電動汽車如何解決熱的問題

電動汽車 （EV） 和混合動力汽車 （HEV） 的功率模塊等新應(yīng)用需要更小的電路提供更高的電壓和功率，因此需要能夠提供高壓隔離的電路材料，同時從 IGBT 和 MOSFET 等密集封裝的半導(dǎo)體器件高效散熱。

陶瓷基板材料具有所需的性能，但并非所有陶瓷基板都相同。例如，銅與陶瓷的附著可以通過不同的方式完成，包括通過直接鍵合銅（DBC）或活性金屬釬焊（AMB）工藝。了解陶瓷基板的比較方式有助于為必須處理高電壓、高隔離和高效散熱的應(yīng)用指定陶瓷基板。

隨著儲能系統(tǒng)的改進和續(xù)航里程的增加，全球電動汽車和混合動力汽車的數(shù)量正在穩(wěn)步增長。這些車輛的電源電路圍繞開關(guān)二極管（IGBT 和 MOSFET）構(gòu)建，設(shè)計用于處理約 400 至 750 V 的直流電壓;在某些情況下，EV和HEV的電壓可以高達900至1200 V。由于EV或HEV的空間有限，電源電路和模塊通常內(nèi)置在狹小的空間中。幸運的是，陶瓷基板材料可以滿足電動汽車和HEV功率模塊以及許多其他電力電子應(yīng)用的電氣和機械要求。

陶瓷基板包括用于制造電路圖案、散熱器和其他電子結(jié)構(gòu)的銅層。陶瓷材料包括氧化鋁（Al2O3），氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）。銅通過不同的方法粘合到陶瓷材料上，具體取決于材料的類型，DBC工藝用于氧化鋁和AlN，AMB工藝是將銅連接到Si3N4的有效方法。DBC工藝在約+1065oC的溫度下進行，由于陶瓷基板和銅之間的熔化和擴散而形成粘合。磁力軸承工藝的工藝溫度較低，約為+800oC，在純銅和Si3N4陶瓷材料之間形成高溫釬焊接縫。

EV和HEV的共同設(shè)計目標(biāo)是最小化電子元件的尺寸，這導(dǎo)致了在更高功率水平下更小的功率模塊的趨勢，這總是導(dǎo)致熱問題。即使是最高效的功率半導(dǎo)體也會產(chǎn)生熱能，作為電流流過有源器件（如IGBT或MOSFET）的副產(chǎn)品。為了確保可靠性和較長的使用壽命，必須去除熱量，這可以通過使用具有高導(dǎo)熱性的電路基板材料（例如陶瓷基板）來有效地實現(xiàn)。

DBC和磁力軸承陶瓷基板具有不同的熱特性，例如熱阻（Rth）和導(dǎo)熱性，可作為哪種材料更適合不同功率水平的指南。例如，在+20oC時，氧化鋁（Al2O3）的導(dǎo)熱系數(shù)為24 W/mK，而氮化硅（Si3N4）的導(dǎo)熱系數(shù)為90 W/mK。但對于AlN，導(dǎo)熱系數(shù)為170 W/mK，這使其成為必須不惜一切代價散熱的極高功率、高功率密度電路的明確選擇。當(dāng)需要低熱阻來散發(fā)大量熱量時，也可以通過減小陶瓷基板的厚度、增加安裝有源器件的銅面積以及增加銅層的厚度來實現(xiàn)。

用于EV和HEV的電源電路基板材料時，需要考慮的另一個與材料相關(guān)的參數(shù)是熱膨脹系數(shù)（CTE），它描述了不同材料如何隨溫度膨脹和收縮。由于材料特定的導(dǎo)熱性，兩種材料與兩種不同的CTE物理連接，可能會承受溫度變化較大的應(yīng)力。理想情況下，CTE中的任何不匹配，例如硅IGBT或MOSFET及其電路基板的不匹配，都應(yīng)最小化，以減少兩種不同材料界面處的熱應(yīng)力。

陶瓷基板的低CTE（氧化鋁為6.8 ppm/K，氮化硅為2.5 ppm/K，AlN為4.7 ppm/K）與硅晶體管芯片的低CTE（約2.6 ppm/K）兼容。通過形成陶瓷和銅組合的器件引線框架，CTE低于裸銅引線框架的CTE。使用低 CTE 陶瓷有助于補償硅芯片和用于芯片連接的芯片焊料（CTE 約為 22 ppm/K）之間的 CTE 不匹配。