雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

來(lái)源：艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)

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

相對(duì)于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面冷卻功率模塊具有更強(qiáng)的散熱能力和更低的寄生參數(shù)。近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高車用電機(jī)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(dòng)汽車上的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。然而，新興的雙面散熱功率模塊還缺少設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，模塊內(nèi)的熱力耦合規(guī)律也尚不明晰，這些問(wèn)題都限制了雙面散熱功率模塊的大規(guī)模應(yīng)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(jí)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(shè)計(jì)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(jī)之外，日本電裝、日本日立和德國(guó)英飛凌等公司的雙面散熱功率模塊已初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，雙面散熱功率模塊在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。部分雙面散熱功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀，從平面布局來(lái)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(lái)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(jié)構(gòu)。

對(duì)比圖1和圖2所示模塊，結(jié)果表明：

①各雙面散熱模塊在平面結(jié)構(gòu)方面差異很大，但共同特點(diǎn)是芯片之間的距離普遍較遠(yuǎn)，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(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)；

③對(duì)每個(gè)芯片單元進(jìn)行抽象建模，發(fā)現(xiàn)其都有相同的截面結(jié)構(gòu)。

根據(jù)現(xiàn)有雙面散熱功率模塊的特點(diǎn)，出于通用性考慮，在芯片間熱耦合效應(yīng)不強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(gè)Si IGBT、2 個(gè)Si FRD（fast recovery diode）、2 個(gè) DBC 和 4 個(gè)墊片組成。

圖3 雙面散熱功率模塊的基本結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)，用于絕緣和導(dǎo)熱。金屬墊高用于導(dǎo)電和導(dǎo)熱，為 IGBT 門極鍵合線提供足夠的高度和絕緣強(qiáng)度。焊料用于連接異質(zhì)層。當(dāng)各層材料確定之后，模塊的性能決定于各層的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)并不對(duì)稱。因此，對(duì)于一個(gè)優(yōu)化的雙面散熱功率模塊，頂面和底面 DBC 的高度應(yīng)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(wèn)題，需要根據(jù)具體設(shè)計(jì)目標(biāo)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(shè)計(jì)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(yīng)力是功率模塊設(shè)計(jì)時(shí)的兩個(gè)重要目標(biāo)。雙面散熱功率模塊熱阻的主要構(gòu)成部分是墊高和焊層。為了降低結(jié)-殼熱阻，墊高和焊層應(yīng)采用盡可能薄的結(jié)構(gòu)和盡可能導(dǎo)熱的材料；通常高度與導(dǎo)熱系數(shù)的靈敏度呈相反趨勢(shì)，降低材料厚度可提高材料導(dǎo)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(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(jī)械應(yīng)力由各層的高度、熱膨脹系數(shù)和楊氏模量共同決定。相對(duì)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(jī)械應(yīng)力的集中區(qū)域，焊層和 DBC 銅層貢獻(xiàn)了近 90% 的機(jī)械應(yīng)力，它們是熱循環(huán)過(guò)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(jié)構(gòu)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(jiàn)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(shè)計(jì)結(jié)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(jī)械應(yīng)力，提高功率模塊的壽命。

圖5 焊料對(duì)封裝優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的影響

考慮不同陶瓷材料的影響，模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)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(jī)械應(yīng)力，與 Al2O3 相比，它們都可以提升模塊的熱-力性能。相對(duì)于 AlN 襯底，采用 Si3N4 雙面散熱功率模塊的機(jī)械應(yīng)力降低了 8%，但是熱阻增加了 21%。AlN 具有較好的導(dǎo)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(qiáng)度較之氮化硅基板差距較大，可以預(yù)見(jiàn)的是在未來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈更加成熟時(shí)， Si3N4 將會(huì)是一種更好的選擇。

圖6 陶瓷對(duì)封裝優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的影響

考慮不同墊高金屬材料的影響，模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。采用銅和銀墊高材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的熱-力性能基本相同。與鉬相比，銅和銀具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。然而，在使用鉬作為墊高材料時(shí)，其熱阻犧牲不到 10%，卻能使功率模塊的機(jī)械應(yīng)力降低 18% 以上。鉬因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)小，具有降低熱應(yīng)力的效果，鉬墊片的可焊性也可通過(guò)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(dǎo)熱率較差，在選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮雙面散熱模塊的尺寸和多芯片并聯(lián)熱設(shè)計(jì)，平衡導(dǎo)熱和機(jī)械應(yīng)力的關(guān)系。

圖7 墊高材料對(duì)封裝優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的影響

綜上所述，雙面散熱功率模塊的封裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，熱阻和機(jī)械應(yīng)力之間存在著明顯的折中。為了協(xié)調(diào)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(shè)計(jì)過(guò)程中，還可以根據(jù) Pareto 解，定制化設(shè)計(jì)功率模塊的截面尺寸。

3 結(jié)論

對(duì)比研究封裝材料對(duì)封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，可以得到如下結(jié)論：

1）相對(duì)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(jī)控制器的關(guān)鍵核心部件。傳統(tǒng)雙面散熱功率模塊缺乏設(shè)計(jì)指導(dǎo)，有待進(jìn)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(shù)瓶頸。模塊 DBC 金屬層和焊料層的總應(yīng)變能密度較大，是限制機(jī)械應(yīng)力降低的技術(shù)關(guān)鍵。

3）封裝材料屬性對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)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