Análisis de módulos de potencia que incluyen materiales de cambio de fase en la interconexión superior de dispositivos semiconductores
Autores: Khazaka, Rabih; Hanna, Rachelle; Avenas, Yvan; Azzopardi, Stephane
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Análisis de módulos de potencia que incluyen materiales de cambio de fase en la interconexión superior de dispositivos semiconductores
Categoría
Ciencias de los Materiales
Subcategoría
Materiales electrónicos, ópticos y magnéticos
Palabras clave
Módulos de potencia
Sobrecalentamiento
Material de cambio de fase
Simulaciones
Experimentos
Espuma de cobre
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 21
Citaciones: Sin citaciones
Los módulos de potencia pueden estar expuestos ocasionalmente a picos de potencia breves, lo que provoca sobrecalentamiento y fallos prematuros de los dispositivos semiconductores de potencia. Con el fin de superar este problema sin sobredimensionar el módulo o su sistema de refrigeración, este estudio tiene como objetivo diseñar una nueva clase de módulos de potencia con Material de Cambio de Fase (PCM) integrado en un contenedor que sirve como interconexión superior del dispositivo. Se realizan simulaciones y experimentos con dos PCM orgánicos, y se discute el interés en añadir espuma de cobre. Bajo diversas condiciones de prueba, los resultados muestran que las simulaciones coinciden bien con los experimentos. Por lo tanto, el prototipado virtual puede ser muy útil para dimensionar contenedores basados en un perfil de misión específico. Para un volumen de PCM seleccionado constante (alrededor de 1 cm/dispositivo) y con un valor del coeficiente de transferencia de calor por convección de 800 W.m.K, la solución permite lograr una reducción de la temperatura de unión de aproximadamente 35 grados C (eritritol y espuma de cobre con 90% de porosidad) en comparación con una técnica convencional de unión por alambre. Se pueden lograr ciclos de potencia repetitivos con ambos materiales, pero la selección del PCM debe realizarse con precaución según el perfil de misión. Los dos PCM orgánicos seleccionados muestran degradación de su calor latente de fusión y pérdida de masa durante el envejecimiento isoterma a alta temperatura en aire por encima de 130 grados C. Al asumir como criterio de punto final la reducción del almacenamiento de energía en un 50% en comparación con el estado inicial, la vida útil del eritritol y RT100 se evalúa en aproximadamente 100 y 340 horas, respectivamente, durante el envejecimiento a 150 grados C.
Descripción
Los módulos de potencia pueden estar expuestos ocasionalmente a picos de potencia breves, lo que provoca sobrecalentamiento y fallos prematuros de los dispositivos semiconductores de potencia. Con el fin de superar este problema sin sobredimensionar el módulo o su sistema de refrigeración, este estudio tiene como objetivo diseñar una nueva clase de módulos de potencia con Material de Cambio de Fase (PCM) integrado en un contenedor que sirve como interconexión superior del dispositivo. Se realizan simulaciones y experimentos con dos PCM orgánicos, y se discute el interés en añadir espuma de cobre. Bajo diversas condiciones de prueba, los resultados muestran que las simulaciones coinciden bien con los experimentos. Por lo tanto, el prototipado virtual puede ser muy útil para dimensionar contenedores basados en un perfil de misión específico. Para un volumen de PCM seleccionado constante (alrededor de 1 cm/dispositivo) y con un valor del coeficiente de transferencia de calor por convección de 800 W.m.K, la solución permite lograr una reducción de la temperatura de unión de aproximadamente 35 grados C (eritritol y espuma de cobre con 90% de porosidad) en comparación con una técnica convencional de unión por alambre. Se pueden lograr ciclos de potencia repetitivos con ambos materiales, pero la selección del PCM debe realizarse con precaución según el perfil de misión. Los dos PCM orgánicos seleccionados muestran degradación de su calor latente de fusión y pérdida de masa durante el envejecimiento isoterma a alta temperatura en aire por encima de 130 grados C. Al asumir como criterio de punto final la reducción del almacenamiento de energía en un 50% en comparación con el estado inicial, la vida útil del eritritol y RT100 se evalúa en aproximadamente 100 y 340 horas, respectivamente, durante el envejecimiento a 150 grados C.