無論是再生能源、電動交通還是節(jié)能，電力電子正變得越來越重要。為了進軍這些市場，創(chuàng)新是必要的，因為不同的市場有不同的需求，這些需求所要求的解決方案超出了20世紀90年代所廣泛接受的工業(yè)標準。

    賽米控是一個創(chuàng)新者，不斷沿著新路徑探索。導(dǎo)熱硅脂和綁定線是工業(yè)模塊中奄奄一息的“殘余”，現(xiàn)在正被高度可靠的燒結(jié)層和用于指定應(yīng)用的柔性板所取代。

    全球?qū)Νh(huán)境政策的新關(guān)注和選擇能源時消費行為中不斷增長的環(huán)保意識使得電力電子作為一種能量轉(zhuǎn)換和控制的可能手段更加具有意義。產(chǎn)品和應(yīng)用在效率、可靠性和大小方面正被優(yōu)化。電力電子有助于未來基于混合動力技術(shù)和電動汽車的交通發(fā)展，并在減少日益增長的排放和不斷減少的資源中扮演關(guān)鍵的角色。為了滿足這些市場的需求和改善普遍接受程度，電力電子領(lǐng)域的新發(fā)展是必不可少的。在這方面特別重要的是提高可靠性的同時實現(xiàn)更高的功率密度，減小體積。電力電子設(shè)備制造商都面臨著滿足這些相互矛盾的要求的挑戰(zhàn)。更有甚者，功率也要增加，這意味著諸如并聯(lián)和熱管理也將承擔更多的重要性。未來的電力電子技術(shù)將在快速增長的可再生能源市場以及電動汽車市場這兩方面受益。首先，發(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)換需要功率半導(dǎo)體，例如風電變流器。其次，功率半導(dǎo)體是變速變流器的基本要素，這意味著它們是高效利用能源的關(guān)鍵。

    可靠且低成本

    在電動車輛中，電力電子器件必須節(jié)省空間、重量輕、并且即使在​​惡劣的條件下也要工作可靠。為了滿足這些要求，賽米控早已擯棄傳統(tǒng)基于模塊的方式，目前盡可能從機械方面集成電力電子系統(tǒng)所有的功能。圖1顯示了最新用于叉車的賽米控系統(tǒng)。開發(fā)中所面臨的挑戰(zhàn)實際上在于，相互矛盾的電氣、機械和散熱要求都必須滿足，同時實現(xiàn)最高的可靠性和合理的成本。5.7升逆變器具有400 Aeff的峰值電流，160V電池電壓，適合直接安裝在車輛的驅(qū)動橋上。在這樣的安裝位置上，系統(tǒng)必須能夠在12g的振動和100g的機械沖擊下無損運行—— 在外部溫度為-40～+85°C的條件下運行20000小時。

圖1 用于叉車的SKAI系統(tǒng)

    早在20年前，賽米控開發(fā)了第一個用于風力渦輪機的IGBT模塊。這些模塊采用創(chuàng)新的壓接技術(shù)，集成了電源、驅(qū)動器和傳感器功能，滿足這種全新應(yīng)用領(lǐng)域在長期可靠性和功率密度方面的挑戰(zhàn)。如今，第三代SkiiP IPM正被廣泛使用。迄今為止已安裝超過80GW，約為全球風力發(fā)電總裝機容量的一半。

    目前第4代的SKiiP4已處于市場啟動階段。SKiiP4智能集成模塊（圖2）是一款設(shè)計用于3600A的6-fold模塊（相對于1800A的4-fold SKiiP3，兩者的阻斷電壓均為1700 V）。SKiiP4本身就是一個成就，因為它在不增加尺寸的情況下功率增大30％。這種新的功率模塊采用了最新一代的IGBT和二極管芯片，這些芯片是被燒結(jié)而不是被焊接在基板上。得益于改進的驅(qū)動器，高達1300V的直流母線電壓得以被安全控制，并且滿足在較高的海拔及海上安裝系統(tǒng)的要求。為確保非常低的故障概率，每個系統(tǒng)發(fā)送給客戶之前都經(jīng)過老化測試。對于汽車應(yīng)用，對電力電子系統(tǒng)的緊湊性和可靠性要求更高。這同樣適用于風力渦輪機，因為海上風電場的維護和維修是非常昂貴的。

圖2 6-fold SKiiP4 IPM提供3600A電流

    焦點：封裝技術(shù)

    傳統(tǒng)封裝技術(shù)受到一定程度的技術(shù)限制。眼下的任務(wù)是克服這些限制。

    1、焊點

    在傳統(tǒng)帶銅基板的焊接功率模塊中，焊點往往是整個系統(tǒng)最薄弱的機械點。由于材料的不同熱膨脹系數(shù)，運行過程中頻繁的溫度變化和不斷變化的電力負荷，模塊的焊層可能會產(chǎn)生疲勞效應(yīng)。該效應(yīng)的標志是運行過程中出現(xiàn)高熱阻，從而使芯片溫度更高。這種互動過程，最終將導(dǎo)致綁定線脫落，元件發(fā)生故障。焊接 PCB連接的另一個可靠性風險是虛焊。

