從功率模塊熱管理角度來看功率模塊未來結(jié)構(gòu)、材料與工藝發(fā)展

熱設(shè)計(jì)網(wǎng) 2020-06-17

一、熱阻分布

從熱阻說起，熱阻可以比擬電阻一樣，阻礙熱量散出的，是材料本身的物理屬性。功率模塊的典型結(jié)構(gòu)，從剖面看上去是一個(gè)具有七層材料的結(jié)構(gòu)，另外加上散熱器與TIM，如下圖1所示。

圖1 功率模塊的橫截面

圖2給出了功率模塊熱阻分布比例來說，散熱器、TIM以及陶瓷材料是主要的熱阻部分。因此要提高模塊的散熱效率，要重點(diǎn)從這三個(gè)方面做文章。

圖2 各層的熱阻分布

二、熱阻優(yōu)化

1、陶瓷層材料的選擇。

陶瓷層材料在功率模塊中除了作為散熱層以外，也可以作為關(guān)鍵絕緣層，具有較高的絕緣強(qiáng)度。陶瓷層材料主要有AlO、SiN和AlN，材料的選擇需要考慮除散熱外，還有一些成本、工藝以及可靠性要求。目前工業(yè)級(jí)以低成本的ALO為主，汽車級(jí)以及軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域以AlN和SiN為主，其中SiN具有更好的靠性和強(qiáng)度，使用越來越廣泛。這三種材料的參數(shù)對(duì)比如下：

為了進(jìn)一步改善散熱，以三菱為代表的日系廠商，采用樹脂絕緣，代替了陶瓷層，形成了IMB結(jié)構(gòu)，整體上對(duì)比來看，采用絕緣樹脂的結(jié)構(gòu)，省去兩層結(jié)構(gòu)，如圖3，樹脂的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)并不高，但是其可以做成很薄，一般厚度約為100um，這樣的話熱阻能夠降低。采用絕緣樹脂的另一個(gè)好處是，將IMB中樹脂絕緣層的CTE設(shè)計(jì)得與金屬的CTE相近，從而CTE不匹配所導(dǎo)致的應(yīng)力將大幅降低。因此，樹脂絕緣層可以比陶瓷基板的厚度更薄。IMB中的金屬層可以變厚之后又可以取代原有的銅底板，進(jìn)而去除基板下方的焊接層，同時(shí)改善熱阻和熱循環(huán)性能。此外，由于樹脂絕緣層的柔韌性更好，IMB尺寸也可以比陶瓷基板更大，所以可以通過去除基板之間的綁定線并消除布線敷銅來實(shí)現(xiàn)更高的安裝密度，應(yīng)用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大功率模塊，所以與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，芯片的安裝面積可以擴(kuò)展，可以提升30%以上，這樣進(jìn)一步降低了熱阻。通過采用這種新型的絕緣樹脂結(jié)構(gòu)，綜合熱阻可以降低30%-50%。

圖3封裝結(jié)構(gòu)剖面對(duì)比

2、散熱結(jié)構(gòu)演變

汽車級(jí)模塊解決辦法是采用直接水冷，消除了TIM層。常見的PINFIN結(jié)構(gòu)如下圖所示，基板材料一般是銅基板或AlSiC基板，針翅與基板一體成型，模塊安裝在散熱器上，采用密封圈密封，操作過程中比較簡單方便。

圖4 一個(gè)典型的pinfin基板模塊

PINFIN基板有一些改良方式，富士結(jié)構(gòu)的模塊，采用了集成散熱器結(jié)構(gòu)，如下圖5。左邊是早期設(shè)計(jì)，右邊是最新的設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)消除了散熱器的流道與壁面的間隙，這樣迫使冷卻液全部在翅片中流動(dòng)，提升了散熱效率。富士的這種集成散熱器思路，除了提升散熱器效率外，另一個(gè)好處是解決了密封圈漏水問題。

圖5 富士模塊的一體化散熱結(jié)構(gòu)

