我在通用的前同事劉名寫(xiě)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早期的概念設(shè)計(jì)，一方面也把商用的功率模塊的參數(shù)做了一些梳理。原文很長(zhǎng)，我在這里歸納梳理有幾點(diǎn)：

●功率模塊Wire Bond的技術(shù)被替代以后，雙面冷卻才有可能。

●由于有了冷卻技術(shù)的提升，在功率密度、可靠性、寄生電感和電阻方面都有下降。

在分化比較多的場(chǎng)合里面，功率模塊封裝技術(shù)成了很多企業(yè)想掌握的內(nèi)容。

▲圖1.從單面冷卻到雙面冷卻的功率模塊

Part 1

早期的技術(shù)

雙面冷卻是從1990年代首次提出來(lái)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在研究雙面冷卻，并于 2008年在量產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)逆變器上實(shí)施。自2010年代中期以來(lái)，這種設(shè)計(jì)方法越來(lái)越受歡迎，汽車(chē)企業(yè)和Tier1供應(yīng)商也越來(lái)越多采用這種封裝技術(shù)。

從整個(gè)發(fā)展路徑來(lái)看，主要分為幾個(gè)階段：

●第一階段從1995年到2010年：早期主要是高效和大公司實(shí)驗(yàn)室，探索無(wú)焊線和平面封裝，以實(shí)現(xiàn)功率模塊在頂部冷卻路徑。

●第二階段從2001年至2015年：大公司開(kāi)始讓雙面液冷研發(fā)逐步突破商業(yè)化 。

●第三階段從2015年起：大規(guī)模商業(yè)化，不同供應(yīng)商的多個(gè)雙面液冷模塊在電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用。

▲圖2.早期探索

我們能看到早期的模塊是圍繞IGBT的Si模塊，而在2012-2016開(kāi)始在原有的設(shè)計(jì)上探索SiC的應(yīng)用。

▲圖3.早期探索的產(chǎn)品測(cè)試

在第二階段，更多的公司嘗試進(jìn)入，開(kāi)始探索早期的商業(yè)化。

▲圖4.工業(yè)和大學(xué)的設(shè)計(jì)探索

▲圖5.工業(yè)設(shè)計(jì)的參數(shù)

而從汽車(chē)產(chǎn)業(yè)來(lái)看，主要是圍繞著產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化開(kāi)始的，我們看到汽車(chē)企業(yè)和Tier 1都在這個(gè)領(lǐng)域有很多的嘗試。

▲圖6.汽車(chē)領(lǐng)域雙面冷卻的功率模塊

功率模塊從1in1、2in1到6in1，熱阻、寄生電感、最大溫度都有很大的提升。

▲圖7.主要汽車(chē)領(lǐng)域的功率模塊參數(shù)

▲圖8.主要的功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

原作者劉名特別在這里強(qiáng)調(diào)說(shuō)，雖然通用的電動(dòng)車(chē)買(mǎi)的不好，但是在2016年竟然同時(shí)上了三款不同設(shè)計(jì)的逆變器，包括兩款雙面冷。這是技術(shù)上的真心實(shí)意和商務(wù)上的大傻冒行為。

Part 2

雙面冷卻的功率模塊發(fā)展的路徑

有效的熱管理對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中的功率模塊（Si和 SiC）是非常重要的，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和可靠性。與傳統(tǒng)的單面冷卻功率模塊封裝相比，雙面冷卻可以顯著提高散熱能力、半導(dǎo)體利用率和電氣寄生效應(yīng)。

目前的工作重點(diǎn)是通過(guò)利用平面互連、改進(jìn)的材料和更新的工藝來(lái)提高性能、可靠性和成本的電源模塊。隨著功率模塊雙面散熱材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的成熟，功率模塊的設(shè)計(jì)將受益于封裝尺寸形狀的標(biāo)準(zhǔn)化。

這將使逆變器的開(kāi)發(fā)速度更快、成本更低，同時(shí)仍能在模塊本身內(nèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的創(chuàng)新。這種標(biāo)準(zhǔn)化，加上雙面冷卻的多物理場(chǎng)設(shè)計(jì)，能增加逆變器的可靠性、成本、效率和尺寸的綜合特性。

下面這張圖9弄的挺好，基本把大規(guī)模探索和后續(xù)量產(chǎn)的路徑給整理清楚了。

▲圖9.雙面冷卻的發(fā)展階段

特斯拉在功率密度這塊一直是很領(lǐng)先的。

▲圖10.功率逆變器的功率密度對(duì)比

劉名還提到，雙面水冷的下一步應(yīng)該是直接雙面水冷，否則TIM會(huì)抵消掉部分雙面水冷設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處。

目前碳化硅成熟度相對(duì)不好，封裝形式上退回到單管，但是從集成角度看，長(zhǎng)遠(yuǎn)應(yīng)該還是類(lèi)似HPD樣的單面或者雙面全橋封裝。目前業(yè)內(nèi)還不認(rèn)為雙面水冷能像AMB和燒結(jié)銀一樣成為碳化硅的標(biāo)配。

再有，現(xiàn)在功率模塊封裝供應(yīng)鏈混亂的問(wèn)題，從芯片到主機(jī)廠都在做，互為客戶和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，這個(gè)短期內(nèi)貌似無(wú)解。

小結(jié)：原文還寫(xiě)了很多的優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)比較，推薦看看，我放到知識(shí)星球了。我覺(jué)得Ming Liu這篇論文寫(xiě)得挺好的。當(dāng)然我個(gè)人不太看重細(xì)節(jié)，主要看歷史發(fā)展和設(shè)計(jì)趨勢(shì)，所以我挑了一些我感興趣的部分。

最后，大家可以猜一猜銳歌上面用的單面冷還是雙面冷。

審核編輯：劉清