來源：機車電傳動

摘要

碳化硅功率器件具有耐高壓、開關速度快和導通損耗低等優點，因此正在逐漸成為電力變換系 統的核心器件，尤其在新能源汽車、可再生能源、儲能、數據中心、軌道交通和智能電網等領域，器件的應 用越來越廣泛。然而，碳化硅器件持續的小型化和快速增長的功率密度也給功率模塊封裝與熱管理帶來了新 的挑戰。傳統封裝結構和散熱裝置熱阻較大，難以滿足碳化硅器件高熱流密度冷卻需求，同時，高功率密度 模塊散熱集成封裝需求也日益增長。針對上述挑戰，文章對國內外現有的典型功率模塊封裝結構進行了詳細 介紹和分類對比；枚舉比較了不同功率模塊散熱方式及其技術特點，如熱擴散裝置、對流換熱和相變散熱 等；最后，結合以往的碳化硅功率模塊熱封裝研究，對下一代碳化硅模塊封裝與熱管理技術面臨的挑戰和未 來的發展趨勢進行了展望。

0 引言

碳化硅金屬氧化物半導體場效應管（SiC MOSFET） 作為典型的寬禁帶半導體器件，相較于硅基功率器件， 具有耐高壓、耐高溫、開關速度快、導熱率高和導通電 阻低等優點，因此逐漸被用于新能源、光伏發電、軌道 交通和智能電網等重要領域的電力電子系統中，助力系 統能效與功率密度的不斷提高。為充分發揮碳化硅功率 器件的上述優良電氣特性，需通過封裝結構實現電信號 的可靠連接與器件結溫的穩定控制。傳統封裝和熱管理 技術在碳化硅功率器件應用中面臨著一些關鍵技術挑戰。

目前已有的商用碳化硅功率模塊大部分仍沿用硅基 器件的平面封裝方式，其封裝結構如圖1所示。在該模 塊結構中，多個功率芯片（包括SiC MOSFET和碳化硅 肖特基二極管SBD）被焊接或粘貼于同一絕緣襯板的金 屬化表面，該襯板既承擔模塊的電氣絕緣作用，同時又 是模塊整體封裝熱阻的重要組成部分，而功率芯片正面 的電氣連接則采用鋁線/銅線鍵合方式來實現。

常見的功率器件失效方式如引線鍵合翹曲/脫落、 焊料層裂紋/剝離以及芯片過熱損壞等均是由熱封裝結構 散熱能力不足引起的。在額定電流和電壓相同的前提 下，碳化硅器件的尺寸可以比硅器件更小，這對高功 率密度、高散熱能力的模塊設計與制造提出了要求。商 用1 200 V/150 A硅基IGBT和碳化硅基MOSFET器件尺 寸對比如圖2所示，由圖2可知后者的面積僅約為前者 的1/5。因此，雖然碳化硅器件導通和開關損耗顯著降 低，但其襯底面積的收縮會導致模塊熱阻的顯著增加。

針對上述問題，國內外學者分別從封裝結構和散 熱技術2個方面出發，通過減小封裝導熱熱阻和外部散 熱熱阻來滿足碳化硅高熱流密度散熱需求。本文聚焦 碳化硅功率模塊熱封裝結構和高效散熱方式 2 個關鍵 點，對現有的碳化硅功率器件封裝和熱管理技術進行 分類梳理和總結，并在此基礎上討論高功率密度碳化 硅封裝在散熱方面面臨的挑戰和重要發展趨勢。

1 碳化硅器件低熱阻封裝技術

典型的碳化硅功率模塊封裝的熱阻由芯片襯底、 芯片焊料層、覆銅陶瓷基板 （DBC）、基板焊料層、金 屬散熱基板、熱界面材料 （TIM） 和散熱器的熱阻組 成。碳化硅具有良好的導熱性能[270 ~ 450 W/(m·K)]， 其主要熱阻包括焊料層、DBC、金屬基板、TIM 和散 熱器。因此，雙面冷卻封裝、壓裝封裝和冷卻集成封 裝等先進封裝技術被相繼提出，以通過充分利用碳化 硅芯片底面及頂面的散熱面積、縮短結至流體或環境 的熱流傳遞路徑來降低模塊封裝熱阻。

