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隨著電動汽車的快速發展，車用電機控制器得到廣泛的關注。車用電機控制器管理電池和電機之間的能量流，是電動汽車的心臟。除動力電池外，車用電機控制器的功率模塊是電動汽車中最昂貴的部件，占整車成本的7%～15%。

為了滿足嚴苛的運行工況和嚴格的預期壽命（通常要求20萬km或15年的設計壽命），車用功率模塊應滿足低熱阻和低應力要求，以提升功率模塊的可靠性和耐用性。相對于傳統單面散熱功率模塊，雙面冷卻功率模塊具有更強的散熱能力和更低的寄生參數。

近年來，為了進一步提高車用電機控制器的效率、功率密度和可靠性，雙面散熱功率模塊在電動汽車上的應用得到了越來越多的關注。然而，新興的雙面散熱功率模塊還缺少設計理論和設計方法，模塊內的熱-力耦合規律也尚不明晰。這些問題都限制了雙面散熱功率模塊的大規模應用。

按芯片頂面的連接方式不同，雙面散熱功率模塊可分為低溫共燒、壓接、直焊三類。通常，車用雙面散熱功率模塊的電壓等級為600～1200V，出于成本考慮，多采用直焊的雙面散熱功率模塊。

近年來，一些文獻嘗試著從降低寄生電感、降低熱阻、提高機械強度等方面改進雙面散熱功率模塊的封裝。在降低寄生電感方面，出現一些新穎的封裝結構。

在降低封裝熱阻方面，采用了一些新的封裝材料。為了降低焊層的熱阻，高導熱系數的納米銀燒結技術成為傳統釬焊技術的有力競爭者。為了降低直接敷銅板（Direct Bonded Coppers, DBC）的熱阻，人造金剛石材料導熱系數高，且熱膨脹系數（Coefficient Thermal Expansion, CTE）接近于半導體材料，有望取代DBC中的陶瓷材料。

此外，有學者提出了一種鋁基凸點互連倒裝技術，可以提高雙面散熱功率模塊1.7%的熱容，降低15%的瞬態熱阻。另外，散熱器與功率模塊的集成，也能有效提升雙面散熱功率模塊的熱性能。先進的冷卻技術，可以有效地改善功率模塊的熱性能，譬如直噴、微管等。

在增強機械強度方面，有學者采用有限元分析方法，對比研究了不同封裝結構對雙面散熱功率模塊翹曲形變的影響。由于雙面散熱功率模塊由多層復合而成，各層的CTE不匹配使得平面彎曲，會增加封裝熱阻，導致芯片局部過熱。有學者提出改進的雙面散熱功率模塊，以降低翹曲形變。有學者提出了特殊的鉬和銅結構，減小焊料層邊沿的應力和應變。有學者提出一種快速的可靠性測試方法，模擬雙面散熱功率模塊在熱循環過程中的機械應力，克服熱效應引起的剪切應力。

基于封裝材料和封裝結構改進，傳統的設計方法雖然能改善雙面散熱功率模塊的性能，但在很大程度上依賴于經驗試湊和反復試驗，整個設計過程的周期長、成本高、競爭力低。此外，傳統的設計方法側重于降低封裝寄生參數，忽視了熱學和力學性能。而且，傳統設計方法缺乏數學模型指導，難以實現自動設計。因此，應建立表征雙面散熱功率模塊熱-力性能的數學模型，分析材料屬性和結構尺寸對封裝性能的影響，提出熱-力協同的雙面散熱功率模塊優化設計方法。

針對雙面散熱功率模塊的設計難題，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室等單位的科研人員提出了一種熱-力協同的多目標優化設計方法。梳理雙面散熱功率模塊的現狀，發現傳統設計方法中的欠優化問題。建立表征功率模塊熱-力性能的數學模型，提出熱-力協同的多目標優化模型，并利用進化算法進行了求解。此外，還分析了不同材料對優化設計結果的影響。本成果為雙面散熱功率模塊的研究和應用，提供了一條新的道路。

研究人員最后得到如下結論：

1）相對于傳統單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊能夠減小寄生參數，降低熱阻，改善功率模塊的壽命，是下一代車用電機控制器的關鍵核心部件。傳統雙面散熱功率模塊缺乏設計指導，有待進一步的深入研究。

2）雙面散熱功率模塊的墊高層及其焊料層熱阻較大，是制約功率模塊熱阻降低的技術瓶頸。模塊DBC金屬層和焊料層的總應變能密度較大，是限制機械應力降低的技術關鍵。

3）雙面散熱功率模塊在熱學和力學性能之間存在明顯的折中，所提多目標優化設計方法及其求解算法，從Pareto解的角度，能給出有效改善功率模塊熱-力性能的優化設計方案。

4）封裝材料屬性對于優化設計結果具有明顯的影響。銀膏焊料、AlN或Si3N4陶瓷材料、鉬墊高等材料是雙面散熱功率模塊的推薦材料，有利于提升功率模塊的綜合性能。此外，還可根據Pareto最優解，定制化設計功率模塊的尺寸，靈活滿足多樣化的應用需求。

以上研究成果發表在2020年第14期《電工技術學報》，論文標題為“車用雙面散熱功率模塊的熱-力協同設計”，作者為曾正、歐開鴻、吳義伯、柯灝韜、張欣。