【ZiDongHua 之“創(chuàng)新自化成”收錄關(guān)鍵詞：中科院理化所 IGBT  功率器件 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈 】

　　

　　

　　大功率絕緣柵雙極晶體管（又稱IGBT）作為高鐵列車電能轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵陌雽?dǎo)體功率器件，其性能直接決定了高鐵列車牽引系統(tǒng)的牽引效率、運(yùn)行速度以及能耗水平等三大關(guān)鍵指標(biāo)。隨著高鐵IGBT模塊的功率持續(xù)攀升至萬(wàn)瓦級(jí)，其熱管理挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。

　　

　　中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低溫材料及應(yīng)用超導(dǎo)研究中心功能陶瓷組李永團(tuán)隊(duì)在高鐵列車大功率IGBT器件熱管理領(lǐng)域取得新進(jìn)展。針對(duì)上述熱管理需求，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的提出了一種基于高輻射率和高熱導(dǎo)率協(xié)同作用的涂層輻射散熱強(qiáng)化調(diào)控技術(shù)（Exploration, 2023, 20230085, 1-9;ACS Appl. Electron. Mater., 2024, 6, 6776-6784;Compos. Commun., 2023, 40, 101596），成功解決了傳統(tǒng)輻射冷卻涂層在高功率IGBT模塊散熱器表面輻射冷卻效能差、傳熱熱阻高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊熱管散熱器表面輻射散熱強(qiáng)化（Appl. Therm. Eng., 2025, 262, 125307），顯著提升了高功率IGBT模塊熱管理效能。

　　

　　為進(jìn)一步提升高功率IGBT模塊熱管散熱換熱效能，近日，該研究團(tuán)隊(duì)采用了一種新的表面工程化策略，在熱管散熱器翅片表面構(gòu)筑無(wú)樹脂多級(jí)結(jié)構(gòu)高發(fā)射率涂層（hierarchical resin-free coating, HRC）。該策略創(chuàng)新性地采用石墨烯和六方氮化硼納米片（h-BNNS）作為功能填料，通過(guò)“基層濕法化學(xué)腐蝕” 結(jié)合“填料硅烷偶聯(lián)”工藝，在熱管散熱器表面構(gòu)建具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的“石墨烯/h-BNNS”復(fù)合輻射散熱涂層。通過(guò)涂層表面的二維納米片晶格振動(dòng)與多級(jí)結(jié)構(gòu)電場(chǎng)極化調(diào)控的協(xié)同作用顯著增強(qiáng)了熱輻射效能，同時(shí)，利用石墨烯與h-BNNS的聲子譜匹配降低填料間接觸熱阻，提升涂層熱流密度。高鐵大功率IGBT模塊模擬工況下的散熱試驗(yàn)結(jié)果表明，與未涂覆涂層散熱器相比，在1.5 kW熱負(fù)荷下，表面涂覆涂層的熱管散熱器在風(fēng)速為1 ~ 5 m/s時(shí)，IGBT模塊溫度降低了3.1 ~ 9.9℃，總熱阻降低了16.7 %，顯著提升了高鐵IGBT高功率模塊的熱管理效能。

　　

　　該研究成果以Radiation-enhanced heat pipe radiator via surface-engineered hierarchical resin-free coating for effective passive heat dissipation of high-power electronic modules為題在Advanced Functional Materials雜志上發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所為第一完成單位；該文章通訊作者為中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所李永正高級(jí)工程師、楊輝高級(jí)工程師和香港理工大學(xué)許林利助理教授。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所2022級(jí)碩士研究生任月和山東高等技術(shù)研究院吳小虎研究員為文章共同第一作者。山東大學(xué)秦寧教授團(tuán)隊(duì)為該工作的傳熱仿真提供協(xié)助，中國(guó)科學(xué)院理化所功能陶瓷組李江濤研究員為本研究提供了專業(yè)指導(dǎo)和幫助。

　　

　　研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2022YFE0201200）、國(guó)家自然科學(xué)基金“功能基元序構(gòu)基礎(chǔ)研究重大研究計(jì)劃”(項(xiàng)目編號(hào)：922632057)、國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：52003277）及內(nèi)地與香港聯(lián)合資助計(jì)劃-創(chuàng)新及科技基金（項(xiàng)目編號(hào)MHP/005/21）等的資助支持。