1.1雙面冷卻封裝技術

為實現碳化硅功率器件的可靠雙面散熱，在傳統 平面封裝的基礎上，引入如頂部銅引腳框架或銅帶、 金屬墊塊等頂部互聯方式，并采用銀燒結來實現芯片 側的低熱阻互聯，該類封裝可承受220 °C以上的高溫 （如圖3所示）。由于芯片上下表面均采用DBC焊接散 熱，熱流路徑在垂直方向上出現2條并聯支路，相較于 傳統的單面冷卻模塊，其熱阻可降低 38%。此外， 該封裝可完全消除功率回路的引線鍵合結構，借助高 可靠性界面實現互聯，相較于傳統封裝可實現10倍以 上的可靠性提升。中國中車、重慶大學、天津大 學和美國弗吉尼亞理工學院等分別針對雙面冷卻模 塊的封裝結殼熱阻、熱應力和外部射流冷卻集成等開 展了多物理場耦合優化研究。

壓裝封裝則是另一種在高壓直流輸電和軌道交通 等領域廣泛應用的雙面冷卻封裝形式，具有無焊接點、 無引線、可靠性高、雙面冷卻和高功率密度等特性， 突破了傳統器件鍵合點和焊料層失效的瓶頸問題。浙江大學[10] 設計提出的碳化硅雙面冷卻壓裝模塊結構如 圖4所示，該結構通過在薄膜中介層中采用微型柔性壓 腳來實現器件頂部電熱連接。值得注意的是，由于該 壓裝模塊的散熱器被涵蓋在功率回路中，為避免引入 過大寄生電感，設計了基于低溫共燒結陶瓷 （LTCC） 的超薄微通道結構，其結流熱阻為0.7 K/W。

1.2 冷卻集成封裝技術

針對傳統平面封裝或上述雙面冷卻封裝的研究大 多將散熱器獨立于模塊封裝以外，因此，需要引入低 導熱系數[1~20 W/(m·K)]的熱界面材料，以減小接觸熱 阻，而這會顯著增加模塊的結流熱阻。因此，為應對 日益增長的碳化硅功率模塊冷卻需求，需要進一步減 少或消除熱路徑中的許多封裝層，從而降低熱阻。

1.2.1 散熱基板液體冷卻

2014年，美國橡樹嶺國家實驗室率先開展了碳化硅 功率模塊集成液冷研究，并指出冷卻集成功率模塊的結 流熱阻比傳統封裝模塊對應值低30%。散熱基板的形 式也歷經針翅陣列、波狀帶翅片、ShowerPower三維流道（流道結構如圖5所示）和雙層逆流流道等不同 拓撲演變，其中針翅陣列和三維流道由于其均溫效果 好、安裝簡單等優點，已經成為主流散熱方式，被廣泛 應用在英飛凌和丹福斯等廠商的功率模塊產品中。

1.2.2絕緣覆銅基板嵌入式冷卻

為了進一步縮短熱流傳遞路徑，絕緣覆銅基板集 成式冷卻技術也被提出。該技術通過激光刻蝕或干 法刻蝕等工藝在絕緣襯底中加工出寬度僅為百微米級 別的微流道結構，從而充分利用微通道的對流散熱能 力，降低封裝結流熱阻。在此基礎上，斯坦福大學提出了一種基于覆銅絕緣陶瓷基板激光刻蝕的多層歧 管微流道功率模塊結構原型，其單位面積結流熱阻為 0.2 cm2·K/W。北京大學則在絕緣碳化硅襯底中構建了 梯度嵌入式微型針翅，并利用晶圓鍵合和納米銀燒結工 藝，制備了碳化硅襯底覆銅絕緣基板，最終封裝得到的 功率模塊相比普通的基板液冷方案，其結至流體的熱阻 下降了78.9%。上述絕緣基板嵌入式冷卻方法可削弱陶 瓷基板導熱熱阻在結流熱阻中的占比，顯著提高冷卻能 效，但由于微流道刻蝕工藝復雜、封裝熱力可靠性不 明，其具體封裝工藝和拓撲結構有待進一步優化研究。

