新型封裝材料——降低電子產(chǎn)品高能耗

隨著世界各國(guó)對(duì)節(jié)能減排的需求越來(lái)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(diǎn)話題之一。5月16日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議安排265億元資金，對(duì)符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的平板電視、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)貼，就體現(xiàn)出國(guó)家在此問(wèn)題上的政策導(dǎo)向。而要想實(shí)現(xiàn)家用電器等電子電器產(chǎn)品的節(jié)能降耗，功率半導(dǎo)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和FRD（快恢復(fù)二極管）等均屬于該領(lǐng)域的重要產(chǎn)品。作為半導(dǎo)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(dǎo)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(shuō)是信息技術(shù)與先進(jìn)制造之間的橋梁。

　　功率半導(dǎo)體器件正從傳統(tǒng)的工業(yè)控制和4C領(lǐng)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(jìn)。因此關(guān)注功率器件行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展至關(guān)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(yùn)動(dòng)）展上可以看出，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)主流公司在產(chǎn)品開發(fā)上越來(lái)越多體現(xiàn)出小型化，高可靠的特點(diǎn)，此外采用先進(jìn)封裝技術(shù)和新型SiC材料也是主要關(guān)注對(duì)象。
封裝技術(shù)將摒棄綁定線

　 SKiN技術(shù)摒棄了綁定線、焊接和導(dǎo)熱涂層，采用柔性箔片和燒結(jié)連接。
封裝是功率半導(dǎo)體器件中一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，它關(guān)系到功率半導(dǎo)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(yīng)惡劣環(huán)境。功率半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)特點(diǎn)為：設(shè)計(jì)緊湊可靠、輸出功率大。其中的關(guān)鍵是使硅片與散熱器之間的熱阻達(dá)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(guò)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(guān)人員向記者介紹，正因綁定線連接達(dá)不到技術(shù)進(jìn)步所帶來(lái)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(dǎo)體封裝SKiN技術(shù)，它摒棄了綁定線、焊接和導(dǎo)熱涂層，采用柔性箔片和燒結(jié)連接。與采用標(biāo)準(zhǔn)綁定線連接技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的1.5A/cm2電流密度相比，新技術(shù)的電流密度實(shí)現(xiàn)了倍增，達(dá)到3A/cm2。因此，采用該技術(shù)的逆變器體積可以減少35%。

　　賽米控公司表示新技術(shù)帶來(lái)了更高的電流承載能力和10倍的功率循環(huán)能力。這對(duì)于過(guò)去使用限制性綁定線連接的電力電子技術(shù)來(lái)說(shuō)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?yàn)闊Y(jié)層比焊層的熱阻小。燒結(jié)箔的整個(gè)表面與芯片相連，而接合線只在接觸點(diǎn)與芯片相連。得益于新封裝技術(shù)提供的高負(fù)載循環(huán)能力，器件可以運(yùn)行在更高的溫度下。有了SKiN技術(shù)，現(xiàn)在有可能將一個(gè)3MW的風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)換器放進(jìn)一個(gè)開關(guān)柜中。另一個(gè)例子是用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的90kW轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的體積比當(dāng)今市場(chǎng)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(dǎo)體器件的主要技術(shù)趨勢(shì)之一。以前功率半導(dǎo)體器件都采用硅材料，但業(yè)內(nèi)人士認(rèn)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(duì)此，谷口豐聰即指出，碳化硅半導(dǎo)體功率器件有四大優(yōu)點(diǎn)：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(shè)計(jì)容易，總體來(lái)講可以提高功率半導(dǎo)體的效率，運(yùn)用的領(lǐng)域可以更加廣泛，更為方便。因此，三菱電機(jī)利用碳化硅生產(chǎn)出來(lái)的第一個(gè)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(fēng)力發(fā)電變換器上的MOSFET器件。三菱電機(jī)在2010年在世界上首先開發(fā)成功搭載驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)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(dǎo)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(rèn)為，SiC器件應(yīng)用會(huì)在2012年走熱。一直以來(lái)，羅姆積極推進(jìn)溝槽型SiC-MOSFET等產(chǎn)品的研究開發(fā)，通過(guò)將其量產(chǎn)化，早于其他公司率先推出領(lǐng)先一步的SiC元器件。羅姆認(rèn)為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等也是SiC可以發(fā)揮的領(lǐng)域，對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō)，在控制方面電氣不可或缺。總之，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。

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