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与传统的单面冷却(SSC)模块相比，双面冷却(DSC) SiC 模块对逆变器性能方面有所改善。
到2040 年，估计电动汽车将占所有新车销量的58%以上。问题在于缺乏足够的公共充电基础设施，电动汽车行驶里程有限，充电时间长。
针对这些问题，上下游企业正在陆续推出解决方案，如将电动汽车电池电压提高到 800 V，执行DCFC-Level 3等标准，显著提高效率，缩短充电时间。宽带隙半导体，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，可以大大提高电机控制器、OBC和 DC-DC的功率转换效率。
在本文中，我们将重点介绍美国弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心 G-Q Lu 教授打造的双面冷却(DSC) SiC 模块，以及该模块对逆变器性能提升起到了哪些作用？
与传统的单面冷却(SSC)模块相比，该模块可以使牵引逆变器性能方面取得巨大进步。
美国能源部(DOE)为电动汽车中使用的电力驱动技术(EDT)牵引逆变器设定了目标。图1 列出了一些关键目标。
图 1:DOE EDT 电机逆变器的一些关键目标以及弗吉尼亚理工大学为实现这些目标而开展的合作和项目(来源:弗吉尼亚理工大学G-Q Lu 教授)
电动汽车在采用单面冷却IGBT模块时，逆变器的体积功率密度不超过10 kW/L；当功率模块方案切换为单面冷却SiC模块时，逆变器的体积功率密度将达到25 kW/L上下。就此而言，在这一关键指标上，100 kW/L 是一个巨大的挑战。弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心是如何应对这一挑战的呢？
如图 2 所示，为实现上述目标，弗吉尼亚理工大学和美国橡树岭国家实验室的策略是利用 双面冷却模块改进性能，显著减少 SiC 芯片数量（少用一半），从而带来功率密度和成本优势。
图 2:使用双面冷却来减少逆变器中的有源元件数量
为了实现总体目标，采用了多种解决方案的组合，每种方案如下：
双面冷却
双面冷却可以将热阻 Rth-JC 降低 30%以上。此外，如图3 所示，可以改善功率密度、降低电感(通过不使用键合线)。
图 3:双面冷却的优势
G-Q Lu教授的团队使用了一种创新的方法来实现模块中的双面冷却。在双面冷却模块中，芯片通常夹在两个导电和导热基板之间。常规方案是使用短金属柱覆在芯片顶部用作连接，如图4(a)所示。该团队尝试过许多材料，比如铜(更多热机械应力)，钼(较低的导热性，需要表面金属化)，等等。对于背面的芯片贴装，银烧结与焊接相比，具有更高的导热性和导电性以及更高的可靠性。G-Q Lu教授通过低温烧结无压银烧结膏制成多孔银短金属柱。多孔银更容易变形，可适应几何变化，例如基板厚度的差异。图 4(b)展示了这些银柱。另外烧结银比铜或钼柱具有更低的机电应力。
图 4(a):使用金属柱的双面水冷
图 4(b):多孔银烧结柱的使用
用于芯片贴装的纳米银烧结
无论有或没有压力辅助，银烧结在 250˚ C 或更低的温度下均可固态扩散。如图 5 所示，与传统焊料方法相比，G-Q Lu教授的团队使用了一种混合了表面活性剂和有机稀释剂的纳米银浆料，从而在给定的温度和压力条件下，增加了致密化速度，提高凝聚力和附着力。
图 5:银烧结技术的优势
使用刚性密封剂
填充模块内芯片间空间的密封剂对模块的可靠性起着关键作用。这种材料需要很低的热膨胀系数，模块才能在规定的温度范围内可靠运行。G-Q Lu教授的团队尝试了三种不同的封装材料，如图 6 所示，首选 EP-2000 材料。该材料具有高弹性模量，有助于降低不同界面处的循环非弹性应变能密度或损伤，从而提高模块的可靠性。
图 6:选择低热膨胀系数的刚性密封剂，提高可靠性
通过场分级材料改善绝缘
PDIV是模块绝缘开始退化的电压。要改善这一点，可以使用更厚或堆叠的基板，或者在模块内最高的电场点使用场分级材料。非线性电阻场分级 (NLRFG)材料可以通过快速提高电导率来降低绝缘中的电场应力。在模块中，三相点，即金属、陶瓷和绝缘体的界面，是电场应力最高的位置。由聚合物纳米复合材料 (PNC)涂层制成的 NLFRG 材料，通过物理涂覆模块三相点，已被证明可以明显提高功率模块的绝缘。
图 7:使用 NLRFG 聚合物纳米复合涂层改善 PDIV
结果
教授团队设计了用于电动汽车逆变器的双面冷却1.2 kV SiC 模块。200˚ C 的温度测试结果如图 8 所示，改进的冷却和烧结银键合有可能使 SiC 结温高达 250℃。
图 8:SiC 模块的温度测试
图 9 的10 kV 双面冷却SiC 模块，由 10 kV SiC 器件组成全波二极管整流器模块。上述方法的组合有助于模块在高功率密度、高温和高压环境下工作。
图9:双面冷却10 kV SiC整流器
结论
功率模块封装的创新可以提高功率密度，减少 SiC 和 Cu 等材料的使用，从而在电动汽车等应用场景中实现更低的成本和更高效率的功率转换。本文强调的创新双面冷却方法可以成为改善逆变器性能的众多解决方案之一。
参考文献：
C. Ding, H. Liu, K Ngo, R. Burgos, G-Q Lu, “A Double-Side Cooled SiC MOSFET Power Module With Sintered-Silver Interposers: I-Design, Simulation, Fabrication, and Performance Characterization,” IEEE Transactions on Power Electronics, 2021.
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