1.2.3無絕緣基板直接冷卻封裝

常用的絕緣陶瓷基板材料，如氧化鋁、氮化鋁和氮 化硅等，相較于常規的銅鋁金屬材料，具有相對較低的 導熱系數，其熱阻和可靠性會對功率模塊的整體性能產 生重要影響。為消除其影響，美國相關機構于2017 年提出了采用電子冷卻液直接冷卻的無絕緣基板封裝技 術，以突破傳統封裝的散熱、可靠性和寄生電感挑戰。該結構將功率器件直接堆疊在銅質散熱器層之間，并通 過芯片頂部和底部的散熱器實現直接接觸式冷卻，最終 的封裝單位面積結流熱阻為0.25 cm2·K/W。

這種設計可消除單一功能組件，使得散熱器同時 承擔電氣連接與冷卻2種功能，大幅減少封裝熱阻，但 是，由于電氣絕緣冷卻液的導熱率低、散熱面積有限， 其冷卻效率受限。受此啟發，西安交通大學設計制 備了三維垂直堆疊無絕緣基板功率模塊，模塊結構如 圖6所示，其中的一個散熱器被直接嵌入到輸出功率端 子中，相較于外側雙面液冷方案，該內嵌散熱器可將 芯片最大結溫降低33.8%。

三維垂直堆疊功率模塊封裝對多層鍵合或焊接時 的垂直高度有精確要求，這也使得其制備過程較為復 雜，增加了廣泛應用的難度。美國國家可再生能源實驗室則基于電子冷卻液冷卻提出了一種無基板緊湊 型功率模塊冷卻集成封裝結構，如圖7所示，該結構通 過將芯片直接焊接到銅質翅片散熱器上，在直流輸入 和交流輸出2個電位上采用不同的散熱器，并在散熱器 背面使用優化設計得到的分流層，引導流體直接沖擊 翅片表面，實現了低至 0.19 cm2·K/W 的熱阻。與同等 條件下的常規液體基板冷卻方案相比，該方案的熱阻 下降約56%，泵功率下降約90%。

無絕緣基板冷卻集成封裝方案是近年來針對功率芯片高熱流密度散熱需求提出的一種全新的封裝結構， 其可充分利用功率芯片的正面與背面的熱傳導擴散作 用，同時消除了導熱熱阻較大的絕緣基板，是超高功 率密度碳化硅模塊封裝的重要發展方向。

2 碳化硅功率模塊熱管理技術

相較于直接改變功率模塊的整體封裝結構或減少封 裝層數的方案，通過引入熱擴散裝置、對流換熱技術和 相變散熱技術等先進熱管理方法，可在盡可能保持現存 封裝結構的基礎上，為高熱流密度碳化硅功率芯片提供 可靠冷卻。因此，先進的外部熱管理技術在冷卻集成封 裝和封裝外部熱管理方面均有著廣闊的應用前景。

2.1 熱擴散裝置

熱擴散裝置可利用工質氣液相變的均溫性和熱質 傳遞能力，將局部集聚的高密度熱流快速擴散至更大 表面積。熱管就是一種理想的熱擴散裝置，其內部工 質始終工作于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發端流動至冷 凝端的壓降較小，因此熱管兩端具有較小的溫差。利 用熱管或其變形結構 （如環路熱管、脈動熱管、重力 熱管和均溫板等） 可顯著提升電力電子設備冷卻效果。值得注意的是，熱管這類熱擴散裝置的主要作用只是 將蒸發側局部集中熱流相對均勻地擴散到冷凝側，而 熱量的散發最終仍需依靠冷凝側外部散熱器，這種裝 置工作可靠、無須外部冷卻介質，因此常與空氣冷卻 相結合使用，提升空氣冷卻能力。

