Development of innovative 3D-printable liquid coolers for power semiconductor devices and modules

L’attività di ricerca principale del mio progetto di ricerca del dottorato ha riguardato la progettazione di dissipatori a liquido metallici fabbricabili con stampa 3D per dispositivi a semiconduttore di potenza. Una prima parte del lavoro, in collaborazione con l’azienda Poseico S.p.A. di Genova, ha riguardato la progettazione di coldplate per dispositivi di potenza di tipo press-pack. In particolare, con apposite campagne di simulazioni termofluidodinamiche agli elementi finiti, sono state ottimizzate alcune geometrie dotate di blocco interno di canali paralleli. Dopo la fabbricazione di una prima versione, durante le caratterizzazioni con apposito banco di misura sono emersi alcuni problemi di ostruzione dei canali interni, con conseguente comparsa di punti caldi sulle superfici di scambio. Si è quindi proceduto con l’ottimizzazione del progetto, introducendo raccordi ad imbuto e migliorando i parametri di stampa, in particolare riducendo il diametro della polvere di metallo utilizzata. L’ultima versione prodotta ha mostrato prestazioni molto simili a quelle previste con le simulazioni. Il dissipatore realizzato, ormai considerabile un prodotto maturo, è pronto per le prove su un convertitore completo, prima della definitiva immissione nel mercato. Una seconda parte dell’attività di ricerca, ancora in collaborazione con Poseico S.p.A., ha riguardato la progettazione di un dissipatore analogo a quello descritto in precedenza, ma di forma rettangolare e adatto al raffreddamento di 3 moduli di potenza. Le simulazioni, con le quali sono state confrontate le nuove geometrie lamellari con quelle tradizionali a serpentina, hanno mostrato un notevole miglioramento delle prestazioni, in particolare per quanto riguarda la perdita di carico, notevolmente ridotta, a parità di portata. La fabbricazione di un prototipo e le relative caratterizzazioni con banco di misura sono pianificate per i prossimi mesi. Un’ulteriore attività importante del mio percorso di dottorato ha riguardato la progettazione di cooler diretti per moduli di potenza. Tali dispositivi consistono in vasche stampate in 3D dotate di ugelli, dai quali fuoriesce il liquido refrigerante che colpisce direttamente il baseplate del modulo da raffreddare, riducendo il percorso termico rispetto alle soluzioni tradizionali. È stata realizzata una prima versione quadrata per un resistore da 600 W, sia con 9 che con 16 ugelli. Con opportune campagne di simulazione e un algoritmo di ottimizzazione automatica si è proceduto all’ottimizzazione del diametro degli ugelli e della loro altezza. Le prestazioni ottenute dai primi prototipi sono in linea con quanto previsto dalle simulazioni. Altre attività di ricerca marginali svolte sono descritte nella tesi, con i principali risultati ottenuti e le relative considerazioni.