os tipos perfurado, montado, soldado e tubular. Estes possuem processamento mais simples, custo mais baixo e são adequados para módulos IGBT de baixa a média densidade de potência. Dentre eles, a placa fria tubular (ou placa fria líquida tubular) incorpora tubos de cobre ou aço inoxidável em ranhuras de uma placa de base de alumínio, fixada por brasagem ou epóxi. Ela oferece melhor desempenho térmico e vida útil do que as placas perfuradas básicas.

3.2 placas frias de líquido tubular

As placas frias tubulares (também chamadas de placas frias refrigeradas a água ou placas frias com tubos) utilizam tubos de cobre ou aço inoxidável como canais de refrigeração, embutidos em uma placa de base de alumínio e fixados com adesivo térmico ou brasagem. Suas vantagens incluem fabricação simples, baixo custo e layouts de tubos flexíveis (por exemplo, serpentina ou em forma de U) que podem se adequar à distribuição de calor do IGBT. São adequadas para acionamentos industriais de média densidade de potência e com restrições de custo, bem como para inversores solares. O diâmetro típico do tubo é de 6 a 12 mm e a pressão de operação normalmente fica abaixo de 0,5 MPa.

3.3 placas frias líquidas fsw

As placas frias FSW (soldagem por fricção) utilizam um pino de agitação rotativo para gerar calor por fricção, plastificando o material e criando uma solda em estado sólido entre a tampa e a placa de base ranhurada. Este processo não produz porosidade, fissuras ou metal de adição, resultando em alta resistência da solda, excelente vedação e nenhuma deformação do canal de fluxo. As placas frias FSW são ideais para inversores de tração de veículos elétricos e conversores de transporte ferroviário, onde a confiabilidade a longo prazo é crítica. A largura típica do canal é de 4 a 10 mm e a resistência à pressão pode atingir 1,5 a 2,0 MPa.

3.4 placas frias líquidas extrudadas

As placas frias líquidas extrudadas (ou placas frias de alumínio, placas de refrigeração de alumínio) são formadas por extrusão de alumínio usando uma matriz dedicada para produzir canais de fluxo multiparalelos em uma única etapa, sendo posteriormente cortadas, seladas nas extremidades e usinadas. Os principais benefícios são a alta eficiência de produção e o baixo custo unitário, com dimensões de canal consistentes, ideais para produção padronizada em alto volume. No entanto, os canais geralmente são retos, limitando a otimização das aletas. Essas placas são utilizadas em inversores de uso geral e módulos de carregamento de veículos elétricos, onde a densidade de potência é moderada. O diâmetro hidráulico típico é de 2 a 5 mm.

3,5 placas frias líquidas brasadas

As placas frias líquidas brasadas (ou placas frias brasadas) são fabricadas por brasagem a vácuo ou em atmosfera controlada de uma placa base estampada com canal de fluxo a uma placa de cobertura. Isso permite estruturas complexas de aletas internas, como aletas cilíndricas, aletas oblíquas e turbuladores. A brasagem oferece grande liberdade de projeto, possibilitando transferência de calor aprimorada em um tamanho compacto, com boa vedação e baixa tensão residual. As placas frias líquidas brasadas são a primeira escolha para módulos IGBT e SiC de alta densidade de potência, amplamente utilizados em motores principais de veículos elétricos premium, conversores eólicos e fontes de alimentação industriais de alta performance. As dimensões dos canais podem ser tão pequenas quanto 1–3 mm; com aletas cilíndricas, a resistência térmica é significativamente menor do que a de aletas extrudadas ou tubulares. A brasagem a vácuo é o processo mais confiável.

3.6 Comparação da resistência térmica e da estrutura entre diferentes arquiteturas de placas frias

Para auxiliar na seleção em engenharia, a tabela 1 compara os principais parâmetros térmicos e estruturais das quatro placas frias IGBT (incluindo as placas tubulares tradicionais como referência).

Tabela 1: Comparação da resistência térmica e da estrutura de diferentes arquiteturas de placas frias líquidas

4. Otimização de desempenho: projeto do canal de fluxo e das microaletas

O desempenho de resfriamento de um sistema de resfriamento por placa fria depende fortemente do projeto do canal de fluxo interno e das aletas. As pesquisas atuais se concentram nas seguintes áreas:

Estrutura de aletas: um estudo sobre resfriamento líquido para três módulos IGBT em um acionamento de motor industrial comparou aletas retas, aletas cilíndricas escalonadas e aletas oblíquas, confirmando que aletas complexas melhoram a convecção. Além disso, uma placa de resfriamento líquido de fluxo em camadas em microescala com aletas oblíquas alcançou um aumento de 3 vezes no coeficiente de transferência de calor, redução de 1,4 °C na temperatura máxima do chip, melhoria de 37,8% na uniformidade da temperatura e redução de mais de 15% na resistência ao fluxo em comparação com uma placa fria de microcanais retangulares sob a mesma vazão, permitindo o resfriamento confiável de um chip de 800 W.