2.1.1 環路熱管、脈動熱管和重力熱管

環路熱管由毛細泵、冷凝流道、儲液器和蒸發流 道組成，它們依次串聯形成循環回路。其中毛細結構 的芯吸作用作為驅動力，將功率器件產生的廢熱通過 工質的氣液相變從蒸發器傳遞至冷凝側。文獻[20]和文 獻[21]分別對環路熱管在IGBT功率模塊和汽車電子上 的應用進行了試驗探索，制備得到的環路熱管樣機可 實現 1.5 m 的長距離熱量傳輸，且在熱源溫度不超過 100 °C時，傳輸熱量功率超過了900 W。相較于環路熱管，脈動熱管的結構簡單緊湊，但 其脈動具有很大的偶然性，微通道內部氣液兩相脈動 流動導致工質的溫度、壓力和速度難以通過計算確定。美國相關機構將脈動熱管應用于全橋功率模塊的冷 卻，發現相較于傳統的空氣冷卻和冷板冷卻，其冷卻 溫度均勻性和散熱能力均更好。然而脈動熱管由大量 的微小脈動通道組成，難以完全覆蓋大尺寸和大功率 的功率模塊冷卻需求。因此，文獻[23]基于由三維U型 回轉毛細管陣列組成的脈動熱管開展功率器件冷卻研 究，發現在最高負荷（400 W）下，脈動熱管蒸發側到 空氣的熱阻低至0.13 K/W。然而，脈動熱管毛細管束 陣列在運行中易出現振動噪聲，這會影響其與底板及 功率模塊的界面連接可靠性。

重力熱管由于其無須毛細芯、價格低廉，也逐漸 應用于功率模塊的熱管理中。以往研究表明，傳統的 重力熱管可對熱損耗功率為6 kW的IGBT功率模塊有 效冷卻，同時還能解決IGBT模塊的局部高溫問題。南 京理工大學提出的一種自然冷卻型重力熱管散熱器的方案如圖8所示，該散熱器采用蒸發器取代傳統功率 模塊封裝中的金屬基板，可消除傳統重力熱管嵌入基 板所形成的接觸熱阻，大幅改善熱管的冷卻性能。

2.1.2 毛細芯熱管和均溫板

毛細芯熱管和均溫板的蒸發側和冷凝側換熱面均 有毛細芯吸結構，可促進蒸發表面的薄膜蒸發以及凝 結液的快速回流。典型毛細芯結構包括微溝槽、金屬 絲網和燒結粉末等，因其穩定散熱能力而被廣泛應用 于處理器芯片和移動電子設備的熱管理中，在功率模 塊的熱管理方面也得到越來越多關注。

在毛細芯熱管方面，長沙理工大學設計了一種 面向功率模塊冷卻的三維異形平板熱管，其蒸發側采 用平板塊狀設計，而冷凝側則沿用傳統管狀陣列結構， 對比發現該異形結構可將熱源面溫度降低6.7~13.7 °C， 其最大等效導熱系數可達 10 000 W/(m·K)以上。類似 地，西安交通大學針對多電平變換器中功率模塊的 冷卻需求，基于功率模塊的三維熱力仿真，通過匹配熱管與芯片排布位置實現熱擴散最大化，設計得到如 圖9所示的O型熱管散熱器，該散熱器最高可將局部熱點溫度降低20%。

與熱管不同，均溫板具有輕薄緊湊的結構和出色 的面內橫向熱擴散能力，可集成在功率模塊內，顯著 降低結殼熱阻。中車株洲電力機車研究所有限公司在功率模塊與散熱器之間直接添加均溫板開展散熱測 試，測試結果表明均溫板可將散熱器溫升降低12.7 K， 且使得功率器件的溫度不均勻性指數下降超過 55%。諾丁漢大學和丹尼克斯公司則采用均溫板直接替代 功率模塊的金屬基板，使得結溫、溫度不均勻性和總 熱阻相較于傳統封裝分別下降34.6%、76.6%和41.6%， 可見均溫板的高效熱擴散能力可為功率模塊緊湊封裝 設計提供新的解決方案；同時他們還通過三維有限元 仿真驗證了均溫板對熱應力、蠕變、塑性應變的能量 耗散及熱疲勞壽命等的改善作用。

