隨著世界各國(guó)對(duì)節(jié)能減排的需求越來越迫切，如何降低電子電器產(chǎn)品的高能耗成為眼下的熱點(diǎn)話題之一。5月16日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議安排265億元資金，對(duì)符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的平板電視、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)貼，就體現(xiàn)出國(guó)家在此問題上的政策導(dǎo)向。而要想實(shí)現(xiàn)家用電器等電子電器產(chǎn)品的節(jié)能降耗，功率半導(dǎo)體是不可或缺的元器件產(chǎn)品，如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和FRD(快恢復(fù)二極管)等均屬于該領(lǐng)域的重要產(chǎn)品。作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中僅次于大規(guī)模集成電路的另一大分支，功率半導(dǎo)體在降低電路損耗和提高電源使用效率中，發(fā)揮著重要的作用，可說是信息技術(shù)與先進(jìn)制造之間的橋梁。

功率半導(dǎo)體器件正從傳統(tǒng)的工業(yè)控制和4C領(lǐng)域向新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、變頻家電等諸多產(chǎn)業(yè)邁進(jìn)。因此關(guān)注功率器件行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。而從近日召開的PCIM ASIA 2012(電力電子、能源管理、可再生能源、智能運(yùn)動(dòng))展上可以看出，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)主流公司在產(chǎn)品開發(fā)上越來越多體現(xiàn)出小型化，高可靠的特點(diǎn)，此外采用先進(jìn)封裝技術(shù)和新型SiC材料也是主要關(guān)注對(duì)象。

產(chǎn)品開發(fā)關(guān)注可靠性與散熱性

家電中應(yīng)用的功率半導(dǎo)體，小型化、更高的可靠性和散熱性將是非常重要的特性。

“如何在保證溫升小(功耗小)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更高的能源轉(zhuǎn)換效率是功率半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)的主題。”這是北京工業(yè)大學(xué)教授亢寶位在向記者講解時(shí)重點(diǎn)提出的。不過，從近兩年功率半導(dǎo)體產(chǎn)品開發(fā)趨勢(shì)上看，由于變頻家電越來越普及，越來越多的IGBT等產(chǎn)品被應(yīng)用其中，特別中國(guó)現(xiàn)已成為全球家電產(chǎn)品的生產(chǎn)基地，家電業(yè)在年產(chǎn)值達(dá)到6000億元的同時(shí)，家電產(chǎn)品的耗電量也超過了中國(guó)總耗電量的15%，家電節(jié)能成為節(jié)能減排首當(dāng)其沖的對(duì)象。而功率半導(dǎo)體在家電中應(yīng)用，小型化將是一個(gè)非常重要的特性。為此，很多功率半導(dǎo)體企業(yè)近年來在產(chǎn)品的小型化上，下足了功夫。

對(duì)此，三菱電機(jī)董事技術(shù)總監(jiān)Gourab Majumdar即指出，在功率半導(dǎo)體最新的技術(shù)發(fā)展方面，IGBT芯片技術(shù)一直在進(jìn)步。三菱電機(jī)開發(fā)的第三代IGBT是平板型的構(gòu)造，第四代是勾槽型的構(gòu)造，第五代成為CSTBT，第六代實(shí)現(xiàn)超薄化，目前正在開發(fā)的第七代IGBT，試圖把CSTBT的構(gòu)造進(jìn)一步微細(xì)化和超薄化，以改善關(guān)斷損耗對(duì)飽和壓降的折中比例，提高功率半導(dǎo)體的性能。此外，三菱推出的應(yīng)用于變頻家電的第五代DIPIPMTM，特點(diǎn)之一即為超小型。DIPIPMTM為變頻家電功率轉(zhuǎn)換部分的核心元件，通過集成功率器件及其驅(qū)動(dòng)保護(hù)芯片，可減少電力損耗，達(dá)到節(jié)能效果。以變頻家電為例：變頻空調(diào)比定速空調(diào)節(jié)電20%～30%;變頻冰箱比常規(guī)冰箱節(jié)電50%左右;變頻洗衣機(jī)比常規(guī)洗衣機(jī)節(jié)電50%左右，在節(jié)水方面變頻洗衣機(jī)比常規(guī)洗衣機(jī)節(jié)水30%～50%左右。

高可靠性也是近年來業(yè)界產(chǎn)品開發(fā)中關(guān)注的重點(diǎn)。因?yàn)槭墉h(huán)保意識(shí)提高的影響，混合動(dòng)力汽車(HEV)和電動(dòng)汽車(EV)等市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。而汽車有著很高的安全性要求，因而對(duì)用于汽車馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的功率半導(dǎo)體模塊的可靠性要求超出普通工業(yè)用途，為此很多企業(yè)在開發(fā)這一市場(chǎng)時(shí)，也非常強(qiáng)調(diào)可靠性能。如日前博世公司即推出用于混合電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車的逆變器的IGBT半橋模塊MH6530C和MH6560C。

