來(lái)源：機(jī)車電傳動(dòng)

摘要

碳化硅功率器件具有耐高壓、開(kāi)關(guān)速度快和導(dǎo)通損耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此正在逐漸成為電力變換系 統(tǒng)的核心器件，尤其在新能源汽車、可再生能源、儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、軌道交通和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，器件的應(yīng) 用越來(lái)越廣泛。然而，碳化硅器件持續(xù)的小型化和快速增長(zhǎng)的功率密度也給功率模塊封裝與熱管理帶來(lái)了新 的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)和散熱裝置熱阻較大，難以滿足碳化硅器件高熱流密度冷卻需求，同時(shí)，高功率密度 模塊散熱集成封裝需求也日益增長(zhǎng)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，文章對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的典型功率模塊封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì) 介紹和分類對(duì)比；枚舉比較了不同功率模塊散熱方式及其技術(shù)特點(diǎn)，如熱擴(kuò)散裝置、對(duì)流換熱和相變散熱 等；最后，結(jié)合以往的碳化硅功率模塊熱封裝研究，對(duì)下一代碳化硅模塊封裝與熱管理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未 來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

0 引言

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（SiC MOSFET） 作為典型的寬禁帶半導(dǎo)體器件，相較于硅基功率器件， 具有耐高壓、耐高溫、開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)熱率高和導(dǎo)通電 阻低等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸被用于新能源、光伏發(fā)電、軌道 交通和智能電網(wǎng)等重要領(lǐng)域的電力電子系統(tǒng)中，助力系 統(tǒng)能效與功率密度的不斷提高。為充分發(fā)揮碳化硅功率 器件的上述優(yōu)良電氣特性，需通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電信號(hào) 的可靠連接與器件結(jié)溫的穩(wěn)定控制。傳統(tǒng)封裝和熱管理 技術(shù)在碳化硅功率器件應(yīng)用中面臨著一些關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

目前已有的商用碳化硅功率模塊大部分仍沿用硅基 器件的平面封裝方式，其封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該模 塊結(jié)構(gòu)中，多個(gè)功率芯片（包括SiC MOSFET和碳化硅 肖特基二極管SBD）被焊接或粘貼于同一絕緣襯板的金 屬化表面，該襯板既承擔(dān)模塊的電氣絕緣作用，同時(shí)又 是模塊整體封裝熱阻的重要組成部分，而功率芯片正面 的電氣連接則采用鋁線/銅線鍵合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

常見(jiàn)的功率器件失效方式如引線鍵合翹曲/脫落、 焊料層裂紋/剝離以及芯片過(guò)熱損壞等均是由熱封裝結(jié)構(gòu) 散熱能力不足引起的。在額定電流和電壓相同的前提 下，碳化硅器件的尺寸可以比硅器件更小，這對(duì)高功 率密度、高散熱能力的模塊設(shè)計(jì)與制造提出了要求。商 用1 200 V/150 A硅基IGBT和碳化硅基MOSFET器件尺 寸對(duì)比如圖2所示，由圖2可知后者的面積僅約為前者 的1/5。因此，雖然碳化硅器件導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗顯著降 低，但其襯底面積的收縮會(huì)導(dǎo)致模塊熱阻的顯著增加。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從封裝結(jié)構(gòu)和散 熱技術(shù)2個(gè)方面出發(fā)，通過(guò)減小封裝導(dǎo)熱熱阻和外部散 熱熱阻來(lái)滿足碳化硅高熱流密度散熱需求。本文聚焦 碳化硅功率模塊熱封裝結(jié)構(gòu)和高效散熱方式 2 個(gè)關(guān)鍵 點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的碳化硅功率器件封裝和熱管理技術(shù)進(jìn)行 分類梳理和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上討論高功率密度碳化 硅封裝在散熱方面面臨的挑戰(zhàn)和重要發(fā)展趨勢(shì)。

1 碳化硅器件低熱阻封裝技術(shù)

典型的碳化硅功率模塊封裝的熱阻由芯片襯底、 芯片焊料層、覆銅陶瓷基板 （DBC）、基板焊料層、金 屬散熱基板、熱界面材料 （TIM） 和散熱器的熱阻組 成。碳化硅具有良好的導(dǎo)熱性能[270 ~ 450 W/(m·K)]， 其主要熱阻包括焊料層、DBC、金屬基板、TIM 和散 熱器。因此，雙面冷卻封裝、壓裝封裝和冷卻集成封 裝等先進(jìn)封裝技術(shù)被相繼提出，以通過(guò)充分利用碳化 硅芯片底面及頂面的散熱面積、縮短結(jié)至流體或環(huán)境 的熱流傳遞路徑來(lái)降低模塊封裝熱阻。

