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隨著電動汽車的快速發(fā)展，車用電機控制器得到廣泛的關(guān)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(yù)期壽命（通常要求20萬km或15年的設(shè)計壽命），車用功率模塊應(yīng)滿足低熱阻和低應(yīng)力要求，以提升功率模塊的可靠性和耐用性。相對于傳統(tǒng)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(shù)。

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(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注。然而，新興的雙面散熱功率模塊還缺少設(shè)計理論和設(shè)計方法，模塊內(nèi)的熱-力耦合規(guī)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(guī)模應(yīng)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(xiàn)一些新穎的封裝結(jié)構(gòu)。

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(shù)的納米銀燒結(jié)技術(shù)成為傳統(tǒng)釬焊技術(shù)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(shù)高，且熱膨脹系數(shù)（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(shù)，可以提高雙面散熱功率模塊1.7%的熱容，降低15%的瞬態(tài)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(shù)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，減小焊料層邊沿的應(yīng)力和應(yīng)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(huán)過程中的機械應(yīng)力，克服熱效應(yīng)引起的剪切應(yīng)力。

基于封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)改進，傳統(tǒng)的設(shè)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(jīng)驗試湊和反復試驗，整個設(shè)計過程的周期長、成本高、競爭力低。此外，傳統(tǒng)的設(shè)計方法側(cè)重于降低封裝寄生參數(shù)，忽視了熱學和力學性能。而且，傳統(tǒng)設(shè)計方法缺乏數(shù)學模型指導，難以實現(xiàn)自動設(shè)計。因此，應(yīng)建立表征雙面散熱功率模塊熱-力性能的數(shù)學模型，分析材料屬性和結(jié)構(gòu)尺寸對封裝性能的影響，提出熱-力協(xié)同的雙面散熱功率模塊優(yōu)化設(shè)計方法。

針對雙面散熱功率模塊的設(shè)計難題，輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室等單位的科研人員提出了一種熱-力協(xié)同的多目標優(yōu)化設(shè)計方法。梳理雙面散熱功率模塊的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計方法中的欠優(yōu)化問題。建立表征功率模塊熱-力性能的數(shù)學模型，提出熱-力協(xié)同的多目標優(yōu)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(yōu)化設(shè)計結(jié)果的影響。本成果為雙面散熱功率模塊的研究和應(yīng)用，提供了一條新的道路。

研究人員最后得到如下結(jié)論：

1）相對于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊能夠減小寄生參數(shù)，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(guān)鍵核心部件。傳統(tǒng)雙面散熱功率模塊缺乏設(shè)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(shù)瓶頸。模塊DBC金屬層和焊料層的總應(yīng)變能密度較大，是限制機械應(yīng)力降低的技術(shù)關(guān)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(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計方案。

4）封裝材料屬性對于優(yōu)化設(shè)計結(jié)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(jù)Pareto最優(yōu)解，定制化設(shè)計功率模塊的尺寸，靈活滿足多樣化的應(yīng)用需求。

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