技术讨论｜双面冷却的功率模块技术

我在通用的前同事刘名写了一篇《Comprehensive Review and State of Development of Double-Sided Cooled Package Technology for Automotive Power Modules》，一方面把早期的一些DCS早期的概念设计，一方面也把商用的功率模块的参数做了一些梳理。原文很长，我在这里归纳梳理有几点：

●功率模块Wire Bond的技术被替代以后，双面冷却才有可能。

●由于有了冷却技术的提升，在功率密度、可靠性、寄生电感和电阻方面都有下降。

在分化比较多的场合里面，功率模块封装技术成了很多企业想掌握的内容。

▲图1.从单面冷却到双面冷却的功率模块

Part 1、早期的技术

双面冷却是从1990年代首次提出来，学术界和工业界都在研究双面冷却，并于 2008年在量产的电动汽车逆变器上实施。自2010年代中期以来，这种设计方法越来越受欢迎，汽车企业和Tier1供应商也越来越多采用这种封装技术。

从整个发展路径来看，主要分为几个阶段：

●第一阶段从1995年到2010年：早期主要是高效和大公司实验室，探索无焊线和平面封装，以实现功率模块在顶部冷却路径。

●第二阶段从2001年至2015年：大公司开始让双面液冷研发逐步突破商业化 。

●第三阶段从2015年起：大规模商业化，不同供应商的多个双面液冷模块在电动汽车上应用。

▲图2.早期探索

我们能看到早期的模块是围绕IGBT的Si模块，而在2012-2016开始在原有的设计上探索SiC的应用。

▲图3.早期探索的产品测试

在第二阶段，更多的公司尝试进入，开始探索早期的商业化。

▲图4.工业和大学的设计探索

▲图5.工业设计的参数

而从汽车产业来看，主要是围绕着产品设计优化开始的，我们看到汽车企业和Tier 1都在这个领域有很多的尝试。

▲图6.汽车领域双面冷却的功率模块

功率模块从1in1、2in1到6in1，热阻、寄生电感、最大温度都有很大的提升。

▲图7.主要汽车领域的功率模块参数

▲图8.主要的功率模块的内部结构

不过得说，虽然通用的电动车销量不佳，但是在2016年竟然同时上了三款不同设计的逆变器，包括两款双面冷。这是技术上的真心实意和商务上的浪费行为。

Part 2、双面冷却的功率模块发展的路径

有效的热管理对于电动汽车应用中的功率模块（Si和 SiC）是非常重要的，实现更高的功率密度和可靠性。与传统的单面冷却功率模块封装相比，双面冷却可以显著提高散热能力、半导体利用率和电气寄生效应。

目前的工作重点是通过利用平面互连、改进的材料和更新的工艺来提高性能、可靠性和成本的电源模块。随着功率模块双面散热材料和结构技术的成熟，功率模块的设计将受益于封装尺寸形状的标准化。这将使逆变器的开发速度更快、成本更低，同时仍能在模块本身内实现进一步的创新。这种标准化，加上双面冷却的多物理场设计，能增加逆变器的可靠性、成本、效率和尺寸的综合特性。

下面这张图9弄的挺好，基本把大规模探索和后续量产的路径给整理清楚了。

▲图9.双面冷却的发展阶段

特斯拉在功率密度这块一直是很领先的。

▲图10.功率逆变器的功率密度对比

刘名还提到，双面水冷的下一步应该是直接双面水冷，否则TIM会抵消掉部分双面水冷设计带来的好处。

目前碳化硅成熟度相对不好，封装形式上退回到单管，但是从集成角度看，长远应该还是类似HPD样的单面或者双面全桥封装。目前业内还不认为双面水冷能像AMB和烧结银一样成为碳化硅的标配。

再有，现在功率模块封装供应链混乱的问题，从芯片到主机厂都在做，互为客户和竞争对手，这个短期内貌似无解。

小结：原文还写了很多的优点和细节比较，推荐看看，我放到知识星球了。我觉得Ming Liu这篇论文写得挺好的。当然我个人不太看重细节，主要看历史发展和设计趋势，所以我挑了一些我感兴趣的部分。

最后，大家可以猜一猜锐歌上面用的单面冷还是双面冷。