車規(guī)模塊系列（八）：英飛凌DSC(雙面水冷)模塊

世事悠悠人未了，年光冉冉今如許。

前面聊了一些市面上典型的車規(guī)模塊，它們都是單面水冷散熱的封裝結(jié)構(gòu)，今天我們來聊一聊雙面水冷（DSC,Double-sided cooled）的車規(guī)模塊，也算是補(bǔ)全車規(guī)模塊的話題。今天我們參考英飛凌的DSC車規(guī)模塊來展開，希望大家能夠了解一些雙面水冷模塊的概念。

01、論過往

新能源汽車向著高功率密度和高可靠性的方向發(fā)展，為了滿足這方面的需求，功率模塊無論從電氣性能（Si基和WBG材料的芯片）還是封裝（低雜散電感，先進(jìn)的互連技術(shù)，優(yōu)異性能的封裝材料和高散熱性能）等方向開始往更高“極致”出發(fā)。

NREL公司的電力電子冷卻技術(shù)研究

雙面水冷模塊的研究和應(yīng)用在早之前就已經(jīng)開始發(fā)展，下圖是去年通用大佬劉名發(fā)表的"Comprehensive Review and State of Development of Double-Sided Cooled Package Technology for Automotive Power Modules"中整理的過往幾十年在車用模塊的發(fā)展歷程，

其中，我們除了我們之前聊過的幾種常見的車規(guī)模塊之外，還有很多其他形式的封裝外形，這和工業(yè)模塊的較為一致性的模塊封裝不同，車規(guī)模塊的差異化來源于汽車廠家對于自身應(yīng)用的需求，更偏向于差異化。

文中也展示了電動汽車逆變器功率密度的發(fā)展趨勢，

可見Tesla的功率密度處于一個(gè)很高的level，同時(shí)呈現(xiàn)的是各家都在往著更高的功率密度發(fā)展，美國能源部對于2025的功率密度目標(biāo)為100kW/L。

今天我們通過英飛凌的DSC模塊來了解下雙面水冷模塊的一些特性。

02、IFX DSC模塊

?首先，下圖是英飛凌DSC模塊的拓?fù)鋱D，

其中，考慮到SiC對模塊寄生參數(shù)的較高敏感程度，英飛凌將DSC的端子布局進(jìn)行了優(yōu)化，將DC和AC在同一側(cè)的情況改到了DC和AC在不同側(cè)，以降低回路的雜散電感。

?采用雙面水冷的散熱方式，相比于同樣封裝的單面水冷模塊，結(jié)到冷卻液之間的熱阻Rth(j-f)降低了約40%，通過仿真，約有30%的額外熱量從頂部流出。

?DSC的結(jié)構(gòu)示意圖

我們可以看到一個(gè)DSC模塊及其內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)的輪廓。芯片背面通過例如焊接、燒結(jié)或粘結(jié)粘接連接到底部絕緣基板，而芯片正面通過一個(gè)導(dǎo)電和導(dǎo)熱的間隔片連接朝向上部絕基板。在底部和頂部基板之間的剩余空間中填充了一種基于聚合物的化合物（就是整體塑封結(jié)構(gòu)的封裝），以安全地分離模塊內(nèi)的電位。模塊被間接冷卻，即冷卻液不與模塊直接接觸。該模塊被壓到一個(gè)冷卻器上，通常是鋁制的，在兩側(cè)。通過導(dǎo)熱硅脂來填充金屬間的缺陷。最后，通過在冷卻器中強(qiáng)制使用水-乙二醇冷卻劑（沒有在圖中顯示）來實(shí)現(xiàn)冷卻。

優(yōu)化熱性能的一個(gè)重要參數(shù)是使用具有高導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷基板，這個(gè)我們上篇有大致聊到過，英飛凌這款標(biāo)準(zhǔn)的是AlN基板。

03、環(huán)氧成型化合物EMC

雙面水冷模塊一般都使用和分立器件一樣的塑封封裝形式，主要傳統(tǒng)填充硅膠的方式不太適合雙脈水冷的堆疊結(jié)構(gòu)，同時(shí)塑封實(shí)現(xiàn)了相對較低的生產(chǎn)成本，更高的自動化程度。

下面是基于EMC（Epoxy Molding ?Compound）轉(zhuǎn)模的簡單制造示意圖，

所制作的DSC模塊位于模腔內(nèi)，EMC材料被熔化，并由柱塞推入模腔中。EMC填充空腔，封裝DSC，固化，并從空腔中噴射出。在成型過程中，可能會發(fā)生靜態(tài)壓力和機(jī)械壓縮。因此，在這個(gè)成型過程中，模塊可以暴露于液-固相變化、高壓和高溫的環(huán)境下。

04、小結(jié)

今天我們主要簡單地了解了關(guān)于雙面水冷模塊的一些特性以及塑封這種封裝的簡單過程。有時(shí)候在想，如果將目前所有應(yīng)用在車規(guī)模塊的獨(dú)特技術(shù)集于一款模塊，那它的性能或者說性價(jià)比會是怎么樣？但往往一些參數(shù)的相互制約通常導(dǎo)致最后只能采取折中，并不能全部都是最優(yōu)的解決方案。但未來誰知道呢，我想的就是多學(xué)多理解，以及和大家多交流，這是一件值得堅(jiān)持的事情。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！

參考文獻(xiàn)：

Ajay Poonjal Pai, "Characteristics of a SiC MOSFET-based Double ?Side Cooled High Performance Power Module for ?Automotive Traction Inverter Applications"