在碳化硅模塊應用方面，西安交通大學則采用 類似方案，針對多電平變流器中非均勻熱流功率芯片 的冷卻需求，評估了均溫板對芯片溫度均勻性和溫度 波動特性的影響，試驗發現嵌入均溫板后模塊最高溫 度以及溫度極值差分別下降了 11.1% 和 18.7%。此外， 他們還探索了將均溫板嵌入到碳化硅功率芯片與覆銅 陶瓷基板之間的封裝結構（如圖10所示），結果發現 該模塊可在芯片熱流密度高達 632 W/cm2的條件下運 行，且芯片結溫仍在允許范圍內。但需要注意的是， 受目前均溫板的熱質傳遞能力限制，直接嵌入在芯片 底部的均溫板體積較大，可能會帶來寄生電感、鍵合 線可靠性等問題。

2.2 對流換熱技術

對于高熱流密度碳化硅功率器件，對流換熱相較 于輻射冷卻等散熱方式而言，能夠提供相對較強的冷 卻能力，是將熱量傳遞至環境中所必須的熱管理手段。對流冷卻技術按冷卻工質分類，可分為空氣冷卻和液 體冷卻2類，其中空氣冷卻由于技術成熟、結構簡單和 易于獲取等優勢，已成為各類電力電子器件冷卻的首 選方案。然而功率器件熱流密度的不斷增長也使得先 進液體冷卻技術成為高功率密度碳化硅模塊熱管理的 發展趨勢之一，微射流沖擊和微通道單相對流等高效 液冷技術受到日益廣泛的關注。

2.2.1 射流沖擊冷卻

由于流體的直接沖擊作用，射流沖擊可提供遠優 于常規對流換熱方式的換熱性能，然而劇烈的流體沖 擊和方向轉折往往會帶來較大的流體壓降，因此，合 理的流體分配是提高冷卻能效的關鍵。佐治亞理工學 院提出了一種DBC嵌入式針翅射流冷卻方案如圖11 所示，并結合仿真與試驗得出，相較于基板直接針翅 結構，該方法可將結至流體的總熱阻減小37.3%（逆變 器冷卻總流量為 10 L/min）。歐洲微電子研究中心設計制備了噴嘴直徑為500 μm的4 × 4射流陣列冷卻裝 置，其熱阻低至0.25 K/W （0.16 cm2·K/W），該裝置在 熱源區域內呈現出良好的溫度均勻性。在應用方面， Teledyne科技公司設計制備了射流冷卻高溫碳化硅功 率模塊，試驗結果表明在 151 W 的熱功耗下，射流沖 擊可將器件溫升下降 74%，其性能要優于商用微通道 散熱器。亞琛工業大學則提出了針對單個電力電子 芯片的獨立射流腔室冷卻方案，削弱器件間的熱耦合 作用，從而提升溫度分布均勻性。

射流冷卻結構可緊湊嵌入到器件封裝結構中來實 現復雜電熱耦合，而其中的關鍵點在于根據電熱系統 參數間的相互影響來構建并優化電熱結構[37] 。因此， 如何結合各類優化方法 （如遺傳算法、神經網絡等） 來開展面向優化目標 （冷卻溫度均勻性、冷卻能效和 熱阻等） 的電熱協同設計，是先進射流沖擊方法在碳 化硅模塊封裝熱管理中應用的關鍵科學問題。

2.2.2 微通道單相對流冷卻

微通道因其較大的表面積體積比而成為高功率密 度電子器件高效冷卻最有前景的技術方向之一。微通道一般指水力直徑在幾十或幾百微米量級的微小通道， 常以微通道陣列的方式出現以滿足大面積冷卻需求。

格勒諾波爾電氣工程實驗室提出了一種基于集 成微通道冷卻器的高效冷卻功率器件概念，微通道陣 列直接由多個相互平行且垂直穿過晶圓的流體過孔組成，流體將直接進入垂直功率器件的漂移區并垂直于 器件的 PN 結，從而實現極致緊湊散熱。試驗結果表 明，該結構存在電氣和熱管理上的理論可行性，但其 測試熱阻和理論值偏差較大，且熱阻值較大。