    2、基板

    大尺寸、大功率模塊用的基板價格昂貴，并且在熱和機械性能方面技術(shù)上難以實現(xiàn)。單面基板焊接帶來雙金屬效應(yīng)，導(dǎo)致非均質(zhì)扭力，這意味著到散熱器的熱連接效果不理想。在理想散熱器與半金屬接觸的地方，基板和散熱器之間的縫隙必須用熱性能較差的導(dǎo)熱硅脂填充。其結(jié)果是這里成為整個熱系統(tǒng)的壁壘。導(dǎo)熱硅脂的熱阻是銅的400倍，該涂層的熱阻占芯片和散熱器之間熱阻的60%。

    3、 模塊布局

    對于150A及以上的模塊，芯片必須與DBC并聯(lián)，以實現(xiàn)更高的額定電流。由于傳統(tǒng)帶基板模塊布局的機械限制，往往無法實現(xiàn)理想的對稱性。其結(jié)果是在開關(guān)行為中的非均勻性以及芯片位置上不同的電流。出于這個原因，數(shù)據(jù)表僅指定最弱的芯片。基于綁定線和連接器的內(nèi)部設(shè)計對模塊中的導(dǎo)電電阻有負面影響，并且導(dǎo)致更高的雜散電感。

    4、芯片溫度

    IGBT技術(shù)的進步使得IGBT單元結(jié)構(gòu)更精細，從而芯片尺寸更小。這種發(fā)展也正由減少功率半導(dǎo)體成本的壓力所推動。更小的芯片尺寸伴隨著電流密度的增加，近年來芯片尺寸平均減小了35％。與此同時，最高結(jié)溫已上升至175°C。這意味著模塊可以更緊湊。然而，另一方面這也意味著IGBT和環(huán)境溫度之間的溫度梯度增大，造成對材料更大的應(yīng)力。溫度上升25K會降低5倍的可靠性。另外，諸如如SiC和GaN的新材料允許更高的溫度。

    5、 電流密度

    新的IGBT和MOSFET芯片技術(shù)比前幾代芯片具有更高的電流密度。由于頂面接觸面積小，傳統(tǒng)的鋁的粗綁定線限制了負載電流和可靠性的改善。進一步優(yōu)化綁定線和使用新材料都是可行的，但這將意味著芯片制造更加復(fù)雜，因而半導(dǎo)體成本更高。

    上述封裝技術(shù)的限制都是獨立的因素。這就是為什么尋找一個完整的解決方案而非孤立解決這些問題是情理之中的事。

    如今，銀燒結(jié)工藝已被用于大規(guī)模的生產(chǎn)中，代替了芯片和DBC之間的焊接綁定線。由于銀具有比傳統(tǒng)焊錫高得多的熔點（962°C），燒結(jié)層的可靠性遠遠優(yōu)于焊層，使得電力電子器件可用在諸如車輛這樣高溫、苛刻的應(yīng)用中。175°C的最高結(jié)溫只相當于燒結(jié)層熔點的18%。這是與傳統(tǒng)焊點之間的一個巨大差異，焊接時芯片的最高溫度為焊料熔點的60％，導(dǎo)致上面所描述的失效現(xiàn)象。但是另一個可靠性壁壘仍然存在 - 芯片頂部的綁定線。

    一種新的方法是在芯片的上側(cè)和與散熱器的熱連接中同樣使用銀燒結(jié)技術(shù)。這里，芯片上表面采用燒結(jié)工藝與一塊柔性且結(jié)構(gòu)化的板相連接。線路結(jié)構(gòu)如此厚以致于它們都能夠承載負載電流。DBC的底面直接燒結(jié)到散熱器上（見圖3）。主要的電氣端子也可被燒結(jié)到DBC上，取代現(xiàn)有的焊接或綁定線連接。銀燒結(jié)層來取代導(dǎo)熱硅脂，由此產(chǎn)生的低熱阻意味著功率密度可增大30%。帶有均勻芯片接觸的柔性板替代綁定線提高了可靠性。芯片接觸區(qū)與柔性板之間熱膨脹系數(shù)兼容性的改善是負載循環(huán)能力增強的原因。這使得開發(fā)不使用綁定線、焊接和導(dǎo)熱硅脂的封裝技術(shù)成為可能。

圖3 對芯片表面進行銀燒結(jié)處理的新工藝

    該技術(shù)提供了進一步改善的巨大潛力。電流傳感器和柵極驅(qū)動器可以造的越來越小巧。未來在板表面的三維集成也是可能的。

    這項新技術(shù)的使用將使得生產(chǎn)出體積比最先進系統(tǒng)切實減小30%的逆變器成為可能。這項技術(shù)的優(yōu)勢將在具有最佳機械一體化的集成、緊湊型系統(tǒng)中得到最好的展現(xiàn)。<