Otimização topológica: um estudo utilizando otimização topológica bi-objetiva (máxima transferência de calor, mínima resistência ao fluxo) para uma placa fria de IGBT mostrou que, em comparação com uma placa fria de canal reto, a placa fria otimizada topologicamente alcançou uma queda de pressão 26,3% menor, uma resistência térmica 64,7% menor e um coeficiente de transferência de calor 16,3% maior.

Uniformidade de temperatura: uma equipe de pesquisa da Universidade de Ciência e Tecnologia da Informação de Nanjing propôs uma placa fria líquida inovadora com canais serpentinos, aletas aprimoradas e turbuladores escalonados. Os resultados experimentais mostraram que o aumento da vazão do fluido refrigerante reduziu a temperatura máxima do dispositivo em aproximadamente 22 K, com desempenho térmico estável em uma determinada faixa de vazão.

Compensação entre potência de refrigeração e potência de bombeamento: em um sistema de refrigeração por placa fria, o aumento da vazão melhora a transferência de calor, mas também aumenta o consumo de energia da bomba de forma não linear. Em veículos elétricos, uma queda de pressão adicional de 10 kPa pode custar de vários a dezenas de watts de potência da bomba, o que deve ser considerado no orçamento de energia do sistema.

5. Evolução da arquitetura: do resfriamento indireto à placa fria líquida embutida/integrada ao DBC

Nas arquiteturas de resfriamento tradicionais, o módulo IGBT possui uma estrutura multicamadas composta por "chip – DBC – placa base (Cu ou ALSC) – placa fria", onde cada camada adiciona resistência térmica. Como mencionado, a resistência térmica da interface excede 60% do total.

Para superar esse problema, surgiu uma arquitetura inovadora: a placa fria líquida integrada ou embutida em DBC. A ideia é integrar o substrato DBC diretamente na placa fria, utilizando processos de alta temperatura para unir cobre e cerâmica (Al₂O₃ ou AlN) em uma estrutura monolítica. Os canais de refrigeração são posicionados diretamente sob o chip, separados apenas pelo DBC, reduzindo drasticamente o caminho de condução de calor.

Três grandes vantagens: (1) elimina a placa de base e o revestimento externo, reduzindo drasticamente a resistência térmica total; (2) a resolução do canal de até 0,3 mm, combinada com cobre de alta condutividade, proporciona excelente desempenho isotérmico; (3) suporta layouts compactos de alta densidade de potência e montagem de componentes em ambos os lados. Os principais parâmetros de materiais para este esquema integrado são mostrados na tabela 2.

Tabela 2: Principais parâmetros de materiais para placa fria líquida integrada com DBC (fonte: resfriamento eletrônico, 2025)

Essa tendência de integração está alinhada com o crescimento do mercado de módulos IGBT com resfriamento direto.

6. Seleção de materiais e tecnologia de refrigeração

A seleção do material da placa fria equilibra condutividade térmica, usinabilidade e custo. A escolha mais comum é a liga de alumínio 6063, com condutividade térmica em torno de 180–230 W/(m·K). O cobre oferece cerca de 401 W/(m·K), mas sua densidade é três vezes maior que a do alumínio e seu custo é muito mais elevado, sendo utilizado apenas em aplicações de ponta com requisitos de resfriamento rigorosos.

O fluido refrigerante é um elemento crítico na transferência de calor. Um estudo publicado na revista Applied Thermal Engineering comparou água deionizada, água purificada, uma solução de 20% de etilenoglicol em água e o fluido refrigerante HFE7100. Com um número de Reynolds (Re) de 1400, o critério de avaliação de desempenho global (PEC) da água deionizada foi 9,3%, 24,5% e 163,9% superior ao da água purificada, da solução de 20% de etilenoglicol e do fluido refrigerante HFE7100, respectivamente. O valor de Re de 1400 (velocidade de fluxo de aproximadamente 0,5 a 0,6 m/s) foi identificado como a faixa de operação ideal para baixa perda de carga. Em sistemas práticos, a mistura de 50% de etilenoglicol em água é amplamente utilizada, oferecendo proteção contra congelamento e boa condutividade térmica.

7. Processos de fabricação e testes de confiabilidade

A soldagem/vedação de uma placa fria líquida afeta diretamente a confiabilidade a longo prazo. Os quatro tipos principais são: tubular (utiliza-se a inserção do tubo + brasagem ou prensagem); FSW (soldagem por fricção); extrudada (utiliza-se a extrusão + vedação das extremidades); e brasada (utiliza-se brasagem a vácuo ou em atmosfera controlada). A brasagem a vácuo e a soldagem por fricção são os processos mais comuns para placas frias de alta confiabilidade.