博世公司工作人員告訴記者，這兩款產(chǎn)品是專門為混合電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車而設(shè)計(jì)的，HEV和EV都需要處理高強(qiáng)度電流，而空間是有限的，因此散熱是至關(guān)重要的，可確保其可靠性。MH6530C和MH6560C比傳統(tǒng)的工業(yè)功率封裝體積小很多，熱接觸性能非常出色。

在大電流功率模塊中，良好的散熱性與可靠性也非常重要。如三菱電機(jī)最新開發(fā)的新MPD系列IGBT模塊，在PCIM ASIA 2012中亮相，受到業(yè)界關(guān)注。新MPD系列IGBT模塊外型緊湊，采用新型無焊接AI基板，提供更高的溫度循環(huán)能力。

針對(duì)大電流專用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用專門的封裝，內(nèi)部封裝電感低。采用低損耗的CSTBT硅片技術(shù)制成的第6代IGBT模塊，有更寬的安全工作區(qū)，其硅片最高結(jié)溫可達(dá)175℃，硅片運(yùn)行溫度最高可達(dá)150℃。為了提高散熱效率，新MPD專為水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品的性能。適用于大電機(jī)驅(qū)動(dòng)、分散式電力發(fā)電(如風(fēng)力發(fā)電)及大功率UPS等場(chǎng)合。

封裝技術(shù)將摒棄綁定線

SKiN技術(shù)摒棄了綁定線、焊接和導(dǎo)熱涂層，采用柔性箔片和燒結(jié)連接。

封裝是功率半導(dǎo)體器件中一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，它關(guān)系到功率半導(dǎo)體器件是否能形成更高的功率密度，能否適用于更高的溫度、擁有更高的可用性、可靠性，更好地適應(yīng)惡劣環(huán)境。功率半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)特點(diǎn)為：設(shè)計(jì)緊湊可靠、輸出功率大。其中的關(guān)鍵是使硅片與散熱器之間的熱阻達(dá)到最小，同樣使模塊輸人輸出接線端子之間的接觸阻抗最低。過去25年中，綁定線一直是連接芯片和DBC基板的主要方法。但據(jù)賽米控公司相關(guān)人員向記者介紹，正因綁定線連接達(dá)不到技術(shù)進(jìn)步所帶來的更高電流密度要求，意味著產(chǎn)品的可靠性受到損害。目前該公司開發(fā)出一種革命性的功率半導(dǎo)體封裝SKiN技術(shù)，它摒棄了綁定線、焊接和導(dǎo)熱涂層，采用柔性箔片和燒結(jié)連接。與采用標(biāo)準(zhǔn)綁定線連接技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的1.5A/cm2電流密度相比，新技術(shù)的電流密度實(shí)現(xiàn)了倍增，達(dá)到3A/cm2。因此，采用該技術(shù)的逆變器體積可以減少35%。

賽米控公司表示新技術(shù)帶來了更高的電流承載能力和10倍的功率循環(huán)能力。這對(duì)于過去使用限制性綁定線連接的電力電子技術(shù)來說是不可想象的。新的封裝中，燒結(jié)金屬箔片取代了芯片上的綁定線，芯片的下部燒結(jié)在DBC基板上。此封裝具有更佳的芯片熱連接和電氣連接性能，因?yàn)闊Y(jié)層比焊層的熱阻小。燒結(jié)箔的整個(gè)表面與芯片相連，而接合線只在接觸點(diǎn)與芯片相連。得益于新封裝技術(shù)提供的高負(fù)載循環(huán)能力，器件可以運(yùn)行在更高的溫度下。有了SKiN技術(shù)，現(xiàn)在有可能將一個(gè)3MW的風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)換器放進(jìn)一個(gè)開關(guān)柜中。另一個(gè)例子是用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的90kW轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的體積比當(dāng)今市場(chǎng)上最小的轉(zhuǎn)換器還小35%。

