電動(dòng)汽車(chē)雙面散熱功率模塊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

       隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，車(chē)用 電機(jī)控制器得到廣泛的關(guān)注。除動(dòng)力電池外，車(chē)用電機(jī)控制器的功率模塊是電動(dòng)汽車(chē)中最昂貴的部件，占整車(chē)成本的7%～15%。為了滿(mǎn)足嚴(yán)苛的運(yùn)行工況和嚴(yán)格的預(yù)期壽命，車(chē)用功率模塊應(yīng)滿(mǎn)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(chē)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(chē)上的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)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(lèi)。

       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。

1 雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀

       近十年來(lái)，一些公司和機(jī)構(gòu)對(duì)雙面散熱功率模塊的可行性進(jìn)行了研究和示范，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。部分雙面散熱功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。近年來(lái)，雙面散熱功率模塊在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

       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，科研人員對(duì)雙面散熱功率模塊的一維熱傳遞模型進(jìn)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(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。

       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(mén)極鍵合線(xiàn)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 h 1～ h 10、 a 1、 a 2和 d c。

2 雙面散熱功率模塊的欠優(yōu)化問(wèn)題

       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， h 5= h 9）。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(chēng)。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（ h 5 ≠ h 9）。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(kāi)展深度的建模和優(yōu)化研究。

       由于車(chē)用雙面散熱功率模塊對(duì)可靠性要求高，選擇與模塊壽命高度相關(guān)的熱阻和應(yīng)力作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。與封裝結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)的高度 h 1～ h 10和寬度 a 1、a 2作為待優(yōu)化變量。以制造工藝的限制作為待優(yōu)化變量的約束條件。

       封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料決定了功率模塊的熱-力性能。針對(duì)功率模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何表征材料屬性和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)功率模塊的熱-力性能的影響；如何 協(xié)同設(shè)計(jì)功率模塊的熱-力性能。

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