功率半導體產業的需求挑戰
作者：Aseem Wahi，戰略營銷負責人，SEMIKRON
新的環境政策特別重點關注全球可再生能源的發展，特別是風能和太陽能發電以及能源利用效率的提高。這兩個目標對電力電子具有相當大的影響，電力電子原先的目的是效率控制和電能轉換。因此，功率半導體元件必須滿足效率、使用壽命和結構緊湊性方面的新要求。制造商正努力開發新的組裝和連接技術，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％是用于驅動——在大多數情況下驅動的是非受控電機。
圖1：德國可再生能源在初級能源消費中的比例
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。近年來，對全球變暖不利影響認識的增強，產生了減少溫室氣體排放目標這一概念。新氣候政策的一個基石是全球可再生能源發展和擴展以及能源效率的提高。
歐洲是現代能源和氣候政策的先驅，德國是利用新能源技術方面一個較好的例證。鑒于到2020年，要實現減少14%的二氧化碳排放量（與2005年的排放量相比）的目標，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到70%。
今天，風力發電是再生能源中較大的細分市場。在德國，風能擁有45％的市場份額，其后分別是生物發電、水力發電和太陽能發電。（資料來源：德國環境部，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
與政治要求的實施和由凈計量項目提供財政獎勵平行的是，可再生發電的成本正逐步下降。以仍被認為是較昂貴的傳統發電替代方案的太陽能發電為例。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能力，激烈的競爭，特別是來自中國的制造商，往批量生產的過渡，以及較后但并非較不重要的一點，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，采用太陽能發電產生一千瓦時的成本將進入傳統發電方式的成本范圍（來源：明鏡在線，2009年3月；光子）。
受益的功率半導體行業
功率半導體行業將在兩方面受益于可再生能源市場即將到來的增長。首先，能量轉換自身需要功率半導體，例如，風力發電站中的逆變器。其次，半導體是變速驅動器的核心元件，而變速驅動器又是風能、太陽能和生物沼氣能裝機中不可缺少的。這種控制驅動器用于如根據太陽移動路徑調整太陽能電池板的太陽跟蹤器或用于風力發電機中較佳葉片間距的調整。在生物沼氣工廠，控制驅動器負責生物材料的精確投入和混合。
由于其技術優勢以及對用戶友好的原因，模塊主要被用作可再生發電應用中的電子開關。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以及集成的程度有不同的版本，比如包含集成驅動器、電流傳感器和散熱器。
圖3：不同功率模塊的剖面圖；左：標準IGBT半橋模塊；右：智能功率模塊（IPM），包含半導體芯片、絕緣材料、帶保護傳感器的驅動器、電流傳感器和散熱器。
2008年，用于可再生能源應用的功率半導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％的較快年平均增長率。到2012年，該市場預計將產生3.8億美元的銷售額（資料來源：IMS的季度報告，2009年2月）。
風力發電和太陽能發電中，由于要保障經濟的運行，因而供電可靠性是首要任務。其次為高效率和系統的緊湊性。對于功率半導體制造商來說，這意味著特別困難的挑戰：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 的風力發電機組為例：約45kW的熱損耗發生在功率半導體中——該值相當于三戶私人住宅對采暖系統功率的需求。
制造商面臨的新挑戰
1. 焊接連接
傳統有基板焊接功率模塊中，焊接連接往往是模塊上的機械薄弱點。由于材料的熱膨脹系數不同、高溫波動和運行過程中的過度負載循環將導致焊料層疲勞。這表現為熱阻增加，從而導致更高的溫度。這種反饋機制較終將導致器件失效。
在焊接到印刷電路板的連接中，冷焊點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行優化，和/或花費相當大的代價根據較佳熱性能和機械性能進行優化。單面焊接的襯底連接會帶來雙金屬效應，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化熱連接。其結果是：系統的熱阻變差。
3. 內部模塊布局
對于200A及以上的模塊，一些半導體芯片必須并聯連接到DCB陶瓷上，以實現額定電流更大的模塊。然而，由于常規有基板模塊設計方面的機械限制，不可能設計出完全對稱的DCB。因此，在不同的芯片位置，出現開關特性和電流水平的差異。因此，模塊的規格必須是基于較弱的芯片而制定的。帶鍵合線的內部線路或連接器會使內部模塊的電阻和寄生電感變得更差。
4. 芯片溫度
近年來，半導體技術的改進使得硅結構變的更好，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縮小35％以上。同時，較高允許芯片溫度上升到175°C。這意味著設計制造結構更加緊湊的模塊是可能的。但是，這種趨勢的一個缺點是模塊中會存在更大的溫度梯度，這會導致焊料疲勞，即第1節中所述的常見故障原因。換言之，整體模塊的可靠性降低。
創新技術提供解決方案
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，轉而采用受專利保護的壓接系統。在壓接系統中，襯底通過機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上的機械“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100µm。
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圖5c）帶壓接軌的SKiM |
圖5：不同壓接系統的對比。壓接技術取代易疲勞的焊接連接。
這種壓接系統可適應給定的條件，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，壓力是通過適當的壓力元件施加的。主端子也采用相同的壓接系統與陶瓷襯底相連。彈簧觸點被用來代替焊接柵極端子以及高達20A的負載連接。彈簧觸點已經被證明是合適的，特別是在外殼過度震動時。
較新的科技成就是芯片連接采用銀燒結合金而不是焊接。表1顯示了焊接和燒結連接主要參數的對比。令人震驚的是，燒結連接熔點高得多，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的情況下獲得更高的芯片運行溫度。
表1：焊接和燒結連接主要參數的對比。注意燒結連接的熔點要高出許多。
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