能量轉(zhuǎn)換功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的需求挑戰(zhàn)

　　新的環(huán)境政策特別重點(diǎn)關(guān)注全球可再生能源的發(fā)展，特別是風(fēng)能和太陽能發(fā)電以及能源利用效率的提高。這兩個目標(biāo)對電力電子具有相當(dāng)大的影響，電力電子原先的目的是效率控制和電能轉(zhuǎn)換。因此，功率半導(dǎo)體元件必須滿足效率、使用壽命和結(jié)構(gòu)緊湊性方面的新要求。制造商正努力開發(fā)新的組裝和連接技術(shù)，提供更高的電流密度和可靠的芯片溫度，以及利用新的半導(dǎo)體材料以滿足這些非常的需求。

　　在未來20年里，全球初級能源的需求將以每年平均約2％水平增長。到2030年需求將增加50％。目前，初級能源中三分之一專門用于發(fā)電。2004年，全球電能的平均消耗約為120億千瓦時（來源：CPES 2004）。其中40％是用于驅(qū)動——在大多數(shù)情況下驅(qū)動的是非受控電機(jī)。

圖1：德國可再生能源在初級能源消費(fèi)中的比例

氣候政策的再思考
　　如今，初級能源需求的大部分是通過燃燒如石油、天然氣和煤炭化石燃料來滿足的，這極大地加速了全球的溫室效應(yīng)。近年來，對全球變暖不利影響認(rèn)識的增強(qiáng)，產(chǎn)生了減少溫室氣體排放目標(biāo)這一概念。新氣候政策的一個基石是全球可再生能源發(fā)展和擴(kuò)展以及能源效率的提高。

　　歐洲是現(xiàn)代能源和氣候政策的先驅(qū)，德國是利用新能源技術(shù)方面一個最好的例證。鑒于到2020年，要實(shí)現(xiàn)減少14%的二氧化碳排放量（與2005年的排放量相比）的目標(biāo)，到2020年可再生能源在初級能源消耗中的比例要增加到18％（2005年為6%）。對于德國總電力消費(fèi)來說，這意味著到2020年可再生能源的份額將增加一倍，如圖2所示。展望未來，到2050年計劃可再生能源的份額達(dá)到70%。

　　今天，風(fēng)力發(fā)電是再生能源中最大的細(xì)分市場。在德國，風(fēng)能擁有45％的市場份額，其后分別是生物發(fā)電、水力發(fā)電和太陽能發(fā)電。 （資料來源：德國環(huán)境部，2008年3月）

圖2：德國可再生能源在總能源消耗量中的比例

降低電力成本
　　與政治要求的實(shí)施和由凈計量項目提供財政獎勵平行的是，可再生發(fā)電的成本正逐步下降。以仍被認(rèn)為是最昂貴的傳統(tǒng)發(fā)電替代方案的太陽能發(fā)電為例。 2008年9月，一個晶體太陽能電池組件的價格大約為€3.5/Watt；如今，恰恰相反，可比模塊的成本低了35％。這得益于過剩的生產(chǎn)能力，激烈的競爭，特別是來自中國的制造商，往批量生產(chǎn)的過渡，以及最后但并非最不重要的一點(diǎn)，即對硅原料市場的放松。到2010年底，價格有可能低到€1/Watt。由于這些成本因素，采用太陽能發(fā)電產(chǎn)生一千瓦時的成本將進(jìn)入傳統(tǒng)發(fā)電方式的成本范圍（來源：明鏡在線，2009年3月；光子）。

受益的功率半導(dǎo)體行業(yè)
　　功率半導(dǎo)體行業(yè)將在兩方面受益于可再生能源市場即將到來的增長。首先，能量轉(zhuǎn)換自身需要功率半導(dǎo)體，例如，風(fēng)力發(fā)電站中的逆變器。其次，半導(dǎo)體是變速驅(qū)動器的核心元件，而變速驅(qū)動器又是風(fēng)能、太陽能和生物沼氣能裝機(jī)中不可缺少的。這種控制驅(qū)動器用于如根據(jù)太陽移動路徑調(diào)整太陽能電池板的太陽跟蹤器或用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最佳葉片間距的調(diào)整。在生物沼氣工廠，控制驅(qū)動器負(fù)責(zé)生物材料的精確投入和混合。

