雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀和設計挑戰(zhàn)

來源：艾邦半導體網(wǎng)

隨著電動汽車的快速發(fā)展，車用電機控制器得到廣泛的關注。車用電機控制器管理電池和電機之間的能量流，是電動汽車的心臟。除動力電池外，車用電機控制器的功率模塊是電動汽車中最昂貴的部件，占整車成本的7%～15%。為了滿足嚴苛的運行工況和嚴格的預期壽命（通常要求 20 萬km或 15 年的設計壽命），車用功率模塊應滿足低熱阻和低應力要求，以提升功率模塊的可靠性和耐用性。

相對于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面冷卻功率模塊具有更強的散熱能力和更低的寄生參數(shù)。近年來，為了進一步提高車用電機控制器的效率、功率密度和可靠性，雙面散熱功率模塊在電動汽車上的應用得到了越來越多的關注。然而，新興的雙面散熱功率模塊還缺少設計理論和設計方法，模塊內(nèi)的熱力耦合規(guī)律也尚不明晰，這些問題都限制了雙面散熱功率模塊的大規(guī)模應用。

按芯片頂面的連接方式不同，雙面散熱功率模塊可分為低溫共燒、壓接、直焊三類。通常，車用雙面散熱功率模塊的電壓等級為 600～1200V，出于成本考慮，多采用直焊的雙面散熱功率模塊。

1 雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀和設計挑戰(zhàn)

雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀如圖1所示，電流范圍從 50～600A。除樣機之外，日本電裝、日本日立和德國英飛凌等公司的雙面散熱功率模塊已初步實現(xiàn)了商業(yè)化，雙面散熱功率模塊在電動汽車中的應用得到了越來越多的關注。部分雙面散熱功率模塊的內(nèi)部結構如圖2所示。

圖1 雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀

圖2 部分商業(yè)化雙散熱模塊的內(nèi)部結構

根據(jù)現(xiàn)有雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀，從平面布局來看，功率模塊的芯片數(shù)量和布局由模塊的額定功率決定，不同模塊的差異較大。但是，從模塊的截面來看，功率模塊普遍采用兩層 DBC 襯板、芯片、墊片和三層焊料的結構。

對比圖1和圖2所示模塊，結果表明：

①各雙面散熱模塊在平面結構方面差異很大，但共同特點是芯片之間的距離普遍較遠，熱耦合作用較弱；

②都具有相同的基本單元，即兩層 DBC 襯板、芯片、墊片和三層焊料構成的三明治結構；

③對每個芯片單元進行抽象建模，發(fā)現(xiàn)其都有相同的截面結構。

根據(jù)現(xiàn)有雙面散熱功率模塊的特點，出于通用性考慮，在芯片間熱耦合效應不強的情況下，本文研究雙面散熱功率模塊的一維熱傳遞模型。以英飛凌公司為例，其最新的雙面散熱功率模塊 FF400R07A01E3_S6 的基本結構如圖3所示，該半橋功率模塊的額定電流和電壓為 400A/700V，內(nèi)部剖面如圖3c所示。該模塊主要由2個Si IGBT、2 個Si FRD（fast recovery diode）、2 個 DBC 和 4 個墊片組成。

圖3 雙面散熱功率模塊的基本結構

根據(jù)圖3c所示，雙面散熱功率模塊在x-z平面上的截面如圖4所示。DBC 為銅-陶瓷-銅的三明治結構，用于絕緣和導熱。金屬墊高用于導電和導熱，為 IGBT 門極鍵合線提供足夠的高度和絕緣強度。焊料用于連接異質層。當各層材料確定之后，模塊的性能決定于各層的結構尺寸h1～h10、a1、a2和dc。

圖4 雙面散熱功率模塊的剖面

根據(jù)圖3和圖4，現(xiàn)有雙面散熱功率模塊頂面和底面 DBC 的高度完全相同（以陶瓷層為例，h5=h9）。然而，由于墊高僅出現(xiàn)在頂面，功率模塊在垂直方向上的結構并不對稱。因此，對于一個優(yōu)化的雙面散熱功率模塊，頂面和底面 DBC 的高度應該不一致（h5≠h9）。顯然，現(xiàn)有的雙面散熱功率模塊存在欠優(yōu)化問題，需要根據(jù)具體設計目標開展深度的建模和優(yōu)化研究。

2 雙面散熱功率模塊的熱-力系統(tǒng)設計求解

功率模塊是電力電子系統(tǒng)中最不可靠的部分之一，降低熱阻和熱應力是功率模塊設計時的兩個重要目標。雙面散熱功率模塊熱阻的主要構成部分是墊高和焊層。為了降低結-殼熱阻，墊高和焊層應采用盡可能薄的結構和盡可能導熱的材料；通常高度與導熱系數(shù)的靈敏度呈相反趨勢，降低材料厚度可提高材料導熱系數(shù)，降低雙面散熱功率模塊的熱阻；降低熱阻還可以提高功率模塊的使用壽命，通過優(yōu)化結構尺寸和材料屬性降低熱阻，可以線性地提高雙面散熱功率模塊的壽命。

