学术研究报告：基于直接金属化的无DBC功率模块及其近结水冷技术

作者及发表信息
本研究的核心作者包括Liang Wang（重庆大学/剑桥大学）、Jiakun Gong（重庆大学）、Teng Long（剑桥大学）、Frede Blaabjerg（奥尔堡大学）、Borong Hu（剑桥大学）、Yulei Wang（重庆大学/麦克马斯特大学）及Zheng Zeng（重庆大学）。研究成果发表于2024年6月的《IEEE Transactions on Power Electronics》第39卷第6期。

学术背景与研究目标
随着电力电子器件热通量（heat flux）的急剧增加（如SiC模块可达数kW/cm²），传统散热技术面临瓶颈。当前主流的间接水冷功率模块因多层异质材料（如DBC陶瓷、基板、热界面材料等）导致高热阻，限制了散热效率。本研究提出一种基于直接金属化技术（direct metallization）的无DBC（Direct Bonded Copper）功率模块设计，旨在通过消除多层结构实现近结水冷（near-junction water cooling），降低热阻并提升可靠性。研究目标包括：
1. 验证无DBC模块的热阻降低效果；
2. 分析其机械应力与疲劳特性；
3. 通过实验对比与传统模块的结温（junction temperature）差异。

研究流程与方法
1. 模块设计与仿真验证
- 结构设计：采用AlN（氮化铝）针翅散热器（pin-fin heatsink），通过直接镀铜（DPC, Direct Plated Copper）技术将铜电路图案直接键合于AlN表面，移除DBC陶瓷、下层铜、基板等5层结构（图3）。
- 热仿真：使用COMSOL Multiphysics软件对比四种模块（间接水冷、直接水冷、Al₂O₃/AlN无DBC模块）的温度分布。设定冷却液入口温度50°C，IGBT与二极管芯片功耗分别为51 W和26 W。结果显示，AlN无DBC模块最高结温为71°C，较间接/直接水冷模块降低25°C/12°C，热阻（Rthja）分别下降55%和37%（图5-6）。

1. 制造工艺

   • AlN散热器加工：采用锻造AlN块（88×69×8 mm）以避免3D打印的内部缺陷，通过CNC加工圆柱形针翅（直径3 mm，高6 mm）。
     
   • 金属化工艺：采用DPC技术，先磁控溅射Ti/Cu种子层，再电镀增厚铜层至300 μm，最后蚀刻电路图案。该技术可填充AlN表面空隙，降低接触热阻（图7）。
     

2. 可靠性分析

   • 机械应力：仿真显示无DBC模块的Von Mises应力（芯片下方焊料）和剪切应力（铜层）最低，分别为0.14×10⁷ N/m²（图8-9）。
     
   • 疲劳性能：ANSYS nCode模拟表明，AlN散热器在5 kPa水压下的最小疲劳寿命为1.77×10⁻¹，较铜散热器（1.77×10⁻⁴）高1000倍，归因于其更高的杨氏模量与抗拉强度（表III）。
     
   • 剥离强度：DPC铜层（0.3 mm厚）的剥离强度达6.0 N/mm，与DBC相当，且通过IPC-TM-650热应力测试（图11）。
     

3. 实验验证

   • 结温对比：在300 V/90 A条件下，无DBC模块的结温较间接/直接水冷模块降低28°C和11°C（图15-20）。最大结温升（δTj）从50°C降至21°C，降幅57%（图21-23）。
     
   • 流体速度影响：流速从2 L/min增至10 L/min时，无DBC模块的结温仅降低4°C，表明其低热阻优势不受流速显著影响（图24-26）。
     

主要结果与结论
1. 热性能突破：无DBC模块通过消除多层异质材料，将热阻降低55%，结温最大降幅达28°C，显著提升散热效率。
2. 可靠性验证：AlN散热器的机械应力、疲劳寿命及DPC工艺的剥离强度均满足高可靠性要求。
3. 应用价值：该设计为高功率密度模块（如电动汽车、可再生能源）提供了可行的近结冷却方案，同时为3D封装（如双面冷却模块）奠定技术基础（图29-30）。

研究亮点
1. 技术新颖性：首次提出无DBC功率模块概念，结合DPC金属化与AlN散热器，实现近结水冷。
2. 方法创新：采用DPC技术替代传统DBC，解决陶瓷表面不平整导致的键合难题，并兼容复杂结构（如六面金属化）。
3. 跨学科价值：融合材料科学（AlN加工）、力学仿真（ANSYS/COMSOL）与电力电子封装技术。

未来应用
直接金属化技术可扩展至高热导率材料（如单晶h-BN，730 W/m·K），并推动3D封装功率模块的开发，进一步降低寄生电感与体积（图29-30）。本研究为下一代高功率密度电子设备的散热设计提供了重要参考。