雖然隨著微通道水力直徑的減小，其換熱性能會 隨之改善，但由此帶來的壓降上升將導致冷卻系統效 率降低，因此需要采用包括歧管微通道和雙層逆流 微通道在內的結構來實現液體的高效利用。西安交通大學[提出了面向功率模塊的基板逆流微通道冷卻集 成設計方案，并發現短流程微通道冷卻方案的冷卻能 效系數可達長流程方案的 6 倍以上。洛桑聯邦理工學院則采用了多個微流體冷卻器，并提出一種高效冷 卻的氮化鎵DC-DC變換器方案，其裝置如圖12所示， 裝置引入了2個歧管分流層來實現對20個氮化鎵晶體管的均勻液體冷卻，結果表明在 60 K溫升下該方案可 實現對高達600 W熱量的可靠冷卻。

目前微通道單相冷卻技術已經可以滿足熱流密度 高達1 000 W/cm2的單芯片可靠冷卻，但在功率模塊多 芯片冷卻應用中還存在通道過小易于堵塞、各芯片 冷卻不均等問題，因此如何通過優化封裝工藝來實 現可靠流體分配與均勻冷卻是技術應用的關鍵問題。微通道液體冷卻裝置常采用的工質包括水、防凍液 和電子冷卻液等，這些工質相對較低的流體導熱系數導 致其冷卻能效較低。液態金屬作為一種高導熱流體，近 年來也逐漸被用于微通道冷卻裝置。以往試驗研究表明 ，在相同的微通道結構條件下，采用銦稼錫合金材料作為冷卻工質時其對流熱阻僅為水的60%。此外，液 態金屬可通過電磁泵流量主動控制和液滴主動熱開關等方式集成在熱管理系統中來幫助實現芯片結溫的 主動調控，減小芯片間溫差和溫度波動幅度。

2.3 相變散熱技術

受限于工質有限的熱容和導熱系數，單相對流換 熱技術的換熱系數往往較低；相變散熱技術充分利用了工質的相變潛熱，因此其冷卻效率和均溫性均顯著 優于單相對流換熱，因此，相變冷卻技術是高功率密 度碳化硅功率模塊冷卻的重要發展方向。

2.3.1 相變材料

由于碳化硅功率芯片的尺寸大幅減小，其對應的熱 容顯著下降，因此在相同工況下，碳化硅功率器件面臨 更加嚴峻的由溫度波動帶來的熱可靠性問題。不同于熱 擴散裝置，相變材料（PCM）主要利用固液相變潛熱來 實現功率器件瞬態熱量的“削峰填谷”（材料融化可吸 收瞬態尖峰熱流，材料凝固可釋放熱量），因此可將其 作為一種減小器件溫度瞬態波動的有效熱管理手段。

重慶大學開展了面向平面封裝IGBT模塊 、壓裝封裝模塊 、晶閘管和整流器等多種傳統功率器件 的PCM熱緩沖特性研究，在封裝結構中嵌入低熔點合 金相變材料，并通過試驗驗證了固液相變材料對瞬態 過電流工況或周期性波動熱流工況的結溫鉗制作用， PCM材料可減小功率模塊的最高結溫以及結溫波動值， 提高功率模塊可靠性。在碳化硅功率模塊應用方面， 浙江大學基于數值仿真開展了嵌入PCM的碳化硅功率 模塊封裝結構優化研究，封裝結構如圖13所示，并 提出一種枝干狀的相變材料容器及其對應封裝結構， 能夠降低碳化硅器件結溫波動極值差12 K以上。

目前，相變材料展現出優異的瞬態熱管理潛力， 理想的相變材料應具備儲熱密度高、體積熱膨脹率小、 物化性質穩定和熱導率高等特點，如何進一步提高相 變材料的瞬態響應速度、儲熱密度和長期穩定性是該 技術發展的重要方向。在碳化硅器件應用方面，目前 針對碳化硅功率模塊的PCM封裝工藝和PCM瞬態熱作 用機理的研究都存在較大不足。

2.3.2 氣液兩相冷卻

氣液兩相對流冷卻可充分利用冷卻工質的氣液相 變潛熱，同時氣液相界面溫度被恒定在飽和溫度，因 此其冷卻能效要顯著優于單相對流。根據流動形式差 異，氣液兩相冷卻可細分為池沸騰和流動沸騰。