SiC功率器件腳步臨近

硅材料的節(jié)能能力已接近極限，部分企業(yè)把注意力放到碳化硅材料上。

SiC材料的采用也是功率半導(dǎo)體器件的主要技術(shù)趨勢(shì)之一。以前功率半導(dǎo)體器件都采用硅材料，但業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為硅材料的節(jié)能能力已經(jīng)接近極限，因此部分企業(yè)開始把注意力放到碳化硅材料的開發(fā)上。對(duì)此，Gourab Majumdar即指出，碳化硅半導(dǎo)體功率器件有四大優(yōu)點(diǎn)：第一，工作溫度范圍比較大，在高溫下也可工作;第二，低阻抗、耐高破壞性;第三，可高頻工作;第四，散熱性好。碳化硅的功率器件用在系統(tǒng)上有很多好處，功率的密度可以更高，體積可以更小，更加耐高電壓，設(shè)計(jì)容易，總體來講可以提高功率半導(dǎo)體的效率，運(yùn)用的領(lǐng)域可以更加廣泛，更為方便。因此，三菱電機(jī)利用碳化硅生產(chǎn)出來的第一個(gè)產(chǎn)品，就是使用在高鐵上的變頻器、家用空調(diào)上的DIPIPMTM和風(fēng)力發(fā)電變換器上的MOSFET器件。三菱電機(jī)在2010年在世界上首先開發(fā)成功搭載驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的全碳化硅IPM，與采用硅材料的IPM相比，電力消耗減少70%、器件體積減少50%。另外，三菱目前也將搭載碳化硅二極管的功率器件用于家用空調(diào)，并使之商品化，已在日本銷售。

羅姆半導(dǎo)體也于2010年4月開始SiC-SBD的量產(chǎn)，2010年12月開始SiC-MOSFET的量產(chǎn)。羅姆認(rèn)為，SiC器件應(yīng)用會(huì)在2012年走熱。一直以來，羅姆積極推進(jìn)溝槽型SiC-MOSFET等產(chǎn)品的研究開發(fā)，通過將其量產(chǎn)化，早于其他公司率先推出領(lǐng)先一步的SiC元器件。羅姆認(rèn)為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等也是SiC可以發(fā)揮的領(lǐng)域，對(duì)于新能源汽車來說，在控制方面電氣不可或缺。總之，碳化硅有著優(yōu)良的物理和電氣特性，可期待在電力變換容量、低耗等方面超越硅材料。

IC觀察

國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體芯片亟待突破

萬林

功率半導(dǎo)體在產(chǎn)品節(jié)能中發(fā)揮著巨大的作用。在可預(yù)見的將來，無論是水電、核電、火電還是風(fēng)電，甚至各種電池提供的化學(xué)電能，將是人類消耗的最重要能源。但是75%以上的電能應(yīng)用需由功率半導(dǎo)體進(jìn)行變換以后才能供電子設(shè)備使用，而且功率半導(dǎo)體還能使電能的利用更高效、更節(jié)能、更環(huán)保，給使用者提供更多的方便。因此，功率半導(dǎo)體的發(fā)展應(yīng)用前景將非常廣闊。應(yīng)用范圍正從傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域——4C領(lǐng)域(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車電子)擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的各個(gè)方面。

盡管我國(guó)擁有國(guó)際上最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，但是目前國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)與國(guó)際大公司相比還存在很大差距，特別是高端器件差距更加明顯。以IGBT為例，核心技術(shù)均掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)手中，IGBT技術(shù)集成度高的特點(diǎn)又導(dǎo)致了較高的市場(chǎng)集中度。跟國(guó)內(nèi)廠商相比，英飛凌、三菱電機(jī)、富士電機(jī)和日立等國(guó)際廠商占有絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。形成這種局面的原因，一是國(guó)際廠商起步早，研發(fā)投入大，尤其是在傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體領(lǐng)域形成了專利壁壘。二是國(guó)外高端制造業(yè)水平比國(guó)內(nèi)要高很多，一定程度上支撐了國(guó)際廠商的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。中國(guó)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術(shù)處于劣勢(shì)的局面，特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破，改變目前功率器件領(lǐng)域封裝強(qiáng)于芯片的現(xiàn)狀。

總體來看，當(dāng)前功率半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展方向是：第一，碳化硅芯片的采用;第二，功率半導(dǎo)體里面搭載的各種功能;第三，在封裝技術(shù)上，通過摒棄了綁定線，使功率半導(dǎo)體的壽命更長(zhǎng)、穩(wěn)定性更好、功率密度更大。因此，我國(guó)功率半導(dǎo)體企業(yè)需要認(rèn)清技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)技術(shù)力量的引進(jìn)和消化吸收，以市場(chǎng)帶動(dòng)設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片，以芯片壯大產(chǎn)業(yè)，加大國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新力度和提高產(chǎn)品性能，從而滿足市場(chǎng)需求，促進(jìn)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的健康發(fā)展以及國(guó)內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。