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新型封装材料——降低电子产品高能耗

  随着各国对节能减排的需求越来越迫切,如何降低电子电器产品的高能耗成为眼下的热点话题之一。5月16日,国务院常务会议安排265亿元资金,对符合节能标准的平板电视、空调、冰箱、洗衣机等产品进行补贴,就体现出国家在此问题上的政策导向。而要想实现家用电器等电子电器产品的节能降耗,功率半导体是不可或缺的元器件产品,如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)和FRD(快恢复二极管)等均属于该领域的重要产品。作为半导体产业中仅次于大规模集成电路的另一大分支,功率半导体在降低电路损耗和提高电源使用效率中,发挥着重要的作用,可说是信息技术与制造之间的桥梁。

  功率半导体器件正从传统的工业控制和4C领域向新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多产业迈进。因此关注功率器件行业的技术发展趋势,促进相关行业的发展至关重要。而从近日召开的PCIM ASIA 2012(电力电子、能源管理、可再生能源、智能运动)展上可以看出,当前行业内主流公司在产品开发上越来越多体现出小型化,高可靠的特点,此外采用封装技术和新型SiC材料也是主要关注对象。
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*小,同样使模块输人输出接线端子之间的接触阻抗*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*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*,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*,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,谷口丰聪即指出,碳化硅半导体功率器件有四大优点:*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*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的MOSFET器件。三菱电机在2010年在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特性,可期待在电力变换容量、低耗等方面超越硅材料。
 

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