電動汽車雙面散熱功率模塊的設計挑戰

       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。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，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。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。

       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。

1 雙面散熱功率模塊的現狀

       近十年來，一些公司和機構對雙面散熱功率模塊的可行性進行了研究和示范，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。部分雙面散熱功率模塊的內部結構如圖2所示。近年來，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。

       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，科研人員對雙面散熱功率模塊的一維熱傳遞模型進行了研究。

       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。

       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 h 1～ h 10、 a 1、 a 2和 d c。

2 雙面散熱功率模塊的欠優化問題

       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， h 5= h 9）。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（ h 5 ≠ h 9）。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。

       由于車用雙面散熱功率模塊對可靠性要求高，選擇與模塊壽命高度相關的熱阻和應力作為優化設計的目標。與封裝結構尺寸相關的高度 h 1～ h 10和寬度 a 1、a 2作為待優化變量。以制造工藝的限制作為待優化變量的約束條件。

       封裝結構和封裝材料決定了功率模塊的熱-力性能。針對功率模塊的優化設計，需要解決兩個關鍵問題：如何表征材料屬性和結構尺寸對功率模塊的熱-力性能的影響；如何 協同設計功率模塊的熱-力性能。

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