功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的需求挑戰(zhàn)

新的環(huán)境政策重點(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(gè)目標(biāo)對(duì)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(jí)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(jí)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kWh（見附錄1）。其中40％是用于驅(qū)動(dòng)—在大多數(shù)情況下驅(qū)動(dòng)的是非受控電機(jī)。

圖1德國可再生能源在初級(jí)能源消費(fèi)中的比例

氣候政策的再思考

如今，初級(jí)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(duì)全球變暖不利影響認(rèn)識(shí)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(gè)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(gè)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(jí)能源消耗中的比例要增加到18％（2005年為6%）。對(duì)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(jì)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(chǎng)。在德國，風(fēng)能擁有45％的市場(chǎng)份額，其后分別是生物發(fā)電、水力發(fā)電和太陽能發(fā)電

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(jì)量項(xiàng)目提供財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)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(gè)晶體太陽能電池組件的價(jià)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(jìng)爭(zhēng)，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(duì)硅原料市場(chǎng)的放松。到2010年底，價(jià)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kWh的成本將進(jìn)入傳統(tǒng)發(fā)電方式的成本范圍。

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(chǎng)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(dòng)器的核心元件，而變速驅(qū)動(dòng)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(dòng)器用于如根據(jù)太陽移動(dòng)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(dòng)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(shì)以及對(duì)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(gè)模塊包括一塊硅芯片、一塊絕緣的陶瓷襯底以及一個(gè)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(dòng)器、電流傳感器和散熱器。

圖3不同功率模塊的剖面圖；(a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT半橋模塊；(b)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(dòng)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(chǎng)的7.5％。也就是說，這個(gè)市場(chǎng)擁有25％的最快年平均增長率。到2012年，該市場(chǎng)預(yù)計(jì)將產(chǎn)生3.8億美元的銷售額。

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(duì)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(tái)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(duì)采暖系統(tǒng)功率的需求.

制造商面臨的新挑戰(zhàn)

⑴　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(dòng)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焊接連接部分的模塊剖面圖

⑵　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(jià)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(huì)帶來雙金屬效應(yīng)，造成非均勻變形，從而無法提供一個(gè)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。

⑶　內(nèi)部模塊布局

對(duì)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(jì)方面的機(jī)械限制，不可能設(shè)計(jì)出完全對(duì)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(huì)使內(nèi)部模塊的電阻和寄生電感變得更差。

⑷　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/1200VIGBT的尺寸在過去的幾年中已經(jīng)縮小35％以上。同時(shí)，最高允許芯片溫度上升到175°C。這意味著設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)更加緊湊的模塊是可能的。但是這種趨勢(shì)的一個(gè)缺點(diǎn)是模塊中會(huì)存在更大的溫度梯度，會(huì)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(shí)到需要尋找一個(gè)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(gè)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(gè)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（20-30）μm。相比之下，帶基板模塊的散熱涂層的厚度為100μm。

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?。主端子也采用相同的壓接系統(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(dòng)時(shí)。

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(duì)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(duì)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。

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(jì)。圖6顯示了標(biāo)有芯片位置的陶瓷襯底的布局。要注意布局的高度對(duì)稱性。在右側(cè)可以看到同時(shí)也