　　由于其技術(shù)優(yōu)勢以及對用戶友好的原因，模塊主要被用作可再生發(fā)電應(yīng)用中的電子開關(guān)。一個模塊包括一塊硅芯片、一塊絕緣的陶瓷襯底以及一個提供必需功率連接的模塊外殼。這些模塊按照組裝和連接技術(shù)以及集成的程度有不同的版本，比如包含集成驅(qū)動器、電流傳感器和散熱器。

圖3：不同功率模塊的剖面圖；左：標(biāo)準(zhǔn)IGBT半橋模塊；右：智能功率模塊（IPM），包含半導(dǎo)體芯片、絕緣材料、帶保護(hù)傳感器的驅(qū)動器、電流傳感器和散熱器。
　　2008年，用于可再生能源應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊的份額僅為模塊市場的7.5％。也就是說，這個市場擁有25％的最快年平均增長率。到2012年，該市場預(yù)計將產(chǎn)生3.8億美元的銷售額（資料來源：IMS的季度報告，2009年2月）。

　　風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電中，由于要保障經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，因而供電可靠性是首要任務(wù)。其次為高效率和系統(tǒng)的緊湊性。對于功率半導(dǎo)體制造商來說，這意味著特別困難的挑戰(zhàn)：如何滿足這些在某些方面存在相互沖突的要求。此外，隨著逆變器功率的增大，并聯(lián)模塊連接和熱管理將變得越來越重要。以一臺輸出為3MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例：約45kW的熱損耗發(fā)生在功率半導(dǎo)體中——該值相當(dāng)于三戶私人住宅對采暖系統(tǒng)功率的需求。

制造商面臨的新挑戰(zhàn)

1. 焊接連接
　　傳統(tǒng)有基板焊接功率模塊中，焊接連接往往是模塊上的機(jī)械薄弱點(diǎn)。由于材料的熱膨脹系數(shù)不同、高溫波動和運(yùn)行過程中的過度負(fù)載循環(huán)將導(dǎo)致焊料層疲勞。這表現(xiàn)為熱阻增加，從而導(dǎo)致更高的溫度。這種反饋機(jī)制最終將導(dǎo)致器件失效。
在焊接到印刷電路板的連接中，冷焊點(diǎn)往往也帶來額外的可靠性問題。

圖4：顯示了焊接連接部分的模塊剖面圖

2. 基板
　　大尺寸、輸出功率大的模塊的基板只能艱難地進(jìn)行優(yōu)化，和/或花費(fèi)相當(dāng)大的代價根據(jù)最佳熱性能和機(jī)械性能進(jìn)行優(yōu)化。單面焊接的襯底連接會帶來雙金屬效應(yīng)，造成非均勻變形。從而無法提供一個至散熱片的良好熱連接。必須使用導(dǎo)熱能力差一些的散熱涂層填充基板和散熱片之間的間隙，而不是采用全材料封閉的優(yōu)化熱連接。其結(jié)果是：系統(tǒng)的熱阻變差。

3. 內(nèi)部模塊布局
　　對于200A及以上的模塊，一些半導(dǎo)體芯片必須并聯(lián)連接到DCB陶瓷上，以實(shí)現(xiàn)額定電流更大的模塊。然而，由于常規(guī)有基板模塊設(shè)計方面的機(jī)械限制，不可能設(shè)計出完全對稱的DCB。因此，在不同的芯片位置，出現(xiàn)開關(guān)特性和電流水平的差異。因此，模塊的規(guī)格必須是基于最弱的芯片而制定的。帶鍵合線的內(nèi)部線路或連接器會使內(nèi)部模塊的電阻和寄生電感變得更差。

