电动汽车双面散热功率模块的设计挑战

       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。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，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。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。

       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。

1 双面散热功率模块的现状

       近十年来，一些公司和机构对双面散热功率模块的可行性进行了研究和示范，双面散热功率模块的现状如图1所示，电流范围从50～600A。除样机之外，日本电装、日本日立和德国英飞凌等公司的双面散热功率模块已初步实现了商业化。部分双面散热功率模块的内部结构如图2所示。近年来，双面散热功率模块在电动汽车中的应用得到了越来越多的关注。

       根据现有双面散热功率模块的现状，从平面布局来看，功率模块的芯片数量和布局由模块的额定功率决定，不同模块的差异较大。但是，从模块的截面来看，功率模块普遍采用两层DBC衬板、芯片、垫片和三层焊料的结构。 

       对比图1和图2所示模块，结果表明：①各双面散热模块在平面结构方面差异很大，但共同特点是芯片之间的距离普遍较远，热耦合作用较弱；②都具有相同的基本单元，即两层DBC衬板、芯片、垫片和三层焊料构成的三明治结构；③对每个芯片单元进行抽象建模，发现其都有相同的截面结构。

       根据现有双面散热功率模块的特点，出于通用性考虑，在芯片间热耦合效应不强的情况下，科研人员对双面散热功率模块的一维热传递模型进行了研究。

       以英飞凌公司为例，其最新的双面散热功率模块FF400R07A01E3_S6的基本结构如图3所示，该半桥功率模块的额定电流和电压为400A/700V，内部剖面如图3c所示。该模块主要由2个Si IGBT、2个Si FRD（fast recovery diode）、2个DBC和4个垫片组成。

       根据图3c所示，双面散热功率模块在 x - z 平面上的截面如图4所示。DBC为铜-陶瓷-铜的三明治结构，用于绝缘和导热。金属垫高用于导电和导热，为IGBT门极键合线提供足够的高度和绝缘强度。焊料用于连接异质层。当各层材料确定之后，模块的性能决定于各层的结构尺寸 h 1～ h 10、 a 1、 a 2和 d c。

2 双面散热功率模块的欠优化问题

       根据图3和图4，现有双面散热功率模块顶面和底面DBC的高度完全相同（以陶瓷层为例， h 5= h 9）。然而，由于垫高仅出现在顶面，功率模块在垂直方向上的结构并不对称。因此，对于一个优化的双面散热功率模块，顶面和底面DBC的高度应该不一致（ h 5 ≠ h 9）。显然，现有的双面散热功率模块存在欠优化问题，需要根据具体设计目标开展深度的建模和优化研究。

       由于车用双面散热功率模块对可靠性要求高，选择与模块寿命高度相关的热阻和应力作为优化设计的目标。与封装结构尺寸相关的高度 h 1～ h 10和宽度 a 1、a 2作为待优化变量。以制造工艺的限制作为待优化变量的约束条件。

       封装结构和封装材料决定了功率模块的热-力性能。针对功率模块的优化设计，需要解决两个关键问题：如何表征材料属性和结构尺寸对功率模块的热-力性能的影响；如何 协同设计功率模块的热-力性能。

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