1.1雙面冷卻封裝技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)碳化硅功率器件的可靠雙面散熱，在傳統(tǒng) 平面封裝的基礎(chǔ)上，引入如頂部銅引腳框架或銅帶、 金屬墊塊等頂部互聯(lián)方式，并采用銀燒結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片 側(cè)的低熱阻互聯(lián)，該類封裝可承受220 °C以上的高溫 （如圖3所示）。由于芯片上下表面均采用DBC焊接散 熱，熱流路徑在垂直方向上出現(xiàn)2條并聯(lián)支路，相較于 傳統(tǒng)的單面冷卻模塊，其熱阻可降低 38%。此外， 該封裝可完全消除功率回路的引線鍵合結(jié)構(gòu)，借助高 可靠性界面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，相較于傳統(tǒng)封裝可實(shí)現(xiàn)10倍以 上的可靠性提升。中國(guó)中車、重慶大學(xué)、天津大 學(xué)和美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院等分別針對(duì)雙面冷卻模 塊的封裝結(jié)殼熱阻、熱應(yīng)力和外部射流冷卻集成等開(kāi) 展了多物理場(chǎng)耦合優(yōu)化研究。

壓裝封裝則是另一種在高壓直流輸電和軌道交通 等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的雙面冷卻封裝形式，具有無(wú)焊接點(diǎn)、 無(wú)引線、可靠性高、雙面冷卻和高功率密度等特性， 突破了傳統(tǒng)器件鍵合點(diǎn)和焊料層失效的瓶頸問(wèn)題。浙江大學(xué)[10] 設(shè)計(jì)提出的碳化硅雙面冷卻壓裝模塊結(jié)構(gòu)如 圖4所示，該結(jié)構(gòu)通過(guò)在薄膜中介層中采用微型柔性壓 腳來(lái)實(shí)現(xiàn)器件頂部電熱連接。值得注意的是，由于該 壓裝模塊的散熱器被涵蓋在功率回路中，為避免引入 過(guò)大寄生電感，設(shè)計(jì)了基于低溫共燒結(jié)陶瓷 （LTCC） 的超薄微通道結(jié)構(gòu)，其結(jié)流熱阻為0.7 K/W。

1.2 冷卻集成封裝技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)平面封裝或上述雙面冷卻封裝的研究大 多將散熱器獨(dú)立于模塊封裝以外，因此，需要引入低 導(dǎo)熱系數(shù)[1~20 W/(m·K)]的熱界面材料，以減小接觸熱 阻，而這會(huì)顯著增加模塊的結(jié)流熱阻。因此，為應(yīng)對(duì) 日益增長(zhǎng)的碳化硅功率模塊冷卻需求，需要進(jìn)一步減 少或消除熱路徑中的許多封裝層，從而降低熱阻。

1.2.1 散熱基板液體冷卻

2014年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室率先開(kāi)展了碳化硅 功率模塊集成液冷研究，并指出冷卻集成功率模塊的結(jié) 流熱阻比傳統(tǒng)封裝模塊對(duì)應(yīng)值低30%。散熱基板的形 式也歷經(jīng)針翅陣列、波狀帶翅片、ShowerPower三維流道（流道結(jié)構(gòu)如圖5所示）和雙層逆流流道等不同 拓?fù)溲葑儯渲嗅槼彡嚵泻腿S流道由于其均溫效果 好、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為主流散熱方式，被廣泛 應(yīng)用在英飛凌和丹福斯等廠商的功率模塊產(chǎn)品中。

1.2.2絕緣覆銅基板嵌入式冷卻

為了進(jìn)一步縮短熱流傳遞路徑，絕緣覆銅基板集 成式冷卻技術(shù)也被提出。該技術(shù)通過(guò)激光刻蝕或干 法刻蝕等工藝在絕緣襯底中加工出寬度僅為百微米級(jí) 別的微流道結(jié)構(gòu)，從而充分利用微通道的對(duì)流散熱能 力，降低封裝結(jié)流熱阻。在此基礎(chǔ)上，斯坦福大學(xué)提出了一種基于覆銅絕緣陶瓷基板激光刻蝕的多層歧 管微流道功率模塊結(jié)構(gòu)原型，其單位面積結(jié)流熱阻為 0.2 cm2·K/W。北京大學(xué)則在絕緣碳化硅襯底中構(gòu)建了 梯度嵌入式微型針翅，并利用晶圓鍵合和納米銀燒結(jié)工 藝，制備了碳化硅襯底覆銅絕緣基板，最終封裝得到的 功率模塊相比普通的基板液冷方案，其結(jié)至流體的熱阻 下降了78.9%。上述絕緣基板嵌入式冷卻方法可削弱陶 瓷基板導(dǎo)熱熱阻在結(jié)流熱阻中的占比，顯著提高冷卻能 效，但由于微流道刻蝕工藝復(fù)雜、封裝熱力可靠性不 明，其具體封裝工藝和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化研究。

