Plaques froides liquides pour modules IGBT

1. Qu'est-ce qu'un module IGBT ?

Dans les véhicules électriques, la production d'énergie renouvelable, le transport ferroviaire et l'automatisation industrielle, les modules IGBT évoluent vers une densité de puissance plus élevée, un encombrement réduit et des températures de jonction plus élevées. Cependant, à mesure que la densité de puissance des puces augmente, l'espace de refroidissement disponible diminue rapidement. Des études montrent que les problèmes thermiques sont responsables de plus de 50 % des défaillances de circuits intégrés ; pour l'électronique de puissance, environ 55 % des défaillances d'IGBT sont liées à la température. Le refroidissement par air traditionnel présente un coefficient de transfert thermique par convection limité (environ 37 W/cm² au mieux) et un volume important, ce qui le rend inadapté aux modules de puissance de nouvelle génération. La technologie des plaques froides liquides s'est imposée comme une solution essentielle pour la gestion thermique des puces haute puissance.

2. Défis thermiques des IGBT et limites du refroidissement traditionnel

Un module IGBT génère une chaleur importante. Pour un onduleur de 100 kW avec un rendement de 98 %, environ 2 kW de chaleur doivent être évacués par le système de gestion thermique. De plus, la répartition de la chaleur n'est pas uniforme ; des points chauds localisés à la surface de la puce peuvent atteindre des températures bien supérieures à la température moyenne, ce qui limite les performances dynamiques et la durée de vie.

La température est fortement corrélée aux défaillances des IGBT. Une étude statistique des défaillances d'éoliennes dans 23 pays entre 2003 et 2017 a montré que les défaillances des modules IGBT représentaient 22 % des arrêts non planifiés des convertisseurs – l'un des composants les plus sujets aux défaillances dans les systèmes éoliens. Les accélérations et décélérations fréquentes des véhicules provoquent d'importantes variations de puissance et de température, entraînant la fatigue des fils de connexion, le délaminage des soudures et d'autres défaillances dues à la fatigue thermique. L'emballement thermique peut provoquer une perte de puissance dans les véhicules électriques, un grave danger pour la sécurité.

Du point de vue de la résistance thermique, la dissipation de chaleur des IGBT est un problème de résistance thermique multicouche. La résistance thermique d'interface représente plus de 60 % du total, ce qui en fait le principal facteur limitant. Au sein de la résistance jonction-boîtier, le substrat céramique DBC (cuivre à liaison directe) est le principal contributeur (plus de 75 %). Le refroidissement par air traditionnel souffre de trois limitations majeures : un faible coefficient de transfert thermique, une faible capacité à éliminer les points chauds localisés et un volume système important, ce qui est incompatible avec la miniaturisation des systèmes.

3. comment plaques froides liquides travail et leur classification

Une plaque froide liquide (également appelée plaque de refroidissement, plaque de refroidissement liquide ou plaque de refroidissement à eau) utilise la convection forcée d'un liquide pour évacuer la chaleur. Son principe de fonctionnement est simple : la chaleur du module IGBT est transférée, via une interface thermique, à la base de la plaque froide, puis évacuée par le fluide caloporteur circulant dans des canaux internes ; ce fluide chaud circule ensuite vers un échangeur de chaleur, se refroidit, puis retourne à la plaque.

En fonction des procédés de fabrication et des formes structurelles, quatre types principaux de plaques froides IGBT sont utilisés aujourd'hui en ingénierie.

3.1 Plaques froides liquides traditionnelles

Les conceptions traditionnelles comprennent les modèles percés, assemblés, soudés et tubulaires. Ces modèles présentent une fabrication plus simple, un coût inférieur et conviennent aux modules IGBT de faible à moyenne densité de puissance. Parmi eux, la plaque froide tubulaire (ou plaque froide à liquide tubulaire) intègre des tubes en cuivre ou en acier inoxydable dans des rainures d'une plaque de base en aluminium, fixés par brasage ou époxy. Elle offre de meilleures performances thermiques et une durée de vie supérieure aux plaques percées classiques.

3.2 plaques froides à liquide tubulaire

Les plaques froides tubulaires (également appelées plaques froides à eau ou plaques froides tubulaires) utilisent des tubes en cuivre ou en acier inoxydable comme canaux de refroidissement. Ces tubes sont intégrés à une plaque de base en aluminium et fixés par collage thermique ou brasage. Leurs avantages incluent une fabrication simple, un faible coût et une grande flexibilité dans la configuration des tubes (par exemple, en serpentin ou en U) afin d'optimiser la distribution thermique de l'IGBT. Elles conviennent aux variateurs industriels et aux onduleurs solaires de puissance moyenne et à faible coût. Le diamètre typique des tubes est de 6 à 12 mm et la pression de service est généralement inférieure à 0,5 MPa.

