新封裝材料功率器件降低電子產(chǎn)品高能耗

　　隨著世界各國對節(jié)能減排的需求越來越迫切，如何降低電子電器產(chǎn)品的高能耗成為眼下的熱點話題之一。5月16日，國務院常務會議安排265億元資金，對符合節(jié)能標準的平板電視、空調(diào)、冰箱、洗衣機等產(chǎn)品進行補貼，就體現(xiàn)出國家在此問題上的政策導向。而要想實現(xiàn)家用電器等電子電器產(chǎn)品的節(jié)能降耗，功率半導體是不可或缺的元器件產(chǎn)品，如IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）和FRD（快恢復二極管）等均屬于該領域的重要產(chǎn)品。作為半導體產(chǎn)業(yè)中僅次于大規(guī)模集成電路的另一大分支，功率半導體在降低電路損耗和提高電源使用效率中，發(fā)揮著重要的作用，可說是信息技術與先進制造之間的橋梁。

　　功率半導體器件正從傳統(tǒng)的工業(yè)控制和4C領域向新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、變頻家電等諸多產(chǎn)業(yè)邁進。因此關注功率器件行業(yè)的技術發(fā)展趨勢，促進相關行業(yè)的發(fā)展至關重要。而從近日召開的PCIM ASIA 2012（電力電子、能源管理、可再生能源、智能運動）展上可以看出，當前行業(yè)內(nèi)主流公司在產(chǎn)品開發(fā)上越來越多體現(xiàn)出小型化，高可靠的特點，此外采用先進封裝技術和新型SiC材料也是主要關注對象。

　　產(chǎn)品開發(fā)關注可靠性與散熱性

　　家電中應用的功率半導體，小型化、更高的可靠性和散熱性將是非常重要的特性。

　　“如何在保證溫升?。ü男。┑幕A上，實現(xiàn)更高的能源轉(zhuǎn)換效率是功率半導體技術開發(fā)的主題?！边@是北京工業(yè)大學教授亢寶位在向記者講解時重點提出的。不過，從近兩年功率半導體產(chǎn)品開發(fā)趨勢上看，由于變頻家電越來越普及，越來越多的IGBT等產(chǎn)品被應用其中，特別中國現(xiàn)已成為全球家電產(chǎn)品的生產(chǎn)基地，家電業(yè)在年產(chǎn)值達到6000億元的同時，家電產(chǎn)品的耗電量也超過了中國總耗電量的15%，家電節(jié)能成為節(jié)能減排首當其沖的對象。而功率半導體在家電中應用，小型化將是一個非常重要的特性。為此，很多功率半導體企業(yè)近年來在產(chǎn)品的小型化上，下足了功夫。

　　對此，三菱電機董事技術總監(jiān)谷口豐聰即指出，在功率半導體最新的技術發(fā)展方面，IGBT芯片技術一直在進步。三菱電機開發(fā)的第三代IGBT是平板型的構造，第四代是勾槽型的構造，第五代成為CSTBT，第六代實現(xiàn)超薄化，目前正在開發(fā)的第七代IGBT，試圖把CSTBT的構造進一步微細化和超薄化，以改善關斷損耗對飽和壓降的折中比例，提高功率半導體的性能。此外，三菱推出的應用于變頻家電的第五代DIPIPMTM，特點之一即為超小型。DIPIPMTM為變頻家電功率轉(zhuǎn)換部分的核心元件，通過集成功率器件及其驅(qū)動保護芯片，可減少電力損耗，達到節(jié)能效果。以變頻家電為例：變頻空調(diào)比定速空調(diào)節(jié)電20%～30%;變頻冰箱比常規(guī)冰箱節(jié)電50%左右;變頻洗衣機比常規(guī)洗衣機節(jié)電50%左右，在節(jié)水方面變頻洗衣機比常規(guī)洗衣機節(jié)水30%～50%左右。

　　高可靠性也是近年來業(yè)界產(chǎn)品開發(fā)中關注的重點。因為受環(huán)保意識提高的影響，混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）等市場不斷擴大。而汽車有著很高的安全性要求，因而對用于汽車馬達驅(qū)動的功率半導體模塊的可靠性要求超出普通工業(yè)用途，為此很多企業(yè)在開發(fā)這一市場時，也非常強調(diào)可靠性能。如日前博世公司即推出用于混合電動汽車和純電動汽車的逆變器的IGBT半橋模塊MH6530C和MH6560C。

　　博世公司工作人員告訴記者，這兩款產(chǎn)品是專門為混合電動汽車和純電動汽車而設計的，HEV和EV都需要處理高強度電流，而空間是有限的，因此散熱是至關重要的，可確保其可靠性。MH6530C和MH6560C比傳統(tǒng)的工業(yè)功率封裝體積小很多，熱接觸性能非常出色。

　　在大電流功率模塊中，良好的散熱性與可靠性也非常重要。如三菱電機最新開發(fā)的新MPD系列IGBT模塊，在PCIM ASIA 2012中亮相，受到業(yè)界關注。新MPD系列IGBT模塊外型緊湊，采用新型無焊接AI基板，提供更高的溫度循環(huán)能力。