1.2.3無(wú)絕緣基板直接冷卻封裝

常用的絕緣陶瓷基板材料，如氧化鋁、氮化鋁和氮 化硅等，相較于常規(guī)的銅鋁金屬材料，具有相對(duì)較低的 導(dǎo)熱系數(shù)，其熱阻和可靠性會(huì)對(duì)功率模塊的整體性能產(chǎn) 生重要影響。為消除其影響，美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)于2017 年提出了采用電子冷卻液直接冷卻的無(wú)絕緣基板封裝技 術(shù)，以突破傳統(tǒng)封裝的散熱、可靠性和寄生電感挑戰(zhàn)。該結(jié)構(gòu)將功率器件直接堆疊在銅質(zhì)散熱器層之間，并通 過(guò)芯片頂部和底部的散熱器實(shí)現(xiàn)直接接觸式冷卻，最終 的封裝單位面積結(jié)流熱阻為0.25 cm2·K/W。

這種設(shè)計(jì)可消除單一功能組件，使得散熱器同時(shí) 承擔(dān)電氣連接與冷卻2種功能，大幅減少封裝熱阻，但 是，由于電氣絕緣冷卻液的導(dǎo)熱率低、散熱面積有限， 其冷卻效率受限。受此啟發(fā)，西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)制 備了三維垂直堆疊無(wú)絕緣基板功率模塊，模塊結(jié)構(gòu)如 圖6所示，其中的一個(gè)散熱器被直接嵌入到輸出功率端 子中，相較于外側(cè)雙面液冷方案，該內(nèi)嵌散熱器可將 芯片最大結(jié)溫降低33.8%。

三維垂直堆疊功率模塊封裝對(duì)多層鍵合或焊接時(shí) 的垂直高度有精確要求，這也使得其制備過(guò)程較為復(fù) 雜，增加了廣泛應(yīng)用的難度。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室則基于電子冷卻液冷卻提出了一種無(wú)基板緊湊 型功率模塊冷卻集成封裝結(jié)構(gòu)，如圖7所示，該結(jié)構(gòu)通 過(guò)將芯片直接焊接到銅質(zhì)翅片散熱器上，在直流輸入 和交流輸出2個(gè)電位上采用不同的散熱器，并在散熱器 背面使用優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的分流層，引導(dǎo)流體直接沖擊 翅片表面，實(shí)現(xiàn)了低至 0.19 cm2·K/W 的熱阻。與同等 條件下的常規(guī)液體基板冷卻方案相比，該方案的熱阻 下降約56%，泵功率下降約90%。

無(wú)絕緣基板冷卻集成封裝方案是近年來(lái)針對(duì)功率芯片高熱流密度散熱需求提出的一種全新的封裝結(jié)構(gòu)， 其可充分利用功率芯片的正面與背面的熱傳導(dǎo)擴(kuò)散作 用，同時(shí)消除了導(dǎo)熱熱阻較大的絕緣基板，是超高功 率密度碳化硅模塊封裝的重要發(fā)展方向。

2 碳化硅功率模塊熱管理技術(shù)

相較于直接改變功率模塊的整體封裝結(jié)構(gòu)或減少封 裝層數(shù)的方案，通過(guò)引入熱擴(kuò)散裝置、對(duì)流換熱技術(shù)和 相變散熱技術(shù)等先進(jìn)熱管理方法，可在盡可能保持現(xiàn)存 封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為高熱流密度碳化硅功率芯片提供 可靠冷卻。因此，先進(jìn)的外部熱管理技術(shù)在冷卻集成封 裝和封裝外部熱管理方面均有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 熱擴(kuò)散裝置