3.3 plaques froides à liquide fsw

Les plaques froides liquides FSW (soudage par friction-malaxage) utilisent un agitateur rotatif pour générer de la chaleur par friction, plastifiant ainsi le matériau et créant une soudure à l'état solide entre le revêtement et la plaque de base rainurée. Ce procédé ne produit ni porosité, ni fissures, ni métal d'apport, ce qui garantit une résistance élevée de la soudure, une excellente étanchéité et l'absence de déformation du canal d'écoulement. Les plaques froides FSW sont idéales pour les onduleurs de traction des véhicules électriques et les convertisseurs de transport ferroviaire, où la fiabilité à long terme est essentielle. La largeur typique du canal est de 4 à 10 mm et la résistance à la pression peut atteindre 1,5 à 2,0 MPa.

3.4 plaques froides liquides extrudées

Les plaques froides extrudées (ou plaques de refroidissement en aluminium) sont fabriquées par extrusion d'aluminium à l'aide d'une filière dédiée, créant ainsi en une seule étape plusieurs canaux d'écoulement parallèles. Elles sont ensuite découpées, scellées aux extrémités et usinées. Leurs principaux avantages résident dans une productivité élevée, un faible coût unitaire et des dimensions de canaux constantes, ce qui les rend idéales pour une production standardisée en grande série. Cependant, la conception rectiligne des canaux limite l'optimisation des ailettes. Ces plaques sont utilisées dans les onduleurs et les modules de recharge pour véhicules électriques à usage général, où la densité de puissance est modeste. Le diamètre hydraulique typique est de 2 à 5 mm.

3.5 plaques froides liquides brasées

Les plaques froides brasées à liquide (ou plaques froides brasées) sont fabriquées par brasage sous vide ou sous atmosphère contrôlée d'une plaque de base estampée à canaux d'écoulement sur une plaque de recouvrement. Ce procédé permet la réalisation de structures d'ailettes internes complexes, telles que des ailettes cylindriques, des ailettes obliques et des turbulateurs. Le brasage offre une grande liberté de conception, permettant un transfert de chaleur optimisé dans un format compact, avec une bonne étanchéité et de faibles contraintes résiduelles. Les plaques froides brasées à liquide sont privilégiées pour les modules IGBT et SiC haute densité de puissance, largement utilisés dans les entraînements principaux de véhicules électriques haut de gamme, les convertisseurs éoliens et les alimentations industrielles de pointe. La taille des canaux peut atteindre 1 à 3 mm ; avec des ailettes cylindriques, la résistance thermique est nettement inférieure à celle des ailettes extrudées ou tubulaires. Le brasage sous vide est le procédé le plus fiable.

3.6 Comparaison de la résistance thermique et de la structure de différentes architectures de plaques froides

Pour faciliter la sélection technique, le tableau 1 compare les principaux paramètres thermiques et structurels des quatre plaques froides igbt (y compris les plaques tubulaires traditionnelles comme référence).

Tableau 1 : Comparaison de la résistance thermique et de la structure de différentes architectures de plaques froides à liquide

4. Optimisation des performances : conception du canal d'écoulement et des micro-ailettes

Les performances de refroidissement d'un système de refroidissement à plaque froide dépendent fortement de la conception des canaux d'écoulement internes et des ailettes. Les recherches actuelles portent sur les domaines suivants.

Structure des ailettes : une étude sur le refroidissement liquide de trois modules IGBT dans un variateur de moteur industriel a comparé des ailettes droites, à broches décalées et obliques, confirmant que les ailettes complexes améliorent la convection. De plus, une plaque de refroidissement liquide à micro-écoulement stratifié à ailettes obliques a permis d’obtenir un coefficient de transfert thermique trois fois supérieur, une réduction de 1,4 °C de la température maximale de la puce, une amélioration de 37,8 % de l’uniformité de la température et une réduction de plus de 15 % de la résistance à l’écoulement par rapport à une plaque froide à microcanaux rectangulaires, à débit égal, assurant ainsi un refroidissement fiable d’une puce de 800 W.

optimisation topologique : une étude utilisant une optimisation topologique bi-objectif (transfert de chaleur maximal, résistance à l'écoulement minimale) pour une plaque froide IGBT a montré que, par rapport à une plaque froide à canal droit, la plaque froide optimisée topologiquement a atteint une perte de charge inférieure de 26,3 %, une résistance thermique inférieure de 64,7 % et un coefficient de transfert de chaleur supérieur de 16,3 %.