　　

　　基于上述研究工作成果，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與遼寧和天精工科技有限公司合作研發(fā)出了高性能輻射冷卻熱管散熱器，并通過(guò)委托大連容輝科技有限公司銷售，成功實(shí)現(xiàn)了在我國(guó)大馬力HXN3B型內(nèi)燃機(jī)車IGBT模塊熱管理方面的規(guī)?；こ虘?yīng)用，裝車量達(dá)到了150輛。HXN3B型內(nèi)燃機(jī)車由中車大連機(jī)車車輛有限公司研發(fā)及生產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)役最大功率的貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車，其機(jī)車牽引功率可達(dá)2700kW，代表了我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車的最高水平。該內(nèi)燃機(jī)車頭IGBT功率器件的散熱器功率可達(dá)12000W，其散熱器不僅要具備高的換熱效率，還要滿足質(zhì)量輕、體積小等技術(shù)要求，是該內(nèi)燃動(dòng)力機(jī)車的關(guān)鍵部件。服役情況表明：本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的散熱器在使用過(guò)程中性能穩(wěn)定、散熱效果顯著，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車IGBT高功率器件的安全、穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了關(guān)鍵作用。上述研究和工程應(yīng)用成果有望為我國(guó)新基建七大領(lǐng)域中量大面廣的IGBT功率器件之熱管理提供一條“被動(dòng)輻射冷卻”新途徑。

　　

　　論文鏈接：

　　

　　https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202505039

　　

　　

　　

　　圖1. HRC的應(yīng)用場(chǎng)景和制備。a) 應(yīng)用于高速鐵路的IGBT功率元件熱管散熱器示意圖。b) 裸鋁和HRC涂覆鋁表面的熱傳遞以及二維納米片在刻蝕基板上強(qiáng)粘附的機(jī)制示意圖。c) HRC涂覆鋁熱管散熱器制備示意圖。通過(guò)球磨制備石墨烯和h-BN納米片復(fù)合材料，并用硅烷偶聯(lián)劑改性，同時(shí)通過(guò)化學(xué)刻蝕制備微結(jié)構(gòu)。然后將HRC噴涂到刻蝕的鋁熱管散熱器上。此外，氟硅烷（1H,1H,1H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷）可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）粘附到涂層上，用于需要自清潔性能的應(yīng)用。

　　

　　

　　

　　圖2. HRC的微觀結(jié)構(gòu)和光譜特性。a) 裸鋁、刻蝕鋁和HRC涂覆鋁的SEM圖像。b) 裸鋁、刻蝕鋁和HRC表面的三維掃描模式圖像。c) 裸鋁、刻蝕鋁和HRC涂覆鋁的紅外光譜發(fā)射率和光譜輻照度。d) HRC在入射角為0°至90°范圍內(nèi)的波長(zhǎng)依賴性非偏振發(fā)射率。e) HRC優(yōu)異紅外吸收/發(fā)射特性的示意圖。f) 粗糙鋁基板的三維幾何模型。g) 粗糙鋁在波長(zhǎng)為6、16和20 μm時(shí)的x-z平面電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

　　

　　

　　

　　圖3. 在1.5 kW熱負(fù)荷下HRC在熱管散熱器上的熱實(shí)驗(yàn)。a) 空白熱管散熱器和HRC涂覆熱管散熱器的照片。b) 強(qiáng)制對(duì)流場(chǎng)景下熱管散熱器性能評(píng)估的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。c) 不同風(fēng)速下HRC涂覆和未涂覆散熱器基板的實(shí)驗(yàn)和模擬最高溫度。d) 不同風(fēng)速下HRC涂覆和未涂覆熱管散熱器的實(shí)驗(yàn)和模擬熱阻。e) 不同風(fēng)速下HRC涂覆和未涂覆熱管散熱器的模擬輻射和對(duì)流熱阻。f) 風(fēng)速為1 m/s時(shí)空白熱管散熱器和熱源的模擬溫度分布。g) 風(fēng)速為1 m/s時(shí)HRC涂覆熱管散熱器和熱源的模擬溫度分布。

　　

　　

　　

　　圖4. 輻射冷卻熱管散熱器在大馬力機(jī)車IGBT器件熱管理應(yīng)用證明與工程應(yīng)用實(shí)物照片