熱擴(kuò)散裝置可利用工質(zhì)氣液相變的均溫性和熱質(zhì) 傳遞能力，將局部集聚的高密度熱流快速擴(kuò)散至更大 表面積。熱管就是一種理想的熱擴(kuò)散裝置，其內(nèi)部工 質(zhì)始終工作于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)端流動(dòng)至冷 凝端的壓降較小，因此熱管兩端具有較小的溫差。利 用熱管或其變形結(jié)構(gòu) （如環(huán)路熱管、脈動(dòng)熱管、重力 熱管和均溫板等） 可顯著提升電力電子設(shè)備冷卻效果。值得注意的是，熱管這類熱擴(kuò)散裝置的主要作用只是 將蒸發(fā)側(cè)局部集中熱流相對(duì)均勻地?cái)U(kuò)散到冷凝側(cè)，而 熱量的散發(fā)最終仍需依靠冷凝側(cè)外部散熱器，這種裝 置工作可靠、無(wú)須外部冷卻介質(zhì)，因此常與空氣冷卻 相結(jié)合使用，提升空氣冷卻能力。

2.1.1 環(huán)路熱管、脈動(dòng)熱管和重力熱管

環(huán)路熱管由毛細(xì)泵、冷凝流道、儲(chǔ)液器和蒸發(fā)流 道組成，它們依次串聯(lián)形成循環(huán)回路。其中毛細(xì)結(jié)構(gòu) 的芯吸作用作為驅(qū)動(dòng)力，將功率器件產(chǎn)生的廢熱通過(guò) 工質(zhì)的氣液相變從蒸發(fā)器傳遞至冷凝側(cè)。文獻(xiàn)[20]和文 獻(xiàn)[21]分別對(duì)環(huán)路熱管在IGBT功率模塊和汽車電子上 的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)探索，制備得到的環(huán)路熱管樣機(jī)可 實(shí)現(xiàn) 1.5 m 的長(zhǎng)距離熱量傳輸，且在熱源溫度不超過(guò) 100 °C時(shí)，傳輸熱量功率超過(guò)了900 W。相較于環(huán)路熱管，脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但 其脈動(dòng)具有很大的偶然性，微通道內(nèi)部氣液兩相脈動(dòng) 流動(dòng)導(dǎo)致工質(zhì)的溫度、壓力和速度難以通過(guò)計(jì)算確定。美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)將脈動(dòng)熱管應(yīng)用于全橋功率模塊的冷 卻，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的空氣冷卻和冷板冷卻，其冷卻 溫度均勻性和散熱能力均更好。然而脈動(dòng)熱管由大量 的微小脈動(dòng)通道組成，難以完全覆蓋大尺寸和大功率 的功率模塊冷卻需求。因此，文獻(xiàn)[23]基于由三維U型 回轉(zhuǎn)毛細(xì)管陣列組成的脈動(dòng)熱管開(kāi)展功率器件冷卻研 究，發(fā)現(xiàn)在最高負(fù)荷（400 W）下，脈動(dòng)熱管蒸發(fā)側(cè)到 空氣的熱阻低至0.13 K/W。然而，脈動(dòng)熱管毛細(xì)管束 陣列在運(yùn)行中易出現(xiàn)振動(dòng)噪聲，這會(huì)影響其與底板及 功率模塊的界面連接可靠性。

重力熱管由于其無(wú)須毛細(xì)芯、價(jià)格低廉，也逐漸 應(yīng)用于功率模塊的熱管理中。以往研究表明，傳統(tǒng)的 重力熱管可對(duì)熱損耗功率為6 kW的IGBT功率模塊有 效冷卻，同時(shí)還能解決IGBT模塊的局部高溫問(wèn)題。南 京理工大學(xué)提出的一種自然冷卻型重力熱管散熱器的方案如圖8所示，該散熱器采用蒸發(fā)器取代傳統(tǒng)功率 模塊封裝中的金屬基板，可消除傳統(tǒng)重力熱管嵌入基 板所形成的接觸熱阻，大幅改善熱管的冷卻性能。

2.1.2 毛細(xì)芯熱管和均溫板

毛細(xì)芯熱管和均溫板的蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱面均 有毛細(xì)芯吸結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)蒸發(fā)表面的薄膜蒸發(fā)以及凝 結(jié)液的快速回流。典型毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)包括微溝槽、金屬 絲網(wǎng)和燒結(jié)粉末等，因其穩(wěn)定散熱能力而被廣泛應(yīng)用 于處理器芯片和移動(dòng)電子設(shè)備的熱管理中，在功率模 塊的熱管理方面也得到越來(lái)越多關(guān)注。

