新能源汽车功率模块陶瓷基板 PCB 散热设计
来源：捷配
时间: 2025/11/10 09:06:55
阅读: 25
1. 引言?
随着新能源汽车向高续航、快充升级，功率模块（IGBT / 碳化硅器件）的功率密度已达 200W/cm²，传统 FR-4 基板（导热系数 0.3W/(m?K)）因散热不足，导致器件 junction 温度超 150℃，故障率上升 30%—— 某车企曾因功率模块 PCB 散热失效，出现 12% 的整车动力中断故障，召回成本超 2 亿元。陶瓷基板 PCB（导热系数 150~280W/(m?K)）成为解决高功率散热的核心方案，捷配深耕陶瓷基板 PCB 领域 5 年，累计交付 60 万 + 片新能源汽车功率模块 PCB，全部通过 AEC-Q200 认证。本文拆解陶瓷基板 PCB 散热设计核心原理、AlN/Al?O?选型标准及量产工艺，助力车企提升功率模块稳定性。
?
2. 核心技术解析?
新能源汽车陶瓷基板 PCB 散热设计需遵循AEC-Q200（汽车电子元件可靠性标准）Clause 8 及IPC-2221 陶瓷基板附录，核心关联三大技术要素：?
一是陶瓷基材导热系数，主流陶瓷基材中，氮化铝（AlN） 导热系数 180~280W/(m?K)，适配 800V 高压平台功率模块；氧化铝（Al?O?） 导热系数 150~200W/(m?K)，适用于 400V 平台，两者均远优于 FR-4（0.3W/(m?K)），捷配测试显示，AlN 基板可使器件 junction 温度降低 45℃；二是金属化层设计，陶瓷基板表面需覆铜（厚度 0.3mm~0.5mm）作为散热通道，铜层厚度每增加 0.1mm，散热效率提升 12%，但需控制热膨胀系数（CTE）匹配 ——AlN 与铜的 CTE 偏差≤3ppm/℃，避免热循环后分层，符合IPC-A-600G Class 3 标准；三是散热结构，功率器件焊盘需设计散热过孔（孔径 0.5mm，间距 2mm），过孔填充率≥95%，按GB/T 4677 第 5.3 条款，过孔散热效率比无过孔提升 30%。?
此外，陶瓷基板 PCB 需承受 - 40℃~150℃高低温循环（1000 次），按AEC-Q200 Clause 4.2 要求，循环后无开裂、分层，焊点剪切强度≥15N，捷配实验室通过高低温循环箱（JPE-TH-300）验证，AlN 基板通过率 100%。?
3. 实操方案?
3.1 散热设计三步法（操作要点 + 数据标准 + 工具 / 材料）?
- 基材选型：800V 高压平台（如比亚迪刀片电池车型）选用AlN 陶瓷基板（导热系数≥200W/(m?K)，厚度 0.63mm），400V 平台选用Al?O?陶瓷基板（导热系数≥180W/(m?K)，厚度 0.5mm），需通过捷配 “陶瓷基材导热系数测试”（用激光闪射仪 JPE-LaserFlash-100 测试，数据偏差≤±5%）；?
- 金属化与布局：铜层厚度设为 0.4mm（适配 200W/cm² 功率密度），采用 “直接覆铜（DBC）工艺”，铜层附着力≥30N/cm（按 IPC-TM-650 2.4.8 标准测试）；功率器件焊盘面积≥器件底部面积的 1.2 倍，焊盘间距≥3mm，避免热聚集，用捷配 PCB 布局软件（JPE-Layout 6.0）自动生成散热优化布局；?
- 散热结构优化：在 IGBT 器件焊盘处设计 4×4 阵列散热过孔（孔径 0.5mm，镀铜厚度≥20μm），过孔填充率用 X-Ray 检测（JPE-XR-800）≥95%；基板底部贴合铝散热片（厚度 2mm），采用导热硅脂（导热系数≥3.0W/(m?K)，如道康宁 TC-5022）粘接，粘接层厚度≤0.1mm。?
3.2 量产工艺管控（操作要点 + 数据标准 + 工具 / 材料）?
- DBC 工艺控制：AlN 陶瓷与铜箔压合温度 780℃±10℃，压力 3MPa，保温时间 30min，捷配 DBC 生产线（JPE-DBC-500）配备实时温度压力监控，参数偏差≤±2%；?
- 焊接工艺：采用真空回流焊，峰值温度 260℃±5℃，保温时间 10s，焊料选用SnAg3.0Cu0.5（熔点 217℃），符合 AEC-Q200 焊料要求，焊点空洞率≤3%（IPC-A-610G Class 3 标准）；?
- 可靠性测试：每批次抽检 20 片，进行 1000 次高低温循环（-40℃~150℃）、振动测试（10~2000Hz，10g），测试后用拉力计（JPE-Pull-200）检测焊点剪切强度≥15N，不合格品立即追溯工艺参数。?
?
新能源汽车陶瓷基板 PCB 散热设计需 “基材选型 + 金属化工艺 + 散热结构” 三位一体，核心是匹配功率模块的导热需求与 AEC-Q200 可靠性要求。捷配可提供 “陶瓷基板定制 + 工艺优化 + 可靠性测试” 一体化服务：支持 AlN/Al?O?陶瓷基板全厚度定制（0.3mm~1.0mm），DBC 工艺良率≥99.2%，实验室可提供 AEC-Q200 全项测试报告。
微信公众号
微信小程序
抖音视频号
浙公网安备 33010502006866号