Uniformité de la température : une équipe de recherche de l’université des sciences et technologies de l’information de Nanjing a proposé une plaque froide liquide innovante dotée de canaux en serpentin, d’ailettes améliorées et de turbulateurs décalés. Les résultats expérimentaux ont montré qu’une augmentation du débit du fluide de refroidissement réduisait la température maximale du dispositif d’environ 22 K, avec des performances thermiques stables sur une certaine plage de débit.

Compromis entre puissance de refroidissement et puissance de pompage : dans un système de refroidissement par plaque froide, l’augmentation du débit améliore le transfert de chaleur, mais accroît également la consommation d’énergie de la pompe de manière non linéaire. Dans les véhicules électriques, une chute de pression supplémentaire de 10 kPa peut entraîner une perte de puissance de pompage de plusieurs à plusieurs dizaines de watts, un facteur à prendre en compte dans le bilan énergétique du système.

5. Évolution de l'architecture : du refroidissement indirect à la plaque froide liquide intégrée/DBC

Dans les architectures de refroidissement traditionnelles, le module IGBT possède une structure multicouche « puce – DBC – plaque de base (cuivre ou Alsic) – plaque froide », chaque couche ajoutant une résistance thermique. Comme indiqué, la résistance thermique d'interface dépasse 60 % de la résistance totale.

Pour pallier ce problème, une architecture de rupture a vu le jour : la plaque froide liquide intégrée (ou DBC). Le principe consiste à intégrer le substrat DBC directement dans la plaque froide, en utilisant des procédés à haute température pour lier le cuivre et la céramique (Al₂O₃ ou AlN) en une structure monolithique. Les canaux de refroidissement sont placés directement sous la puce, séparés uniquement par le DBC, ce qui raccourcit considérablement le trajet de conduction thermique.

Trois avantages majeurs : (1) suppression de la plaque de base et du circuit imprimé externe, réduisant considérablement la résistance thermique totale ; (2) résolution des canaux jusqu’à 0,3 mm, associée à du cuivre à haute conductivité, pour d’excellentes performances isothermes ; (3) compatibilité avec des configurations compactes à haute densité de puissance et le montage de composants double face. Les principaux paramètres des matériaux pour ce système intégré sont présentés dans le tableau 2.

Tableau 2 : Paramètres clés des matériaux pour la plaque froide liquide intégrée au dbc (source : refroidissement électronique, 2025)

Cette tendance à l'intégration s'inscrit dans le cadre de la croissance du marché des modules IGBT à refroidissement direct.

6. Sélection des matériaux et technologie des fluides de refroidissement

Le choix du matériau de la plaque froide repose sur un compromis entre conductivité thermique, usinabilité et coût. L'alliage d'aluminium 6063, dont la conductivité thermique se situe entre 180 et 230 W/(m·K), est le plus couramment utilisé. Le cuivre offre une conductivité d'environ 401 W/(m·K), mais sa densité est trois fois supérieure à celle de l'aluminium et son coût est bien plus élevé ; il est donc réservé aux applications haut de gamme exigeant un refroidissement rigoureux.

Le fluide caloporteur est un vecteur essentiel du transfert de chaleur. Une étude publiée dans la revue Applied Thermal Engineering a comparé l'eau déminéralisée, l'eau purifiée, une solution aqueuse d'éthylène glycol à 20 % et le fluide caloporteur HFE7100. À un nombre de Reynolds (Re) de 1400, le critère d'évaluation global de la performance (PEC) de l'eau déminéralisée était supérieur de 9,3 %, 24,5 % et 163,9 % à celui de l'eau purifiée, de la solution aqueuse d'éthylène glycol à 20 % et du fluide caloporteur HFE7100, respectivement. Un nombre de Reynolds de 1400 (vitesse d'écoulement d'environ 0,5 à 0,6 m/s) a été identifié comme la plage de fonctionnement optimale pour une faible perte de charge. Dans les systèmes pratiques, un mélange eau-éthylène glycol à 50 % est largement utilisé, offrant une protection contre le gel et une bonne conductivité thermique.

7. Procédés de fabrication et essais de fiabilité

Le soudage/scellage d'une plaque froide liquide influe directement sur sa fiabilité à long terme. Il existe quatre principaux types de plaques froides : les plaques tubulaires sont réalisées par enrobage de tube et brasage ou pressage ; les plaques FSW utilisent le soudage par friction-malaxage ; les plaques extrudées utilisent l'extrusion et le scellage des extrémités ; les plaques brasées utilisent le brasage sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Le brasage sous vide et le soudage FSW sont les procédés les plus courants pour les plaques froides à haute fiabilité.