在毛細(xì)芯熱管方面，長(zhǎng)沙理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種 面向功率模塊冷卻的三維異形平板熱管，其蒸發(fā)側(cè)采 用平板塊狀設(shè)計(jì)，而冷凝側(cè)則沿用傳統(tǒng)管狀陣列結(jié)構(gòu)， 對(duì)比發(fā)現(xiàn)該異形結(jié)構(gòu)可將熱源面溫度降低6.7~13.7 °C， 其最大等效導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 10 000 W/(m·K)以上。類似 地，西安交通大學(xué)針對(duì)多電平變換器中功率模塊的 冷卻需求，基于功率模塊的三維熱力仿真，通過(guò)匹配熱管與芯片排布位置實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散最大化，設(shè)計(jì)得到如 圖9所示的O型熱管散熱器，該散熱器最高可將局部熱點(diǎn)溫度降低20%。

與熱管不同，均溫板具有輕薄緊湊的結(jié)構(gòu)和出色 的面內(nèi)橫向熱擴(kuò)散能力，可集成在功率模塊內(nèi)，顯著 降低結(jié)殼熱阻。中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司在功率模塊與散熱器之間直接添加均溫板開(kāi)展散熱測(cè) 試，測(cè)試結(jié)果表明均溫板可將散熱器溫升降低12.7 K， 且使得功率器件的溫度不均勻性指數(shù)下降超過(guò) 55%。諾丁漢大學(xué)和丹尼克斯公司則采用均溫板直接替代 功率模塊的金屬基板，使得結(jié)溫、溫度不均勻性和總 熱阻相較于傳統(tǒng)封裝分別下降34.6%、76.6%和41.6%， 可見(jiàn)均溫板的高效熱擴(kuò)散能力可為功率模塊緊湊封裝 設(shè)計(jì)提供新的解決方案；同時(shí)他們還通過(guò)三維有限元 仿真驗(yàn)證了均溫板對(duì)熱應(yīng)力、蠕變、塑性應(yīng)變的能量 耗散及熱疲勞壽命等的改善作用。

在碳化硅模塊應(yīng)用方面，西安交通大學(xué)則采用 類似方案，針對(duì)多電平變流器中非均勻熱流功率芯片 的冷卻需求，評(píng)估了均溫板對(duì)芯片溫度均勻性和溫度 波動(dòng)特性的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)嵌入均溫板后模塊最高溫 度以及溫度極值差分別下降了 11.1% 和 18.7%。此外， 他們還探索了將均溫板嵌入到碳化硅功率芯片與覆銅 陶瓷基板之間的封裝結(jié)構(gòu)（如圖10所示），結(jié)果發(fā)現(xiàn) 該模塊可在芯片熱流密度高達(dá) 632 W/cm2的條件下運(yùn) 行，且芯片結(jié)溫仍在允許范圍內(nèi)。但需要注意的是， 受目前均溫板的熱質(zhì)傳遞能力限制，直接嵌入在芯片 底部的均溫板體積較大，可能會(huì)帶來(lái)寄生電感、鍵合 線可靠性等問(wèn)題。

2.2 對(duì)流換熱技術(shù)

對(duì)于高熱流密度碳化硅功率器件，對(duì)流換熱相較 于輻射冷卻等散熱方式而言，能夠提供相對(duì)較強(qiáng)的冷 卻能力，是將熱量傳遞至環(huán)境中所必須的熱管理手段。對(duì)流冷卻技術(shù)按冷卻工質(zhì)分類，可分為空氣冷卻和液 體冷卻2類，其中空氣冷卻由于技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和 易于獲取等優(yōu)勢(shì)，已成為各類電力電子器件冷卻的首 選方案。然而功率器件熱流密度的不斷增長(zhǎng)也使得先 進(jìn)液體冷卻技術(shù)成為高功率密度碳化硅模塊熱管理的 發(fā)展趨勢(shì)之一，微射流沖擊和微通道單相對(duì)流等高效 液冷技術(shù)受到日益廣泛的關(guān)注。

