车用双面散热功率模块的热-力协同设计

双面散热（DSC）功率模块可以降低封装热阻和寄生参数，是车用电机控制器的发展趋势。然而，双面散热功率模块内的热-力交互作用机制尚不明晰，且缺少热-力协同的设计方法。

为了克服热阻与应力之间的相互制约，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、新型功率半导体器件国家重点实验室（中车时代半导体有限公司）、南洋理工大学电气与电子工程学院的研究人员曾正、欧开鸿、吴义伯、柯灏韬、张欣，在2020年第14期《电工技术学报》上撰文，提出一种多目标协同的双面散热功率模块设计方法。

随着电动汽车的快速发展，车用电机控制器得到广泛的关注。车用电机控制器管理电池和电机之间的能量流，是电动汽车的心脏。除动力电池外，车用电机控制器的功率模块是电动汽车中最昂贵的部件，占整车成本的7%～15%。

为了满足严苛的运行工况和严格的预期寿命（通常要求20万km或15年的设计寿命），车用功率模块应满足低热阻和低应力要求，以提升功率模块的可靠性和耐用性。相对于传统单面散热功率模块，双面冷却功率模块具有更强的散热能力和更低的寄生参数。

近年来，为了进一步提高车用电机控制器的效率、功率密度和可靠性，双面散热功率模块在电动汽车上的应用得到了越来越多的关注。然而，新兴的双面散热功率模块还缺少设计理论和设计方法，模块内的热-力耦合规律也尚不明晰。这些问题都限制了双面散热功率模块的大规模应用。

按芯片顶面的连接方式不同，双面散热功率模块可分为低温共烧、压接、直焊三类。通常，车用双面散热功率模块的电压等级为600～1200V，出于成本考虑，多采用直焊的双面散热功率模块。

近年来，一些文献尝试着从降低寄生电感、降低热阻、提高机械强度等方面改进双面散热功率模块的封装。在降低寄生电感方面，出现一些新颖的封装结构。

在降低封装热阻方面，采用了一些新的封装材料。为了降低焊层的热阻，高导热系数的纳米银烧结技术成为传统钎焊技术的有力竞争者。为了降低直接敷铜板（Direct Bonded Coppers, DBC）的热阻，人造金刚石材料导热系数高，且热膨胀系数（Coefficient Thermal Expansion, CTE）接近于半导体材料，有望取代DBC中的陶瓷材料。

此外，有学者提出了一种铝基凸点互连倒装技术，可以提高双面散热功率模块1.7%的热容，降低15%的瞬态热阻。另外，散热器与功率模块的集成，也能有效提升双面散热功率模块的热性能。先进的冷却技术，可以有效地改善功率模块的热性能，譬如直喷、微管等。

在增强机械强度方面，有学者采用有限元分析方法，对比研究了不同封装结构对双面散热功率模块翘曲形变的影响。由于双面散热功率模块由多层复合而成，各层的CTE不匹配使得平面弯曲，会增加封装热阻，导致芯片局部过热。有学者提出改进的双面散热功率模块，以降低翘曲形变。有学者提出了特殊的钼和铜结构，减小焊料层边沿的应力和应变。有学者提出一种快速的可靠性测试方法，模拟双面散热功率模块在热循环过程中的机械应力，克服热效应引起的剪切应力。

基于封装材料和封装结构改进，传统的设计方法虽然能改善双面散热功率模块的性能，但在很大程度上依赖于经验试凑和反复试验，整个设计过程的周期长、成本高、竞争力低。此外，传统的设计方法侧重于降低封装寄生参数，忽视了热学和力学性能。而且，传统设计方法缺乏数学模型指导，难以实现自动设计。因此，应建立表征双面散热功率模块热-力性能的数学模型，分析材料属性和结构尺寸对封装性能的影响，提出热-力协同的双面散热功率模块优化设计方法。

针对双面散热功率模块的设计难题，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室等单位的科研人员提出了一种热-力协同的多目标优化设计方法。梳理双面散热功率模块的现状，发现传统设计方法中的欠优化问题。建立表征功率模块热-力性能的数学模型，提出热-力协同的多目标优化模型，并利用进化算法进行了求解。此外，还分析了不同材料对优化设计结果的影响。本成果为双面散热功率模块的研究和应用，提供了一条新的道路。

研究人员最后得到如下结论：

1）相对于传统单面散热功率模块，双面散热功率模块能够减小寄生参数，降低热阻，改善功率模块的寿命，是下一代车用电机控制器的关键核心部件。传统双面散热功率模块缺乏设计指导，有待进一步的深入研究。

2）双面散热功率模块的垫高层及其焊料层热阻较大，是制约功率模块热阻降低的技术瓶颈。模块DBC金属层和焊料层的总应变能密度较大，是限制机械应力降低的技术关键。

3）双面散热功率模块在热学和力学性能之间存在明显的折中，所提多目标优化设计方法及其求解算法，从Pareto解的角度，能给出有效改善功率模块热-力性能的优化设计方案。

4）封装材料属性对于优化设计结果具有明显的影响。银膏焊料、AlN或Si3N4陶瓷材料、钼垫高等材料是双面散热功率模块的推荐材料，有利于提升功率模块的综合性能。此外，还可根据Pareto最优解，定制化设计功率模块的尺寸，灵活满足多样化的应用需求。

以上研究成果发表在2020年第14期《电工技术学报》，论文标题为“车用双面散热功率模块的热-力协同设计”，作者为曾正、欧开鸿、吴义伯、柯灏韬、张欣。