功率半导体：新封装新材料提升能效
来源： 作者： 发布时间：2015-05-18 09:23:39 浏览量：封装技术将摒弃绑定线
SKiN技术摒弃了绑定线、焊接和导热涂层，采用柔性箔片和烧结连接。
封装是功率半导体器件中一个非常关键的技术，它关系到功率半导体器件是否能形成更高的功率密度，能否适用于更高的温度、拥有更高的可用性、可靠性，更好地适应恶劣环境。功率半导体器件的封装技术特点为：设计紧凑可靠、输出功率大。其中的关键是使硅片与散热器之间的热阻达到最小，同样使模块输人输出接线端子之间的接触阻抗最低。过去25年中，绑定线一直是连接芯片和DBC基板的主要方法。但据赛米控公司相关人员向记者介绍，正因绑定线连接达不到技术进步所带来的更高电流密度要求，意味着产品的可靠性受到损害。目前该公司开发出一种革命性的功率半导体封装SKiN技术，它摒弃了绑定线、焊接和导热涂层，采用柔性箔片和烧结连接。与采用标准绑定线连接技术所实现的1.5A/cm2电流密度相比，新技术的电流密度实现了倍增，达到3A/cm2。因此，采用该技术的逆变器体积可以减少35%。
赛米控公司表示新技术带来了更高的电流承载能力和10倍的功率循环能力。这塑封电感器对于过去使用限制性绑定线连接的电力电子技术来说是不可想象的。新的封装中，烧结金属功率电感箔片取代了芯片上的绑定线，芯片的下部烧结在DBC基板上。此封装具有更佳的芯片热连接和电气连接性能，因为烧结层比焊层的热阻小。烧结箔的整个表面与芯片相连，而接合线只在接触点与芯片相连。得益于新封装技术提供的高负载循环能力，器件可以运行在更高的温度下。有了SKiN技术，现在有可能将一个3MW的风力发电转换器放进一个开关柜中。另一个例子是用于混合动力汽车和电动汽车的90kW转换器，该转换器的体积比当今市场上最小的转换器还小35%。
SiC功率器件脚步临近
硅材料的节能能力已接近极限，部分企业把注意力放到碳化硅材料上。
SiC材料的采用也是功率半导体器件的主要技术趋势之一。以前功率半导体器件都采用硅材料，但业内人士认为硅材料的节能能力已经接近极限，因此部分企业开始把注意力放到碳化硅材料的开发上。对此，Gourab Majumdar即指出，碳化硅半导体功率器件有四大优点：第一，工作温度范围比较大，在高温下也可工作;第二，低阻抗、耐高破坏性;第三，可高频工作;第四，散热性好。碳化硅的功率器件用在系统上有很多好处，功率的密度可以更高，体积可以更小，更加耐高电压，设计容易，总体来讲可以提高功率半导体的效率，运用的领域可以更加广泛，更为方便。因此，三菱电机利用碳化硅生产出来的第一个产品，就是使用在高铁上的变频器、家用空调上的DIPIPMTM和风力发电变换器上电感器厂家的MOSFET器件。三菱电机在2010年在世界上首先开发成功搭载驱动电路和保护电路的全碳化硅IPM，与采用硅材料的IPM相比，电力消耗减少70%、器件体积减少50%。另外，三菱目前也将搭载碳化硅二极管的功率器件用于家用空调，并使之商品化，已在日本销售。
罗姆半导体也于2010年4月开始SiC-SBD的量产，2010年12月开始SiC-MOSFET的量产。罗姆认为，SiC器件应用会在2012年走热。一直以来，罗姆积极推进沟槽型SiC-MOSFET等产品的研究开发，通过将其量产化，早于其他公司率先推出领先一步的SiC元器件。罗姆认为电动汽车、混合动力汽车等也是SiC可以发挥的领域，对于新能源汽车来说，在控制方面电气不可或缺。总之，碳化硅有着优良的物理和电气铁硅铝电感器特性，可期待在电力变换容量、低耗等方面超越硅材料。
IC观察
国产功率半导体芯片亟待突破
万林
功率半导体在产品节能中发挥着巨大的作用。在可预见的将来，无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，将是人类消耗的最重要能源。但是75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供电子设备使用，而且功率半导体还能使电能的利用更高效、更节能、更环保，给使用者提供更多的方便。因此，功率半导体的发展应用前景将非常广阔。应用范围正从传统的工业控制领域——4C领域(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子)扩展到国民经济与国防建设的各个方面。
尽管我国拥有国际上最大的功率半导体市场，但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距，特别是高端器件差距更加明显。以IGBT为例，核心技术均掌握在发达国家企业手中，IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。跟国内厂商相比，英飞凌、三菱电机、富士电机和日立等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因，一是国际厂商起步早，研发投入大，尤其是在传统的硅基半导体领域形成了专利壁垒。二是国外高端制造业水平比国内要高很多，一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面，特别是要在产业链上游层面取得突破，改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。
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