2.2.1 射流沖擊冷卻

由于流體的直接沖擊作用，射流沖擊可提供遠(yuǎn)優(yōu) 于常規(guī)對(duì)流換熱方式的換熱性能，然而劇烈的流體沖 擊和方向轉(zhuǎn)折往往會(huì)帶來(lái)較大的流體壓降，因此，合 理的流體分配是提高冷卻能效的關(guān)鍵。佐治亞理工學(xué) 院提出了一種DBC嵌入式針翅射流冷卻方案如圖11 所示，并結(jié)合仿真與試驗(yàn)得出，相較于基板直接針翅 結(jié)構(gòu)，該方法可將結(jié)至流體的總熱阻減小37.3%（逆變 器冷卻總流量為 10 L/min）。歐洲微電子研究中心設(shè)計(jì)制備了噴嘴直徑為500 μm的4 × 4射流陣列冷卻裝 置，其熱阻低至0.25 K/W （0.16 cm2·K/W），該裝置在 熱源區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出良好的溫度均勻性。在應(yīng)用方面， Teledyne科技公司設(shè)計(jì)制備了射流冷卻高溫碳化硅功 率模塊，試驗(yàn)結(jié)果表明在 151 W 的熱功耗下，射流沖 擊可將器件溫升下降 74%，其性能要優(yōu)于商用微通道 散熱器。亞琛工業(yè)大學(xué)則提出了針對(duì)單個(gè)電力電子 芯片的獨(dú)立射流腔室冷卻方案，削弱器件間的熱耦合 作用，從而提升溫度分布均勻性。

射流冷卻結(jié)構(gòu)可緊湊嵌入到器件封裝結(jié)構(gòu)中來(lái)實(shí) 現(xiàn)復(fù)雜電熱耦合，而其中的關(guān)鍵點(diǎn)在于根據(jù)電熱系統(tǒng) 參數(shù)間的相互影響來(lái)構(gòu)建并優(yōu)化電熱結(jié)構(gòu)[37] 。因此， 如何結(jié)合各類優(yōu)化方法 （如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等） 來(lái)開(kāi)展面向優(yōu)化目標(biāo) （冷卻溫度均勻性、冷卻能效和 熱阻等） 的電熱協(xié)同設(shè)計(jì)，是先進(jìn)射流沖擊方法在碳 化硅模塊封裝熱管理中應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.2.2 微通道單相對(duì)流冷卻

微通道因其較大的表面積體積比而成為高功率密 度電子器件高效冷卻最有前景的技術(shù)方向之一。微通道一般指水力直徑在幾十或幾百微米量級(jí)的微小通道， 常以微通道陣列的方式出現(xiàn)以滿足大面積冷卻需求。

格勒諾波爾電氣工程實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于集 成微通道冷卻器的高效冷卻功率器件概念，微通道陣 列直接由多個(gè)相互平行且垂直穿過(guò)晶圓的流體過(guò)孔組成，流體將直接進(jìn)入垂直功率器件的漂移區(qū)并垂直于 器件的 PN 結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)極致緊湊散熱。試驗(yàn)結(jié)果表 明，該結(jié)構(gòu)存在電氣和熱管理上的理論可行性，但其 測(cè)試熱阻和理論值偏差較大，且熱阻值較大。

雖然隨著微通道水力直徑的減小，其換熱性能會(huì) 隨之改善，但由此帶來(lái)的壓降上升將導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)效 率降低，因此需要采用包括歧管微通道和雙層逆流 微通道在內(nèi)的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的高效利用。西安交通大學(xué)[提出了面向功率模塊的基板逆流微通道冷卻集 成設(shè)計(jì)方案，并發(fā)現(xiàn)短流程微通道冷卻方案的冷卻能 效系數(shù)可達(dá)長(zhǎng)流程方案的 6 倍以上。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院則采用了多個(gè)微流體冷卻器，并提出一種高效冷 卻的氮化鎵DC-DC變換器方案，其裝置如圖12所示， 裝置引入了2個(gè)歧管分流層來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)20個(gè)氮化鎵晶體管的均勻液體冷卻，結(jié)果表明在 60 K溫升下該方案可 實(shí)現(xiàn)對(duì)高達(dá)600 W熱量的可靠冷卻。

目前微通道單相冷卻技術(shù)已經(jīng)可以滿足熱流密度 高達(dá)1 000 W/cm2的單芯片可靠冷卻，但在功率模塊多 芯片冷卻應(yīng)用中還存在通道過(guò)小易于堵塞、各芯片 冷卻不均等問(wèn)題，因此如何通過(guò)優(yōu)化封裝工藝來(lái)實(shí) 現(xiàn)可靠流體分配與均勻冷卻是技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。微通道液體冷卻裝置常采用的工質(zhì)包括水、防凍液 和電子冷卻液等，這些工質(zhì)相對(duì)較低的流體導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo) 致其冷卻能效較低。液態(tài)金屬作為一種高導(dǎo)熱流體，近 年來(lái)也逐漸被用于微通道冷卻裝置。以往試驗(yàn)研究表明 ，在相同的微通道結(jié)構(gòu)條件下，采用銦稼錫合金材料作為冷卻工質(zhì)時(shí)其對(duì)流熱阻僅為水的60%。此外，液 態(tài)金屬可通過(guò)電磁泵流量主動(dòng)控制和液滴主動(dòng)熱開(kāi)關(guān)等方式集成在熱管理系統(tǒng)中來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)溫的 主動(dòng)調(diào)控，減小芯片間溫差和溫度波動(dòng)幅度。

