新型金刚石基复合散热基板的设计与仿真研究学术报告

作者及发表信息

本研究由BYD Automotive Industry Co., Ltd的团队完成，第一作者为Honghao Tang，通讯作者为Junsheng Wei，其他作者包括Jianpeng Wang、Rongting Zheng、Jing Cao和Guodong Zhu。研究成果发表于2024年25届国际电子封装技术会议（ICEPT），论文标题为《Design and Simulation Study of a Novel Diamond Based Composite Heat Dissipation Baseplate》。

学术背景

随着新能源汽车产业的快速发展，电驱动系统对高功率密度和高集成度的需求日益增长。功率模块作为电机控制器的核心部件，其封装技术面临散热能力不足的挑战。以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体器件具有高频、高温工作特性，但其高功率密度封装对散热基板的可靠性和导热性能提出了更严格的要求。传统功率模块采用DBC（Direct Bonded Copper，直接覆铜）/焊料/铜基板的三层结构，存在焊料层热阻高、热膨胀系数（CTE）不匹配导致的翘曲变形等问题。

本研究旨在设计一种新型金刚石基复合散热基板，通过材料创新（金刚石替代氧化铝陶瓷、金刚石-铜复合材料替代铜基板）和结构优化（取消焊料层和底层铜基板），缩短散热路径，提升模块的导热性能和机械稳定性。

研究流程

1. 材料选择与参数建模

研究团队对比了多种材料的特性：
- 传统材料：DBC绝缘层为氧化铝（Al₂O₃，导热系数27 W·m⁻¹·K⁻¹），铜基板导热系数384 W·m⁻¹·K⁻¹。
- 新型材料：金刚石（25℃时导热系数1239 W·m⁻¹·K⁻¹）替代氧化铝；金刚石-铜复合材料（导热系数742 W·m⁻¹·K⁻¹）替代铜基板。其他参数如热膨胀系数、弹性模量等均通过供应商数据校准（详见表1）。

2. 结构设计与仿真建模

• 传统结构：垂直堆叠层数为4层（芯片/DBC/焊料/铜基板），总厚度1.572 mm。
  
• 新型结构：取消焊料层和底层铜基板，采用金刚石集成基板，厚度缩减至0.852 mm，散热路径缩短46%。通过SolidWorks构建三维模型，并导入ANSYS进行网格划分（网格质量>0.7）。
  

3. 热仿真与应力仿真

• 热仿真：设定冷却液温度65℃、环境温度85℃，加载IGBT芯片损耗（3600 W）。对比两种结构的结温（Tj）分布。
  
• 应力仿真：模拟回流焊工艺（室温→280℃→220℃→室温），分析基板翘曲变形。传统结构需经历两次焊接（初级和次级焊料），而新型结构因取消焊料层，工艺步骤简化。
  

主要结果

1. 导热性能提升

• 结温对比：传统结构最高结温115.17℃，新型结构降至98.53℃，降低16.64℃。
  
• 原因分析：金刚石的高导热性（1239 W·m⁻¹·K⁻¹）显著优于氧化铝（27 W·m⁻¹·K⁻¹），且散热路径缩短减少了热阻。
  

2. 机械稳定性优化

• 翘曲变形：传统结构在回流焊后长度方向变形1.1365 mm，宽度方向0.715007 mm；新型结构分别降至0.39598 mm和0.2431203 mm。
  
• 应力分布：传统结构因CTE不匹配导致局部应力集中（红色云图区域），新型结构因金刚石的低热膨胀系数（3.05×10⁻⁶/K）和弹性模量（8.14 GPa vs. 传统铜基板110 GPa）大幅改善。
  

结论与价值

本研究通过材料创新和结构优化，提出了一种适用于高功率密度SiC模块的金刚石基复合散热基板，其科学价值和应用价值如下：
1. 科学价值：验证了金刚石材料在功率封装中的可行性，为高导热、低膨胀系数材料的设计提供了新思路。
2. 应用价值：解决了传统模块因焊料层导致的可靠性问题，简化了封装工艺，可直接应用于新能源汽车、工业变频等领域。

研究亮点

1. 材料创新：首次将金刚石和金刚石-铜复合材料集成于功率模块基板。
   
2. 结构突破：取消焊料层，实现单层金刚石基板与芯片的直接散热。
   
3. 工艺简化：消除回流焊步骤，降低制造成本和失效风险。
   

其他发现

仿真结果表明，新型基板的翘曲方向从传统结构的“下凹”变为“上凸”，这一现象与材料CTE的匹配性直接相关，为后续预弯工艺设计提供了理论依据。

（注：文献引用部分已省略，详见原文参考文献[1]-[21]。）