前言

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从16年新能源汽车产业开始爆发以及车规模块的大规模应用开始,双面水冷模块就是一个绕不过去的话题。这几年国内很多公司也开始做模块,也看到了一些双方案。到底要不要上双面模块?这里分享一点我的观点。

首先上图,列出一些当前市场上能看到的一些已经量产或者即将量产的双面冷却模块的方案。也基本包含了目前主流的双面设计思路,包括引入先进封装工艺的aPSI3D的模块。对于一些产品几年前有过一些资料分享。


文章里面Hitachi的这个模块的最终工艺过程可能与实际有差异,但也算是一个方案。


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书归正传

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双面水冷说到底其实是一种解决方案,其要解决的技术问题是散热。撒热是功率半导体乃至整个半导体封装的一个重要课题。我们设计任何产品基本要素是差不多的,当然不同产品也是千差万别。但是基本原理都是要花多少钱,做多少事情。做功率模块不复杂,要解决的技术问题也不是非常繁琐。散热就是我们要满足输出功率的时候要解决的第一个技术问题。

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那么这里有一个SiC芯片需要散热,,我们怎么办,如何来解决这个技术问题。

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我首先想到的是拿风扇来吹,因为加个风扇是最简单的,成本最低的。



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芯片散热是跟对流换热的有效面积决定的,这这总情况下,对流换热的有效接触面只有芯片表面,然而芯片太小,所以散热性能不够,结温太高,能不能有什么好办法呢。我们知道对流散热跟面积相关,在芯片下面增加一个导热良好的金属板,然后通过金属板来增加对流换热面积岂不是很好。



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对了,我们核心的是实现电功能,这了一大块铜板不绝缘啊,搞电的兄弟肯定不愿意,一定实现绝缘。那就这样了,设计一种上下都是导热良好的铜材料,中间是既能导热又能绝缘的陶瓷,岂不是很好,就这样交差。技术问题搞定。engineer 搞定engineering问题,super!



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不行,客户需求变了,Initial Requirement 变了。输出功率要提高损耗增加30%,晶圆的兄弟已经优化到极限了,要求继续提高散热能力。干!查书,书上说结温Tvj=P*Rth。功耗P翻番已经定了,只能压榨Rth了,最好能大幅降低。

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书上又说Rth=d/(A*λ)。OK,有思路了。不过就是继续增加散热面积或者降低厚度或者提高热导率。银烧结?太贵,看看有没有其他方面的收益,值不值得搞,还得看看收益。AlN呢,收益不错,强度差点,价格也高,再评估评估,厚度影响热扩散角度,要慎重。面积可以先搞一搞嘛。


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貌似也不行,热扩散角度是有限制的。面积太多了没用,徒增加成本。



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那怎么办,上面是不是可以,我看行,上面再搞一层。散热面积直接加倍,就问你爽不爽。虽然DBC加倍,铜基板加倍,成本增加了不少,貌似工艺难度也不小。但是性能加倍啊。



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还有没有别的办法,虽然没有超级加倍,加倍看着很爽,还没有有别的办法,比如明牌啥的。或者芯片面积加倍是不是也可以。

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可以可以,完全可以,但是,两个芯片放在一起散热都耦合一起了,效果不是很好啊。把他们拉开点距离吧。



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这样效果好,散热性能跟双面差不多了。只是用的芯片加倍了。DBC与铜基板也增加了一些。但是应该没有双面加倍的多,还不错,而且工艺也简单多了,交差。


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好啦,整理整理交差吧。


方案1,双面散热,工艺复杂;考虑垫片,焊接工艺裕度等,散热性能提高35%;纵向体积增加,DBC,铜基板等材料增加,成本增加。


方案2,单面散热,工艺简单,散热提高35%。但是芯片加倍,成本增加。



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然后甩给电的同事看看提供一下两个方案的优劣势分析,然后他发给我了这个,然后问了我一个灵魂问题。同样的总价,你是希望雇佣一个人996,还是雇佣两个人955?我想我还没资格思考这个问题。但我明白了他的意思,我想老板应该更明白。



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OK,感觉差不多了,整理一下,可以甩给老板,下班回家奶娃了。吃完饭,手机弹出消息,老板回复了。


  1. 两种方案系统成本仔细对比了没有,成本收益如何?做一个详细的成本分析以及性能评估。
  2. 工艺风险如何,从研发到生产,测试,应用,失效影响,失效分析等等能不能都列出来。
  3. 两种方案哪一种跟我司当前的产线兼容度高,固定资产投资小,要充分利用现有产线。即使投资新产线,要先核算清楚投资收益。
  4. 哪种方案客户收益最高,用起来有加倍的感觉,对客户潜在的需求影响如何?
  5. 两种方案哪种效率高,比如SiC,哪种方案的复合工况效率高,对客户收益高,有没有算清楚?
  6. 两种方案哪种长期可靠性更好,超出RBSOA的风险大不大,长期影响如何,有没有双极退化的风险?
  7. 短路能力的改善能有多少,对短路改善的收益能不能衡量清楚,用SnSb5还是银烧结,收益是2%还是20%?
  8. 双面模块的芯片内部结温分布以及退化模式跟传统单面不一样的,标准里的那些可靠性测试方法还适用吗?功率循环寿命评估套路要不要调整?
  9. 除了这些思路,还有没有别的解决方案,银烧结看看,SiN,AlN基板也都看看,出个评估报告。
  10. 其他的吃完饭再想。。。。。




结尾

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产品设计就是一个系统优化工程,找到最合适的点,其实不同的公司不同应用的产品需求是完全不一样的,都需要详细的具体问题具体分析。决定走某种技术路线不是看别人怎么做就自己怎么做,而是根据实际产品需求,自己的实际情况,自己的应用市场,来综合寻优。不能看到双面觉得有加倍的感觉就叫牌了,然后一看自己满手的阿拉伯数字,都不带连号的。


其实就散热而言也不单单只有上面的方案,双面也仅仅是一个技术路线。我们也可以优化不良导热的绝缘体的位置,如Boach的方案,通过低热导率的绝缘层往下放置,来提高绝缘层的有效散热面积。或者继续往下放,通过陶瓷粉末参环氧树脂并做成内嵌的结构,让衬底嵌入在基板上。或者在铜基板里面水道外围做绝缘结构,亦或是直接采用绝缘油来在铜基板里来冷却,这些都可以很好的放大导热绝缘层的有效散热面积。都是优化散热的方案。




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