Danfoss發(fā)明了，shower power散熱技術(shù)。ShowPower 并不復(fù)雜，就是用更容易成型及定制的塑料來分割水路，配合挖槽的水冷“板”，形成優(yōu)化設(shè)計(jì)后的水路。在單一平面上水路同時(shí)存在XY兩個(gè)方向的流動(dòng)，第三個(gè)方向Z軸厚度方向上的水路流向。采用這種水冷方案配合特定的模塊設(shè)計(jì)可以形成立體式的powerstack方案。

圖 6 shower power散熱技術(shù)

ShowPower水路，設(shè)計(jì)的變量包括翅片的尺寸數(shù)量，擋墻的尺寸，并聯(lián)通道數(shù)，單個(gè)通道數(shù)的寬度和深度，通道內(nèi)單個(gè)水路單元的面積。當(dāng)然還有水路擋板和外部水冷“板”配合的幾個(gè)關(guān)鍵機(jī)械尺寸。ShowPower水路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)就是水路熱阻和水路流租的設(shè)計(jì)折衷，通道數(shù)越多，單位通道內(nèi)翅片越多熱阻越小，散熱效果越好，但是水路的流阻越大，單位流量下的水路壓降越大。ShowPower的最大優(yōu)勢就是水路的更易定制性，而Pin-Fin由于與IGBT基板的強(qiáng)耦合，系統(tǒng)級(jí)別水路優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間不大。

3、單面散熱到雙面散熱

從應(yīng)用角度而言，雙面水冷技術(shù)（DSC），下圖給出其基本結(jié)構(gòu)，相比現(xiàn)有IGBT模塊，芯片上層的DCB構(gòu)成第二條散熱通道，用于改善模塊的散熱效果。

圖7雙面水冷模塊截面

雙面散熱是未來電動(dòng)汽車模塊發(fā)展趨勢之一，從工程使用經(jīng)驗(yàn)上來看，雙面散熱的效率較pinfin單面散熱提升了10%左右，上下兩表面的散熱比例約為4：6，雙面散熱使用推廣難點(diǎn)之一是散熱器的設(shè)計(jì)與制造。雙面模塊一般采用插片式方式使用，

需要注意的是，熱阻值隨表面壓力影響較大，要達(dá)到最佳的熱阻，壓力要到達(dá)800N。

圖8 雙面水冷模塊的使用情況

目前雙面散熱模塊的應(yīng)用方案中，散熱器和模塊間，還是要涂敷TIM，這層TIM材料對(duì)于性能的影響較大，未來的發(fā)展方向之一是采用直接水冷雙面散熱模塊。電裝公司展出一款SiC逆變器試制品，該產(chǎn)品SiC功率模塊的兩面采用直接水冷方式，體積僅有5L，但預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)200 kVA的功率輸出，功率密度驚人。本次展出的試制品中，在鋁部件的一部分上進(jìn)行開孔，使得功率模塊表面的銅部件可以直接接觸冷卻水。而通過開孔提高冷卻性能，可以實(shí)現(xiàn)逆變器的小型化。目前如果要實(shí)現(xiàn)該款逆變器的量產(chǎn)化，預(yù)計(jì)還需要考慮防止冷卻水泄漏等的措施。

圖9 直接水冷雙面散熱模塊

4、TIM材料本身的發(fā)展

對(duì)于一般應(yīng)用而言，強(qiáng)迫風(fēng)冷是比較經(jīng)濟(jì)而且方便實(shí)現(xiàn)的方案，工業(yè)級(jí)模塊主要是風(fēng)冷為主，這樣的話，模塊需要安裝到散熱器上，這時(shí)候需要涂敷導(dǎo)熱硅脂，作為TIM。導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)在1-5之間，但是考慮到成本，工業(yè)級(jí)中常用普通的導(dǎo)熱硅脂。因此實(shí)際應(yīng)用中主要是控制TIM的厚度及均勻性，實(shí)際導(dǎo)熱硅脂厚度是80-100um，現(xiàn)在進(jìn)一步要求60um。成品的功率模塊是有一定弧度的，如圖10，這個(gè)弧度是通過預(yù)彎曲來實(shí)現(xiàn)的，成品的弧度形狀是受到多種因素的影響，主要是模塊內(nèi)部襯板的布局。導(dǎo)熱硅脂要與模塊貼合較好，到達(dá)如圖10類似的效果。