來源：艾邦半導體網

隨著電動汽車的快速發展，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。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，模塊內的熱力耦合規律也尚不明晰，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狀和設計挑戰

雙面散熱功率模塊的現狀如圖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了商業化，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部結構如圖2所示。

圖1 雙面散熱功率模塊的現狀

圖2 部分商業化雙散熱模塊的內部結構

根據現有雙面散熱功率模塊的現狀，從平面布局來看，功率模塊的芯片數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，發現其都有相同的截面結構。

根據現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

根據圖3和圖4，現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，現有的雙面散熱功率模塊存在欠優化問題，需要根據具體設計目標開展深度的建模和優化研究。

2 雙面散熱功率模塊的熱-力系統設計求解

功率模塊是電力電子系統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的靈敏度呈相反趨勢，降低材料厚度可提高材料導熱系數，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域，焊層和 DBC 銅層貢獻了近 90% 的機械應力，它們是熱循環過程中的薄弱環節。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 焊料對封裝優化設計結果的影響

考慮不同陶瓷材料的影響，模型的優化設計結果如圖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業鏈更加成熟時， 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，模型的優化設計結果如圖7所示。采用銅和銀墊高材料，優化設計結果的熱-力性能基本相同。與鉬相比，銅和銀具有較高的導熱系數。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 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化設計結果的影響，可以得到如下結論：

1）相對于傳統單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊能夠減小寄生參數，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