　　針對大電流專用的內(nèi)部結(jié)構采用專門的封裝，內(nèi)部封裝電感低。采用低損耗的CSTBT硅片技術制成的第6代IGBT模塊，有更寬的安全工作區(qū)，其硅片最高結(jié)溫可達175℃，硅片運行溫度最高可達150℃。為了提高散熱效率，新MPD專為水冷散熱系統(tǒng)設計，從而提高產(chǎn)品的性能。適用于大電機驅(qū)動、分散式電力發(fā)電（如風力發(fā)電）及大功率UPS等場合。

　　封裝技術將摒棄綁定線

　　SKiN技術摒棄了綁定線、焊接和導熱涂層，采用柔性箔片和燒結(jié)連接。

　　封裝是功率半導體器件中一個非常關鍵的技術，它關系到功率半導體器件是否能形成更高的功率密度，能否適用于更高的溫度、擁有更高的可用性、可靠性，更好地適應惡劣環(huán)境。功率半導體器件的封裝技術特點為：設計緊湊可靠、輸出功率大。其中的關鍵是使硅片與散熱器之間的熱阻達到最小，同樣使模塊輸人輸出接線端子之間的接觸阻抗最低。過去25年中，綁定線一直是連接芯片和DBC基板的主要方法。但據(jù)賽米控公司相關人員向記者介紹，正因綁定線連接達不到技術進步所帶來的更高電流密度要求，意味著產(chǎn)品的可靠性受到損害。目前該公司開發(fā)出一種革命性的功率半導體封裝SKiN技術，它摒棄了綁定線、焊接和導熱涂層，采用柔性箔片和燒結(jié)連接。與采用標準綁定線連接技術所實現(xiàn)的1.5A/cm2電流密度相比，新技術的電流密度實現(xiàn)了倍增，達到3A/cm2。因此，采用該技術的逆變器體積可以減少35%。

　　賽米控公司表示新技術帶來了更高的電流承載能力和10倍的功率循環(huán)能力。這對于過去使用限制性綁定線連接的電力電子技術來說是不可想象的。新的封裝中，燒結(jié)金屬箔片取代了芯片上的綁定線，芯片的下部燒結(jié)在DBC基板上。此封裝具有更佳的芯片熱連接和電氣連接性能，因為燒結(jié)層比焊層的熱阻小。燒結(jié)箔的整個表面與芯片相連，而接合線只在接觸點與芯片相連。得益于新封裝技術提供的高負載循環(huán)能力，器件可以運行在更高的溫度下。有了SKiN技術，現(xiàn)在有可能將一個3MW的風力發(fā)電轉(zhuǎn)換器放進一個開關柜中。另一個例子是用于混合動力汽車和電動汽車的90kW轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的體積比當今市場上最小的轉(zhuǎn)換器還小35%。

　　SiC功率器件腳步臨近

　　硅材料的節(jié)能能力已接近極限，部分企業(yè)把注意力放到碳化硅材料上。

　　SiC材料的采用也是功率半導體器件的主要技術趨勢之一。以前功率半導體器件都采用硅材料，但業(yè)內(nèi)人士認為硅材料的節(jié)能能力已經(jīng)接近極限，因此部分企業(yè)開始把注意力放到碳化硅材料的開發(fā)上。對此，谷口豐聰即指出，碳化硅半導體功率器件有四大優(yōu)點：第一，工作溫度范圍比較大，在高溫下也可工作;第二，低阻抗、耐高破壞性;第三，可高頻工作;第四，散熱性好。碳化硅的功率器件用在系統(tǒng)上有很多好處，功率的密度可以更高，體積可以更小，更加耐高電壓，設計容易，總體來講可以提高功率半導體的效率，運用的領域可以更加廣泛，更為方便。因此，三菱電機利用碳化硅生產(chǎn)出來的第一個產(chǎn)品，就是使用在高鐵上的變頻器、家用空調(diào)上的DIPIPMTM和風力發(fā)電變換器上的MOSFET器件。三菱電機在2010年在世界上首先開發(fā)成功搭載驅(qū)動電路和保護電路的全碳化硅IPM，與采用硅材料的IPM相比，電力消耗減少70%、器件體積減少50%。另外，三菱目前也將搭載碳化硅二極管的功率器件用于家用空調(diào)，并使之商品化，已在日本銷售。

　　羅姆半導體也于2010年4月開始SiC-SBD的量產(chǎn)，2010年12月開始SiC-MOSFET的量產(chǎn)。羅姆認為，SiC器件應用會在2012年走熱。一直以來，羅姆積極推進溝槽型SiC-MOSFET等產(chǎn)品的研究開發(fā)，通過將其量產(chǎn)化，早于其他公司率先推出領先一步的SiC元器件。羅姆認為電動汽車、混合動力汽車等也是SiC可以發(fā)揮的領域，對于新能源汽車來說，在控制方面電氣不可或缺?？傊?，碳化硅有著優(yōu)良的物理和電氣特性，可期待在電力變換容量、低耗等方面超越硅材料。