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从功率模块热管理角度来看功率模块未来结构、材料与工艺发展

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一、热阻分布

从热阻说起,热阻可以比拟电阻一样,阻碍热量散出的,是材料本身的物理属性。功率模块的典型结构,从剖面看上去是一个具有七层材料的结构,另外加上散热器与TIM,如下图1所示。

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图1 功率模块的横截面

图2给出了功率模块热阻分布比例来说,散热器、TIM以及陶瓷材料是主要的热阻部分。因此要提高模块的散热效率,要重点从这三个方面做文章。

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图2 各层的热阻分布


二、热阻优化

1、陶瓷层材料的选择。

陶瓷层材料在功率模块中除了作为散热层以外,也可以作为关键绝缘层,具有较高的绝缘强度。陶瓷层材料主要有AlO、SiN和AlN,材料的选择需要考虑除散热外,还有一些成本、工艺以及可靠性要求。目前工业级以低成本的ALO为主,汽车级以及轨道交通应用领域以AlN和SiN为主,其中SiN具有更好的靠性和强度,使用越来越广泛。这三种材料的参数对比如下:

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为了进一步改善散热,以三菱为代表的日系厂商,采用树脂绝缘,代替了陶瓷层,形成了IMB结构,整体上对比来看,采用绝缘树脂的结构,省去两层结构,如图3,树脂的结构导热系数并不高,但是其可以做成很薄,一般厚度约为100um,这样的话热阻能够降低。采用绝缘树脂的另一个好处是,将IMB中树脂绝缘层的CTE设计得与金属的CTE相近,从而CTE不匹配所导致的应力将大幅降低。因此,树脂绝缘层可以比陶瓷基板的厚度更薄。IMB中的金属层可以变厚之后又可以取代原有的铜底板,进而去除基板下方的焊接层,同时改善热阻和热循环性能。此外,由于树脂绝缘层的柔韧性更好,IMB尺寸也可以比陶瓷基板更大,所以可以通过去除基板之间的绑定线并消除布线敷铜来实现更高的安装密度,应用传统结构的大功率模块,所以与传统结构相比,芯片的安装面积可以扩展,可以提升30%以上,这样进一步降低了热阻。通过采用这种新型的绝缘树脂结构,综合热阻可以降低30%-50%。

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图3封装结构剖面对比

2、散热结构演变

汽车级模块解决办法是采用直接水冷,消除了TIM层。常见的PINFIN结构如下图所示,基板材料一般是铜基板或AlSiC基板,针翅与基板一体成型,模块安装在散热器上,采用密封圈密封,操作过程中比较简单方便。

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图4 一个典型的pinfin基板模块

PINFIN基板有一些改良方式,富士结构的模块,采用了集成散热器结构,如下图5。左边是早期设计,右边是最新的设计,新设计消除了散热器的流道与壁面的间隙,这样迫使冷却液全部在翅片中流动,提升了散热效率。富士的这种集成散热器思路,除了提升散热器效率外,另一个好处是解决了密封圈漏水问题。

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图5 富士模块的一体化散热结构


Danfoss发明了,shower power散热技术。ShowPower 并不复杂,就是用更容易成型及定制的塑料来分割水路,配合挖槽的水冷“板”,形成优化设计后的水路。在单一平面上水路同时存在XY两个方向的流动,第三个方向Z轴厚度方向上的水路流向。采用这种水冷方案配合特定的模块设计可以形成立体式的powerstack方案。

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图 6 shower power散热技术


ShowPower水路,设计的变量包括翅片的尺寸数量,挡墙的尺寸,并联通道数,单个通道数的宽度和深度,通道内单个水路单元的面积。当然还有水路挡板和外部水冷“板”配合的几个关键机械尺寸。ShowPower水路设计的要点就是水路热阻和水路流租的设计折衷,通道数越多,单位通道内翅片越多热阻越小,散热效果越好,但是水路的流阻越大,单位流量下的水路压降越大。ShowPower的最大优势就是水路的更易定制性,而Pin-Fin由于与IGBT基板的强耦合,系统级别水路优化设计的空间不大。


3、单面散热到双面散热

从应用角度而言,双面水冷技术(DSC),下图给出其基本结构,相比现有IGBT模块,芯片上层的DCB构成第二条散热通道,用于改善模块的散热效果。

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图7双面水冷模块截面


双面散热是未来电动汽车模块发展趋势之一,从工程使用经验上来看,双面散热的效率较pinfin单面散热提升了10%左右,上下两表面的散热比例约为4:6,双面散热使用推广难点之一是散热器的设计与制造。双面模块一般采用插片式方式使用,

需要注意的是,热阻值随表面压力影响较大,要达到最佳的热阻,压力要到达800N。

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图8 双面水冷模块的使用情况

目前双面散热模块的应用方案中,散热器和模块间,还是要涂敷TIM,这层TIM材料对于性能的影响较大,未来的发展方向之一是采用直接水冷双面散热模块。电装公司展出一款SiC逆变器试制品,该产品SiC功率模块的两面采用直接水冷方式,体积仅有5L,但预计可实现200 kVA的功率输出,功率密度惊人。本次展出的试制品中,在铝部件的一部分上进行开孔,使得功率模块表面的铜部件可以直接接触冷却水。而通过开孔提高冷却性能,可以实现逆变器的小型化。目前如果要实现该款逆变器的量产化,预计还需要考虑防止冷却水泄漏等的措施。

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图9 直接水冷双面散热模块

4、TIM材料本身的发展

对于一般应用而言,强迫风冷是比较经济而且方便实现的方案,工业级模块主要是风冷为主,这样的话,模块需要安装到散热器上,这时候需要涂敷导热硅脂,作为TIM。导热硅脂的导热系数在1-5之间,但是考虑到成本,工业级中常用普通的导热硅脂。因此实际应用中主要是控制TIM的厚度及均匀性,实际导热硅脂厚度是80-100um,现在进一步要求60um。成品的功率模块是有一定弧度的,如图10,这个弧度是通过预弯曲来实现的,成品的弧度形状是受到多种因素的影响,主要是模块内部衬板的布局。导热硅脂要与模块贴合较好,到达如图10类似的效果。

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10 一个模块成品基板弧度

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11 基板涂敷后效果


选用TIM材料,除导热系数外,要特别注意TIM材料的粘度,粘度要适中,太大了容易涂敷不均匀,太小了会产生“泵出”效应,导致TIM干涸。

 

三、总结

功率模块热管理从热阻的分布出发,着重解决热阻大的陶瓷层、基板、以及TIM材料的热阻问题,对于工业级,通过控制基板弧度,涂敷工艺等方式,提升应用水平,以笔者走访客户的情况来看,部分客户对于导热硅脂的正确使用还存在较大差距。

对于汽车级等高功率密度应用,通过结构创新等方式提升散热效率,提升功率模块的热性能,进而提升系统可靠性。

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  • 投稿作者:Paul,高级研发工程师。

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