2.3 相變散熱技術(shù)

受限于工質(zhì)有限的熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，單相對(duì)流換 熱技術(shù)的換熱系數(shù)往往較低；相變散熱技術(shù)充分利用了工質(zhì)的相變潛熱，因此其冷卻效率和均溫性均顯著 優(yōu)于單相對(duì)流換熱，因此，相變冷卻技術(shù)是高功率密 度碳化硅功率模塊冷卻的重要發(fā)展方向。

2.3.1 相變材料

由于碳化硅功率芯片的尺寸大幅減小，其對(duì)應(yīng)的熱 容顯著下降，因此在相同工況下，碳化硅功率器件面臨 更加嚴(yán)峻的由溫度波動(dòng)帶來(lái)的熱可靠性問(wèn)題。不同于熱 擴(kuò)散裝置，相變材料（PCM）主要利用固液相變潛熱來(lái) 實(shí)現(xiàn)功率器件瞬態(tài)熱量的“削峰填谷”（材料融化可吸 收瞬態(tài)尖峰熱流，材料凝固可釋放熱量），因此可將其 作為一種減小器件溫度瞬態(tài)波動(dòng)的有效熱管理手段。

重慶大學(xué)開(kāi)展了面向平面封裝IGBT模塊 、壓裝封裝模塊 、晶閘管和整流器等多種傳統(tǒng)功率器件 的PCM熱緩沖特性研究，在封裝結(jié)構(gòu)中嵌入低熔點(diǎn)合 金相變材料，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了固液相變材料對(duì)瞬態(tài) 過(guò)電流工況或周期性波動(dòng)熱流工況的結(jié)溫鉗制作用， PCM材料可減小功率模塊的最高結(jié)溫以及結(jié)溫波動(dòng)值， 提高功率模塊可靠性。在碳化硅功率模塊應(yīng)用方面， 浙江大學(xué)基于數(shù)值仿真開(kāi)展了嵌入PCM的碳化硅功率 模塊封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，封裝結(jié)構(gòu)如圖13所示，并 提出一種枝干狀的相變材料容器及其對(duì)應(yīng)封裝結(jié)構(gòu)， 能夠降低碳化硅器件結(jié)溫波動(dòng)極值差12 K以上。

目前，相變材料展現(xiàn)出優(yōu)異的瞬態(tài)熱管理潛力， 理想的相變材料應(yīng)具備儲(chǔ)熱密度高、體積熱膨脹率小、 物化性質(zhì)穩(wěn)定和熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，如何進(jìn)一步提高相 變材料的瞬態(tài)響應(yīng)速度、儲(chǔ)熱密度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性是該 技術(shù)發(fā)展的重要方向。在碳化硅器件應(yīng)用方面，目前 針對(duì)碳化硅功率模塊的PCM封裝工藝和PCM瞬態(tài)熱作 用機(jī)理的研究都存在較大不足。

2.3.2 氣液兩相冷卻

氣液兩相對(duì)流冷卻可充分利用冷卻工質(zhì)的氣液相 變潛熱，同時(shí)氣液相界面溫度被恒定在飽和溫度，因 此其冷卻能效要顯著優(yōu)于單相對(duì)流。根據(jù)流動(dòng)形式差 異，氣液兩相冷卻可細(xì)分為池沸騰和流動(dòng)沸騰。