Les défauts de soudage courants comprennent la porosité, l'étalement excessif, les microfissures internes, une mauvaise liaison et l'obstruction des canaux d'écoulement. Pour les plaques froides soudées par friction-malaxage et brasées, l'étanchéité de la soudure et la propreté interne doivent être soigneusement inspectées.

La planéité est un autre facteur clé. Selon la théorie du contact de Hertz, même les surfaces macroscopiquement planes présentent des aspérités microscopiques ; la surface de contact réelle est bien inférieure à la surface nominale. Des écarts de planéité de l’ordre du micron peuvent entraîner une augmentation considérable de la résistance thermique à l’interface. Les critères d’acceptation typiques pour les systèmes de refroidissement par plaque froide comprennent :

• Étanchéité : test d'étanchéité à l'hélium, fuite ≤ 1×10⁻⁶ Pa·m³/s ou ≤ 0,05 ml/min à 0,5–2,0 MPa

• résistance à la pression : test d'éclatement hydraulique ≥ 3× pression de service (normalement ≥ 3,0 MPa)

• Planéité : ≤ 0,05 mm pour 100 mm (globalement ≤ 0,1 mm)

• propreté : particules ≤ 10 mg/m²

8. Valeur des plaques froides liquides dans les domaines d'application des IGBT

Véhicules électriques : la plaque de refroidissement liquide dissipe la chaleur de l’onduleur de traction, ce qui influe directement sur la puissance du moteur. Les modules à semi-conducteurs (SiC) présentent une densité de puissance 2 à 3 fois supérieure à celle des IGBT traditionnels ; les plaques froides liquides tubulaires, à fil soudé (FSW) ou brasées, à haut rendement, éliminent efficacement les points chauds localisés, améliorant ainsi l’autonomie et la fiabilité des véhicules électriques.

Onduleurs éoliens et solaires : les modules IGBT fonctionnent sous charge élevée en continu ; le système de refroidissement doit avoir une longue durée de vie et nécessiter peu d’entretien. Les plaques froides permettent d’obtenir des températures de jonction stables plus basses et des variations de température réduites, ce qui améliore considérablement la fiabilité dans des conditions difficiles.

Transport ferroviaire : l’électrification augmente la demande de refroidissement ; le refroidissement liquide actif (à pompe) offre un contrôle de température plus précis que la convection naturelle ou le refroidissement par air forcé, améliorant ainsi la fiabilité dans les environnements extrêmes.

(Des plaques de refroidissement similaires sont également utilisées pour l'électronique, notamment dans les plaques de refroidissement des processeurs hautes performances, les plaques froides pour le liquide des batteries des véhicules électriques et les conceptions de plaques froides isolées pour l'isolation haute tension.)

9. Perspectives du marché et tendances technologiques

Selon Qyresearch, le marché mondial des substrats de dissipateurs thermiques IGBT a atteint Le marché des IGBT, estimé à 720 millions d'unités en 2024, devrait atteindre 1,165 milliard d'ici 2031, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 7,7 %. Cette croissance est principalement due aux plaques froides à liquide, notamment les modèles brasés et FSW. Le TCAC de 17,9 % pour les modules IGBT à refroidissement liquide direct est nettement supérieur au TCAC global de 7,7 % pour les substrats IGBT, ce qui témoigne de la forte pénétration de la technologie de refroidissement liquide.

Un concept avancé, la plaque froide liquide à jets multiples (mjilcp) pour une puissance calorifique inférieure de 1 000 W, présenté lors d’une conférence IEEE, a démontré une résistance thermique inférieure de 14,3 % et une puissance de pompage inférieure de 19,3 % par rapport à une plaque froide conventionnelle à canaux fraisés. Pour atteindre une résistance thermique de 0,0236 °C/W, la mjilcp a nécessité 48 % de puissance de pompage en moins.

L'évolution future se concentre sur trois directions :

1. Intégration poussée : du refroidissement indirect à l'intégration DBC embarquée, réduisant encore la résistance thermique.

2. Conception intelligente : conception assistée par IA, optimisation topologique et fabrication additive pour les canaux d'écoulement personnalisés (plaque froide à liquide personnalisée, plaques froides personnalisées).

3. Adaptation multi-scénarios : solutions personnalisées pour les plateformes haute tension 800 V, la haute altitude, etc., incluant éventuellement une plaque froide à azote liquide pour les besoins de refroidissement extrêmes.

À mesure que la production locale progresse et que la révolution des nouvelles énergies s'approfondit, les plaques froides liquides évolueront de composants auxiliaires à des éléments clés de la densité de puissance et de la fiabilité des IGBT et de l'électronique de puissance en général.