- 可再生能源的市場(chǎng)需求
- 可再生能源對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)的影響
- 基板焊接功率模塊新連接方法
- 采用新的大型基板
- 優(yōu)化內(nèi)部模塊布局
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(yáng)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(mǎn)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(kāi)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(mǎn)足這些非常的需求。
在未來(lái)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(zhǎng)。到2030年需求將增加50％。目前，初級(jí)能源中三分之一專(zhuān)門(mén)用于發(fā)電。2004年，全球電能的平均消耗約為120億kWh（見(jiàn)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(guó)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(guò)燃燒，如石油、天然氣和煤炭化石燃料來(lái)滿(mǎn)足的，這極大地加速了全球的溫室效應(yīng)。近年來(lái)，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(guó)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(guó)總電力消費(fèi)來(lái)說(shuō)，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(lái)，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(guó)，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(yáng)能發(fā)電
圖2德國(guó)可再生能源在總能源消耗量中的比例
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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(yáng)能發(fā)電為例。2008年9月，一個(gè)晶體太陽(yáng)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(guò)剩的生產(chǎn)能力，激烈的競(jìng)爭(zhēng)，特別是來(lái)自中國(guó)的制造商往批量生產(chǎn)的過(guò)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(yáng)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（見(jiàn)附錄3）。
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(lái)的增長(zhǎng)。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(yáng)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(yáng)移動(dòng)路徑調(diào)整太陽(yáng)能電池板的太陽(yáng)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(chǎng)，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(hù)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(kāi)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(shuō)，這個(gè)市場(chǎng)擁有25％的最快年平均增長(zhǎng)率。到2012年，該市場(chǎng)預(yù)計(jì)將產(chǎn)生3.8億美元的銷(xiāo)售額。
風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)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(lái)說(shuō)，這意味著特別困難的挑戰(zhàn)：如何滿(mǎn)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(lái)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(hù)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(guò)程中的過(guò)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(lái)額外的可靠性問(wèn)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(lái)雙金屬效應(yīng)，造成非均勻變形，從而無(wú)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(chēng)的DCB。因此，在不同的芯片位置出現(xiàn)開(kāi)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(xiàn)的內(nèi)部線(xiàn)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(lái)，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(guò)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(jiàn)故障原因。換言之，整體模塊的可靠性降低。
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創(chuàng)新技術(shù)提供解決方案
上述問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(zhuān)利保護(hù)的壓接系統(tǒng)。在壓接系統(tǒng)中，襯底通過(guò)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(guò)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。
圖5不同壓接系統(tǒng)的對(duì)比：（a）MiniSKiiP壓力接觸；（b）SKiiP橋元件；（c）帶壓接軌的SKiM
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(guò)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(lái)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(guò)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(chēng)性。在右側(cè)可以看到同時(shí)也扮演機(jī)械壓接系統(tǒng)角色的內(nèi)部功率母線(xiàn)。層狀母線(xiàn)和流經(jīng)每個(gè)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(duì)于不同位置的芯片，沒(méi)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(shí)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(mén)
盡管當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)嚴(yán)峻，可再生能源部門(mén)未來(lái)將在推動(dòng)一個(gè)國(guó)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(lái)的挑戰(zhàn)。來(lái)自混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)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。