功率模塊的機械應力由各層的高度、熱膨脹系數(shù)和楊氏模量共同決定。相對于金屬鉬，銅墊高可以降低功率模塊的熱阻。但是，墊高使用銅的非彈性能量密度是鉬的 5.4 倍。此外，DBC 金屬層和焊層是模塊機械應力的集中區(qū)域，焊層和 DBC 銅層貢獻了近 90% 的機械應力，它們是熱循環(huán)過程中的薄弱環(huán)節(jié)。與焊料相比，DBC 銅層的影響更為顯著。

因此，封裝結構和封裝材料決定了功率模塊的熱-力性能。雙面散熱功率模塊的典型材料屬性見表1。常用的焊料包括SAC305（Sn96.5Ag3Cu0.5）合金、Sn63Pb37 合金和銀（Ag）膏。常用的DBC陶瓷材料有 Al2O3、AlN 和 Si3N4。常用于墊高的材料為金屬鉬（Mo）、銅（Cu）和銀（Ag）。

表1 功率模塊材料的特性

考慮不同焊層材料的影響，模型的優(yōu)化設計結果如圖5所示。與 SAC305 或 Sn63Pb37 合金相比，銀膏可以降低雙面散熱功率模塊 46% 的熱阻，采用銀膏可以降低封裝熱阻和機械應力，提高功率模塊的壽命。

圖5 焊料對封裝優(yōu)化設計結果的影響

考慮不同陶瓷材料的影響，模型的優(yōu)化設計結果如圖6所示。采用 AlN 可以獲得較低的熱阻，而采用 Si3N4 可以獲得更低的機械應力，與 Al2O3 相比，它們都可以提升模塊的熱-力性能。相對于 AlN 襯底，采用 Si3N4 雙面散熱功率模塊的機械應力降低了 8%，但是熱阻增加了 21%。AlN 具有較好的導熱性，有助于降低熱阻，并且成本較 Si3N4 更低，因而廠家更多推出 AlN DBC 的產(chǎn)品；然而 AlN DBC 的高溫可靠性較差，抗彎強度較之氮化硅基板差距較大，可以預見的是在未來產(chǎn)業(yè)鏈更加成熟時， Si3N4 將會是一種更好的選擇。

圖6 陶瓷對封裝優(yōu)化設計結果的影響

考慮不同墊高金屬材料的影響，模型的優(yōu)化設計結果如圖7所示。采用銅和銀墊高材料，優(yōu)化設計結果的熱-力性能基本相同。與鉬相比，銅和銀具有較高的導熱系數(shù)。然而，在使用鉬作為墊高材料時，其熱阻犧牲不到 10%，卻能使功率模塊的機械應力降低 18% 以上。鉬因為熱膨脹系數(shù)小，具有降低熱應力的效果，鉬墊片的可焊性也可通過鍍鎳解決。所以，最近幾年各廠家已經(jīng)推出了鉬墊片的雙面散熱模塊（如英飛凌、中車等）。但是其導熱率較差，在選擇時應綜合考慮雙面散熱模塊的尺寸和多芯片并聯(lián)熱設計，平衡導熱和機械應力的關系。

圖7 墊高材料對封裝優(yōu)化設計結果的影響

綜上所述，雙面散熱功率模塊的封裝設計過程中，熱阻和機械應力之間存在著明顯的折中。為了協(xié)調功率模塊的熱-力性能，推薦的封裝材料：DBC 陶瓷 AlN 或 Si3N4、銀膏焊料和鉬金屬墊高。此外，在模塊設計過程中，還可以根據(jù) Pareto 解，定制化設計功率模塊的截面尺寸。

3 結論

對比研究封裝材料對封裝結構優(yōu)化設計結果的影響，可以得到如下結論：

1）相對于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊能夠減小寄生參數(shù)，降低熱阻，改善功率模塊的壽命，是下一代車用電機控制器的關鍵核心部件。傳統(tǒng)雙面散熱功率模塊缺乏設計指導，有待進一步的深入研究。

2）雙面散熱功率模塊的墊高層及其焊料層熱阻較大，是制約功率模塊熱阻降低的技術瓶頸。模塊 DBC 金屬層和焊料層的總應變能密度較大，是限制機械應力降低的技術關鍵。

3）封裝材料屬性對于優(yōu)化設計結果具有明顯的影響。銀膏焊料、AlN 或 Si3N4 陶瓷材料、鉬墊高等材料是雙面散熱功率模塊的推薦材料，有利于提升功率模塊的綜合性能。

審核編輯：湯梓紅