其中池沸騰即大空間浸沒式相變冷卻，待冷卻器 件被直接放置在電子冷卻液中，通過表面的液體氣化 吸熱來實現冷卻。3M 公司開展了 IGBT 模組的浸沒相變冷卻原型試驗，結果表明被動式兩相浸沒冷卻性 能與雙面微通道水冷的功率模塊性能相當，且其封裝 結構可顯著簡化，無須外部泵、冷板以及DBC絕緣基板等。西安交通大學則將浸沒式相變冷卻技術應用 于高壓高速脈沖發生器冷卻中，結果表明使用該冷卻 方法可在不改變原有電路排布的前提下降低殼至環境 的熱阻。作為一種被動的高效冷卻方法，目前針對碳 化硅功率模塊的浸沒式冷卻研究仍較少，存在池沸騰 換熱性能不足、微納多孔相變換熱表面耐久性差、浸沒式冷卻系統密封要求較高以及工質兼容性等問題。

通過結合微通道高效對流換熱和相變換熱，流動沸 騰可實現高熱流密度的高效冷卻。代爾夫特理工大學采用制冷劑R1234yf和熱測試芯片，對通道截面為0.5 mm×6 mm的微通道陣列開展了兩相冷卻性能測試，結 果表明該裝置可滿足高達526 W/cm2的芯片熱流密度的冷卻需求，且結溫低于120 °C；他們還指出平行微通道 在流程方向上存在顯著的冷卻不均。巴斯克大學結合試驗與數值模擬研究發現，相較于單相水冷卻，采用制 冷劑R134a的流動沸騰冷卻可將IGBT器件的結溫降低 39 °C，且兩相冷卻時各芯片間的溫度均勻性顯著提高。

流動沸騰有著更高的冷卻性能，但面臨著氣液兩 相流動存在不穩定性、工質循環系統密封要求高、兩 相流體分配不均以及相間復雜作用難以準確建模等挑 戰，目前仍需更多相關研究以填補上述空白。

3 結論

碳化硅功率模塊的冷卻系統設計已經逐漸成為其 應用的關鍵組成部分，為滿足日益增長的功率密度和模塊可靠性需求，先進熱管理技術必須與其封裝緊密結合，才能獲得最大收益。本文對現有的主要碳化硅 功率模塊封裝冷卻形式以及熱管理技術進行了較全面的綜述總結。

在封裝層面，雙面冷卻和冷卻集成是高功率密度碳 化硅模塊封裝的發展趨勢，在未來的功率模塊封裝中， 減少芯片散熱路徑上的導熱熱阻是先進封裝熱管理的關鍵，其主要措施包括充分利用芯片頂部散熱（采用更大 面積的頂部接頭）、采用散熱基板集成冷卻、DBC集成 冷卻或直接液冷封裝等。需結合碳化硅功率模塊封裝工藝和應用場景，開發兼容的熱管理集成技術，評估其對 模塊熱學和電學性能的影響，研究冷卻工質和封裝結構 對電氣絕緣以及模塊可靠性的影響機制。

在熱管理技術方面，采用熱擴散裝置尤其是熱管 和均溫板是有效提升現有碳化硅功率模塊空氣或液體 冷卻性能的重要手段，需要對瞬態工況下裝置的啟動 性能以及功率模塊的可靠性開展進一步研究。相變材 料作為一種特殊的儲熱元件，有望作為碳化硅模塊熱容的補充，減小結溫的波動幅度從而提升模塊可靠性。射流、微通道單相對流和氣液兩相冷卻等方式可滿足超高功率密度模塊的冷卻需求，需要結合流體分配和器件排布，形成碳化硅模塊電熱協同設計方法，以指導具體應用的定制化熱管理設計，滿足結溫控制、均溫性和封裝結構等多方面的限制。

由于技術迭代或變化的漸進性，目前碳化硅模塊 封裝供應商仍傾向于沿用硅基功率模塊封裝的技術路線，因而正在研究的新型封裝和先進熱管理技術仍需 更充分地驗證與進一步完善才能實現廣泛應用。

審核編輯：湯梓紅