其中池沸騰即大空間浸沒(méi)式相變冷卻，待冷卻器 件被直接放置在電子冷卻液中，通過(guò)表面的液體氣化 吸熱來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。3M 公司開(kāi)展了 IGBT 模組的浸沒(méi)相變冷卻原型試驗(yàn)，結(jié)果表明被動(dòng)式兩相浸沒(méi)冷卻性 能與雙面微通道水冷的功率模塊性能相當(dāng)，且其封裝 結(jié)構(gòu)可顯著簡(jiǎn)化，無(wú)須外部泵、冷板以及DBC絕緣基板等。西安交通大學(xué)則將浸沒(méi)式相變冷卻技術(shù)應(yīng)用 于高壓高速脈沖發(fā)生器冷卻中，結(jié)果表明使用該冷卻 方法可在不改變?cè)须娐放挪嫉那疤嵯陆档蜌ぶ镰h(huán)境 的熱阻。作為一種被動(dòng)的高效冷卻方法，目前針對(duì)碳 化硅功率模塊的浸沒(méi)式冷卻研究仍較少，存在池沸騰 換熱性能不足、微納多孔相變換熱表面耐久性差、浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng)密封要求較高以及工質(zhì)兼容性等問(wèn)題。

通過(guò)結(jié)合微通道高效對(duì)流換熱和相變換熱，流動(dòng)沸 騰可實(shí)現(xiàn)高熱流密度的高效冷卻。代爾夫特理工大學(xué)采用制冷劑R1234yf和熱測(cè)試芯片，對(duì)通道截面為0.5 mm×6 mm的微通道陣列開(kāi)展了兩相冷卻性能測(cè)試，結(jié) 果表明該裝置可滿足高達(dá)526 W/cm2的芯片熱流密度的冷卻需求，且結(jié)溫低于120 °C；他們還指出平行微通道 在流程方向上存在顯著的冷卻不均。巴斯克大學(xué)結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，相較于單相水冷卻，采用制 冷劑R134a的流動(dòng)沸騰冷卻可將IGBT器件的結(jié)溫降低 39 °C，且兩相冷卻時(shí)各芯片間的溫度均勻性顯著提高。

流動(dòng)沸騰有著更高的冷卻性能，但面臨著氣液兩 相流動(dòng)存在不穩(wěn)定性、工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)密封要求高、兩 相流體分配不均以及相間復(fù)雜作用難以準(zhǔn)確建模等挑 戰(zhàn)，目前仍需更多相關(guān)研究以填補(bǔ)上述空白。

3 結(jié)論

碳化硅功率模塊的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為其 應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分，為滿足日益增長(zhǎng)的功率密度和模塊可靠性需求，先進(jìn)熱管理技術(shù)必須與其封裝緊密結(jié)合，才能獲得最大收益。本文對(duì)現(xiàn)有的主要碳化硅 功率模塊封裝冷卻形式以及熱管理技術(shù)進(jìn)行了較全面的綜述總結(jié)。

在封裝層面，雙面冷卻和冷卻集成是高功率密度碳 化硅模塊封裝的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)的功率模塊封裝中， 減少芯片散熱路徑上的導(dǎo)熱熱阻是先進(jìn)封裝熱管理的關(guān)鍵，其主要措施包括充分利用芯片頂部散熱（采用更大 面積的頂部接頭）、采用散熱基板集成冷卻、DBC集成 冷卻或直接液冷封裝等。需結(jié)合碳化硅功率模塊封裝工藝和應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)兼容的熱管理集成技術(shù)，評(píng)估其對(duì) 模塊熱學(xué)和電學(xué)性能的影響，研究冷卻工質(zhì)和封裝結(jié)構(gòu) 對(duì)電氣絕緣以及模塊可靠性的影響機(jī)制。

在熱管理技術(shù)方面，采用熱擴(kuò)散裝置尤其是熱管 和均溫板是有效提升現(xiàn)有碳化硅功率模塊空氣或液體 冷卻性能的重要手段，需要對(duì)瞬態(tài)工況下裝置的啟動(dòng) 性能以及功率模塊的可靠性開(kāi)展進(jìn)一步研究。相變材 料作為一種特殊的儲(chǔ)熱元件，有望作為碳化硅模塊熱容的補(bǔ)充，減小結(jié)溫的波動(dòng)幅度從而提升模塊可靠性。射流、微通道單相對(duì)流和氣液兩相冷卻等方式可滿足超高功率密度模塊的冷卻需求，需要結(jié)合流體分配和器件排布，形成碳化硅模塊電熱協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以指導(dǎo)具體應(yīng)用的定制化熱管理設(shè)計(jì)，滿足結(jié)溫控制、均溫性和封裝結(jié)構(gòu)等多方面的限制。

由于技術(shù)迭代或變化的漸進(jìn)性，目前碳化硅模塊 封裝供應(yīng)商仍傾向于沿用硅基功率模塊封裝的技術(shù)路線，因而正在研究的新型封裝和先進(jìn)熱管理技術(shù)仍需 更充分地驗(yàn)證與進(jìn)一步完善才能實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