电动汽车如何解决热的问题

电动汽车 （EV） 和混合动力汽车 （HEV） 的功率模块等新应用需要更小的电路提供更高的电压和功率，因此需要能够提供高压隔离的电路材料，同时从 IGBT 和 MOSFET 等密集封装的半导体器件高效散热。

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，铜与陶瓷的附着可以通过不同的方式完成，包括通过直接键合铜（DBC）或活性金属钎焊（AMB）工艺。了解陶瓷基板的比较方式有助于为必须处理高电压、高隔离和高效散热的应用指定陶瓷基板。

随着储能系统的改进和续航里程的增加，全球电动汽车和混合动力汽车的数量正在稳步增长。这些车辆的电源电路围绕开关二极管（IGBT 和 MOSFET）构建，设计用于处理约 400 至 750 V 的直流电压;在某些情况下，EV和HEV的电压可以高达900至1200 V。由于EV或HEV的空间有限，电源电路和模块通常内置在狭小的空间中。幸运的是，陶瓷基板材料可以满足电动汽车和HEV功率模块以及许多其他电力电子应用的电气和机械要求。

陶瓷基板包括用于制造电路图案、散热器和其他电子结构的铜层。陶瓷材料包括氧化铝（Al2O3），氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）。铜通过不同的方法粘合到陶瓷材料上，具体取决于材料的类型，DBC工艺用于氧化铝和AlN，AMB工艺是将铜连接到Si3N4的有效方法。DBC工艺在约+1065ºC的温度下进行，由于陶瓷基板和铜之间的熔化和扩散而形成粘合。磁力轴承工艺的工艺温度较低，约为+800ºC，在纯铜和Si3N4陶瓷材料之间形成高温钎焊接缝。

EV和HEV的共同设计目标是最小化电子元件的尺寸，这导致了在更高功率水平下更小的功率模块的趋势，这总是导致热问题。即使是最高效的功率半导体也会产生热能，作为电流流过有源器件（如IGBT或MOSFET）的副产品。为了确保可靠性和较长的使用寿命，必须去除热量，这可以通过使用具有高导热性的电路基板材料（例如陶瓷基板）来有效地实现。

DBC和磁力轴承陶瓷基板具有不同的热特性，例如热阻（Rth）和导热性，可作为哪种材料更适合不同功率水平的指南。例如，在+20ºC时，氧化铝（Al2O3）的导热系数为24 W/mK，而氮化硅（Si3N4）的导热系数为90 W/mK。但对于AlN，导热系数为170 W/mK，这使其成为必须不惜一切代价散热的极高功率、高功率密度电路的明确选择。当需要低热阻来散发大量热量时，也可以通过减小陶瓷基板的厚度、增加安装有源器件的铜面积以及增加铜层的厚度来实现。

用于EV和HEV的电源电路基板材料时，需要考虑的另一个与材料相关的参数是热膨胀系数（CTE），它描述了不同材料如何随温度膨胀和收缩。由于材料特定的导热性，两种材料与两种不同的CTE物理连接，可能会承受温度变化较大的应力。理想情况下，CTE中的任何不匹配，例如硅IGBT或MOSFET及其电路基板的不匹配，都应最小化，以减少两种不同材料界面处的热应力。

陶瓷基板的低CTE（氧化铝为6.8 ppm/K，氮化硅为2.5 ppm/K，AlN为4.7 ppm/K）与硅晶体管芯片的低CTE（约2.6 ppm/K）兼容。通过形成陶瓷和铜组合的器件引线框架，CTE低于裸铜引线框架的CTE。使用低 CTE 陶瓷有助于补偿硅芯片和用于芯片连接的芯片焊料（CTE 约为 22 ppm/K）之间的 CTE 不匹配。