Os defeitos comuns de soldagem incluem porosidade, espalhamento excessivo, microfissuras internas, má adesão e bloqueio do canal de fluxo. Para soldagem por fricção e brasagem de chapas frias, a vedação da solda e a limpeza interna devem ser cuidadosamente inspecionadas.

A planicidade é outro fator crucial. De acordo com a teoria de contato de Hertz, mesmo superfícies macroscopicamente planas apresentam picos e vales microscópicos; a área de contato real é muito menor que a área nominal. Desvios de planicidade em nível micrométrico podem causar um aumento drástico na resistência térmica da interface. Os critérios típicos de aceitação para sistemas de resfriamento por placa fria incluem:

• Estanqueidade: teste de vazamento de hélio, vazamento ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s ou ≤ 0,05 ml/min a 0,5–2,0 mpa

• Resistência à pressão: teste de ruptura hidráulica ≥ 3× pressão de trabalho (normalmente ≥ 3,0 MPa)

• Planicidade: ≤ 0,05 mm por 100 mm (total ≤ 0,1 mm)

• limpeza: partículas ≤ 10 mg/m²

8. Valor das placas frias líquidas em aplicações de IGBT

Veículos elétricos: a placa de resfriamento líquido lida com o calor do inversor de tração, afetando diretamente a potência do motor. Os módulos de silício de cadeia curta (SIC) têm densidade de potência 2 a 3 vezes maior que os IGBTs tradicionais; placas de resfriamento líquido eficientes, fabricadas com tubos, soldadas por fricção ou brasadas, eliminam pontos quentes localizados, melhorando a autonomia e a confiabilidade dos veículos elétricos.

Inversores eólicos e solares: os módulos IGBT operam sob alta carga por longos períodos; o sistema de refrigeração deve ter longa vida útil e baixa manutenção. As placas frias proporcionam temperaturas de junção estáveis mais baixas e menores oscilações de temperatura, melhorando significativamente a confiabilidade em condições adversas.

Transporte ferroviário: a eletrificação aumenta a demanda por refrigeração; o resfriamento líquido ativo (acionado por bomba) proporciona um controle de temperatura mais preciso do que a convecção natural ou o resfriamento por ar forçado, aumentando a confiabilidade em ambientes extremos.

(Placas de resfriamento semelhantes para eletrônicos também são usadas em placas de resfriamento de CPU para processadores de alto desempenho, placas frias para líquidos de baterias de veículos elétricos e projetos de placas frias isoladas para isolamento de alta tensão.)

9. Perspectivas de mercado e tendências tecnológicas

Segundo a qyresearch, o mercado global de substratos para dissipadores de calor IGBT atingiu O mercado de módulos IGBT com resfriamento líquido atingiu 720 milhões em 2024 e a expectativa é que alcance 1,165 bilhão em 2031, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 7,7%. Dentro desse crescimento, as placas frias líquidas – especialmente as brasadas e as soldadas por fricção – são os principais impulsionadores. A CAGR de 17,9% para módulos IGBT com resfriamento líquido direto é significativamente maior do que os 7,7% para substratos IGBT em geral, indicando uma rápida penetração da tecnologia de resfriamento líquido.

Um conceito avançado, a placa fria de impacto de jato de múltiplos bicos (mjilcp) para 1000w de potência térmica diferencial (tdp), apresentado em uma conferência do IEEE, demonstrou uma resistência térmica 14,3% menor e uma potência de bombeamento 19,3% menor em comparação com uma placa fria convencional com canal fresado. Para atingir uma resistência térmica de 0,0236°C/W, a mjilcp exigiu 48% menos potência de bombeamento.

A evolução futura se concentra em três direções:

1. Integração profunda: do resfriamento indireto à integração DBC embutida, reduzindo ainda mais a resistência térmica.

2. Design inteligente: projeto assistido por IA, otimização topológica e manufatura aditiva para canais de fluxo personalizados (placa fria para líquidos personalizada, placas frias personalizadas).

3. Adaptação a múltiplos cenários: soluções personalizadas para plataformas de alta tensão de 800 V, grandes altitudes, etc., incluindo possivelmente uma placa fria de nitrogênio líquido para necessidades extremas de refrigeração.

Com o avanço da produção local e o aprofundamento da nova revolução energética, as placas frias líquidas evoluirão de componentes auxiliares para elementos essenciais que possibilitam alta densidade de potência e confiabilidade em IGBTs e em eletrônica de potência em geral.