碳化硅功率半导体正将功率密度和开关频率推向新的高度——同时也将冷却技术推至传统模块的物理极限。罗杰斯公司提出的全新概念——curamik® DirectCool 解决方案——将微通道冷却器直接集成到基板中，并在制造过程中将其与陶瓷结合。这将热路径缩短至绝对最小值，从而能够在极小的空间内可靠地移除高热流密度。

随着 SIC mosfet 的使用，电力电子技术的极限正在显著改变。更高的结温、显著缩短的开关时间及相应的高 dv/dt 和 di/dt 值，以及在系统级以大幅提高的开关频率运行的能力，使得模块更加紧凑，能够在相同面积内提供更多功率。然而，这些优势是有代价的：功率损耗集中在非常小的区域，通常甚至以具有极端热流密度的热点形式出现。

这种在理论上看似提高效率的特性，在实践中迅速转变为一项热管理挑战。真正的限制并非来自半导体器件本身，而是来自从芯片到冷却剂的热路径。半导体与冷却器之间的每一个额外层都会延长这条路径，增加热阻，同时代表着老化和失效机制的潜在薄弱点。

传统冷却方案的局限性

传统模块概念基于安装在厚重底板上的基板，并通过导热膏或间隙填充材料连接到外部冷板。热流必须经过多个界面：从有源半导体表面，经过金属化层、陶瓷、铜、连接层和热界面材料层，最后才能到达冷板。其后果是半导体温度升高、单个模块行为差异变大，以及由于泵出或开裂等老化效应导致早期失效的风险增加。同时，整个模块的体积增大，对重量和所需安装空间产生负面影响——这些因素对于电动汽车应用中的逆变器和车载充电器尤为关键。

为减少这些缺点，大多数制造商现已开始将基板直接焊接或烧结到冷却器上。通过这种方式，不仅可以省去底板，还可以省去中间的 TIM 层，从而显著缩短热路径。然而，在完整模块组装完成后再将基板与冷却器结合，会带来额外的工艺步骤、材料、公差和良率损失。

curamik® 微通道冷却器作为关键使能技术

罗杰斯则更进一步：冷却器并非事后附加，而是在基板生产过程中直接集成。这消除了系统中的额外层，并在基板和冷却器之间建立了可靠、持久的结合。其基础是罗杰斯开发的微通道冷却器制造技术，该技术建立在超过 25 年应对高导热需求应用的经验之上。

该技术能够实现复杂的三维结构，显著提高传热效率和冷却表面积。同时，压降保持在汽车行业要求的 100 至 200 毫巴范围内，并符合规定的大于 1.0 毫米的通道宽度。严格来说，这些不再是经典的微通道，而是毫米级的结构。尽管如此，该概念仍实现了与微通道冷却器相当的效率。

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真正的诀窍——同时也是最大的挑战——在于在制造过程中、客户后续工艺中以及最终应用中可靠地控制基板翘曲。罗杰斯成功地实现了可控的翘曲行为，即使是在顶层布线侧具有 0.5 至 0.8 毫米铜层、背面具有厚度达 3 毫米冷却器的非对称堆叠结构下。这使得能够充分利用微通道冷却的优势，而无需在机械稳定性和可靠性方面做出任何妥协。

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实际应用中的热性能

在实际应用中，curamik DirectCool 概念的优势尤为明显。系统中额外层的消除显著降低了整体结-液热阻。现在，热量从半导体表面通过直接冷却的基板直接流入冷却器——无需额外界面。其性能在与弗劳恩霍夫可靠性与微集成研究所联合制作的演示器中得到了令人信服的展示。

测试基于一种特别紧凑的 6 合 1 模块架构。在面向应用的条件下——均方根电流 363 安培(三芯片)，最高结温 150 °C，冷却液温度 65 °C 和漏源电压 1200 V——测得结-液热阻 R_h,j-f = 0.158 K/W(流速 10 升/分钟)。对于电池接近耗尽、工作电压为 650V 的最恶劣工作点，这相当于计算出逆变器输出功率为 280 kVA，对应约 220 kW 的电机功率。

弗劳恩霍夫 IZM 将基板与智能且面向应用的电路和栅极驱动架构相结合，通过仿真确定模块的杂散电感(包括 DC+ 和 DC– 端子)为 3.23 nH。如此量级的功率密度，结合为可扩展性和成本效益而设计的制造理念，有潜力定义一个迄今为止无法实现的新标准。

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更轻、更坚固、更可持续——不仅仅是冷却

除了显著的热性能优势外，curamik DirectCool 概念还提供机械、系统级和生态方面的益处。通过省去厚重的底板、传统冷却组件并减小占板面积，模块重量可减轻高达 75%。这是一个主要优势，尤其在电动汽车领域，这直接转化为续航里程和效率的提升。同时，该概念顺应了小型化趋势，因为降低的总高度和体积显著减少了所需的安装空间。

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简化的结构也有助于大幅提高可靠性：更少的层数意味着更少可能发生老化或失效机制的界面。在广泛测试中，DirectCool 基板在气候箱中承受了超过 1,500 次温度在 -55 至 +150°C 之间的无源热循环负载——没有任何明显的疲劳迹象。这为其在汽车行业之外的应用开辟了潜力，汽车行业的典型负载规格通常在 -40 至 +125 °C 之间。

另一个优势在于资源效率。富含贵金属的中间层在很大程度上被避免，模块和系统制造商所需的材料和工艺要求也得以降低。这节省了工作量，降低了成本，并改善了经济和环境足迹。罗杰斯特别注重保证其所有创新都能为环境的可持续性做出可衡量的贡献。

重新构想模块设计

curamik DirectCool 概念远不止是冷却技术的进步——它正在突破未来碳化硅模块设计的边界。传统冷却解决方案正触及物理极限，而 DirectCool 则为模块架构开辟了新的自由度。设计工程师可以实现更紧凑、更高性能的模块，将更高的功率密度与增强的可靠性相结合。

因此，DirectCool 不仅代表着技术创新，更代表着电力电子领域效率和成本效益的新纪元。作为能够满足未来需求的关键技术，它为电力电子的进一步发展发出了明确的信号——并为工程师和公司创造了共同打造可持续且面向未来的解决方案的机会。