4. 芯片溫度
　　近年來，半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)使得硅結(jié)構(gòu)變的更好，從而使得芯片的尺寸更小，電流密度更大。例如，150A/1200V IGBT的尺寸在過去的幾年中已經(jīng)縮小35％以上。同時，最高允許芯片溫度上升到175°C。這意味著設(shè)計制造結(jié)構(gòu)更加緊湊的模塊是可能的。但是，這種趨勢的一個缺點(diǎn)是模塊中會存在更大的溫度梯度，這會導(dǎo)致焊料疲勞，即第1節(jié)中所述的常見故障原因。換言之，整體模塊的可靠性降低。

創(chuàng)新技術(shù)提供解決方案
　　上述問題都是相互依存的因素。因此，讓人們意識到需要尋找一個集成解決方案而不是孤立地看待這些問題。

　　SkiiP技術(shù)中有一個方案解決了基板和焊接連接方面的問題，即將基板和與襯底相連的大面積易疲勞焊接連接全部去除，轉(zhuǎn)而采用受專利保護(hù)的壓接系統(tǒng)。在壓接系統(tǒng)中，襯底通過機(jī)械壓力被壓在散熱器上。由于陶瓷襯底比較靈活并且壓力是通過幾個點(diǎn)上的機(jī)械“手指”施加的，可保證陶瓷襯底和散熱片之間的接觸非常緊密。 因此，散熱涂層的厚度可以減少僅為20-30µm。相比之下，帶基板模塊的散熱涂層的厚度為100 µm。

圖5：不同壓接系統(tǒng)的對比。壓接技術(shù)取代易疲勞的焊接連接。

　　這種壓接系統(tǒng)可適應(yīng)給定的條件，而不管模塊的幾何形狀。MiniSKiiP模塊中，壓力接觸位于塑料模塊殼體本身。SKiiP和SkiM模塊中，壓力是通過適當(dāng)?shù)膲毫υ┘拥摹Ｖ鞫俗右膊捎孟嗤膲航酉到y(tǒng)與陶瓷襯底相連。彈簧觸點(diǎn)被用來代替焊接?xùn)艠O端子以及高達(dá)20A的負(fù)載連接。彈簧觸點(diǎn)已經(jīng)被證明是合適的，特別是在外殼過度震動時。

　　最新的科技成就是芯片連接采用銀燒結(jié)合金而不是焊接。表1顯示了焊接和燒結(jié)連接主要參數(shù)的對比。令人震驚的是，燒結(jié)連接熔點(diǎn)高得多，這意味著在給定溫度擺幅下連接的老化率將低得多。因此，材料的疲勞以及由此而導(dǎo)致的故障將更加靠近使用壽命的后期。使用這里描述的方法，功率模塊的熱循環(huán)能力可增加五倍。因此，可能在不對模塊可靠性做出任何妥協(xié)的情況下獲得更高的芯片運(yùn)行溫度。

表1：焊接和燒結(jié)連接主要參數(shù)的對比。注意燒結(jié)連接的熔點(diǎn)要高出許多。

　　最后一點(diǎn)值得考慮的是新SKiM模塊的內(nèi)部機(jī)械設(shè)計。圖5顯示了標(biāo)有芯片位置的陶瓷襯底的布局。請注意布局的高度對稱性。在右側(cè)可以看到同時也扮演機(jī)械壓接系統(tǒng)角色的內(nèi)部功率母線。層狀母線和流經(jīng)每個芯片的電流直接使得DC+和DC端子之間的雜散電感不到20nH。至于IGBT的關(guān)斷，對于不同位置的芯片，沒有發(fā)現(xiàn)任何的差別。

圖 6：標(biāo)有芯片位置的陶瓷襯底的布局。同時作為機(jī)械接觸系統(tǒng)的內(nèi)部導(dǎo)軌顯示在右側(cè)。

可再生能源部門
　　盡管當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢嚴(yán)峻，可再生能源部門未來將在推動一個國家的工業(yè)生產(chǎn)和就業(yè)率方面發(fā)揮重要的作用。功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)似乎已經(jīng)擔(dān)負(fù)起了未來的挑戰(zhàn)。來自混合動力和電動汽車的技術(shù)需求，以及諸如SiC和GaN這些新材料將為新的發(fā)展鋪平道路。