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须弥论道 | 赵振清:宽禁带半导体封装技能

我国18luck18luck官方网站联合会机经网  发布时刻:2019-04-03 17:42:26  来历:机经网


2019年3月30日,第二届须弥山大会在江苏常州举行。台达电子赵振清博士为咱们带来“宽禁带半导体封装技能”的讲演。内容实录如下:

三千大千世界,论道须弥山。2019年3月30日,第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新动力轿车才智动力配备立异中心(以下简称“国创动力”)主办,星星充电承办。会议环绕“才智动力,电动年代”打开宗旨讨论,与会嘉宾包含政产学研媒融八百多人。

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台达电子赵振清博士为咱们带来“宽禁带半导体封装技能”的讲演。内容实录如下:

感谢星星充电,感谢李总供给这样的时机。今日我给咱们共享一下功率半导体的封装技能。我陈述首要讲几部分,首要讲一下功率半导体封装根本技能及技能分类,我还要要点讲一下宽禁带半导体封装技能,由于许多专家提到了宽禁带半导体是未来电力电子系统功能进步的一个重要推进力。

我会着重讲一下宽禁带半导体带来的机会和应战,从咱们视点来看未来或许的一些封装处理方案。在曩昔十几年来,得力于李泽元教授登高望远。他在十几年前就以为,未来电力电子,宽禁带半导体的开展将推进未来电力电子设备及系统的革新。功率半导体封装,特别是宽禁带半导体的封装技能将是整个宽禁带半导体器材运用的要害技能,所以说从十几年前咱们就开端进行了半导体封装技能的开发,咱们是从最根本的硅基器材功率模块封装做起,经过功率模块技能的开发运用,能够极大地进步开关电源系统的功能。

经过多芯片的功率模块替代本来的分立器材的封装办法,咱们能够把系统的功率和功率密度做一个极大的进步。咱们也做了一些依据IGBT器材在太阳能逆变器,能量存储等设备上的运用,也是为了进步整个系统的功率、密度和功率。

从2015年开端,许多公司逐步加快了宽禁带半导体的开发,功能也逐步开端进步。咱们从2015后,咱们又进行了宽禁带半导体相关封装技能的开发,包含氮化镓、碳化硅。

从咱们多年封装经历来看,功率半导体的封装要做好,一定要做好跨范畴的技能整合。第一点咱们有必要要了解电力电子系统的电路,驱动及操控办法等,只要解读好根本需求,才干对功率模块自身的技能需求或许模块的标准做精确的界说。第二咱们要了解功率半导体器材自身的特性,包含失效方式。咱们在封装中处理掉器材的要害时效方式,才干把这个模块的封装做的更牢靠。还有在更小尺度规划下的电规划、热规划,组织的规划,也是解封装技能开发的要害。还有封装资料和工艺是一个相当大的18luck官方网站,背面有许多的设备和资料的支撑,这些18luck官方网站的技能进步也促进半导体器材能够更好地在电力电子设备及设备上的运用。

宽禁带半导体自身的特性这几年咱们现已谈的许多,我就不具体的介绍了。由于宽禁带半导体资料自身的特性十分好,所以说不管是氮化镓,仍是碳化硅器材,与硅级的器材比较具有很好的开关和导通特性,更具功能优势。

从它对系统影响来看,宽禁带半导体运用到电子设备上,能够带来更高的功率。由于起杰出开关特性,能够在坚持高效的一起运转在更高的开关频率,能够削减电源系统中磁性元件的尺度,带来更高的功率密度。一起,有的宽禁带半导体,比如说碳化硅器材能够作业在更高的温度,咱们能够在系统规划中下降散热器的市寸,在轿车的范畴运用中仍是有十分大的优势,能够下降轿车全体分量,进步轿车的续航路程。一起,由于器材自身的特性,咱们能够把电路做一些简化,整个下降系统的复杂度和本钱。

举一个比如来看,咱们最早开发的一款开关电源,本来咱们用硅器材开发的400伏到48伏的开关电源,假如咱们用氮化镓器材替代硅器材做这样的一个电源模块,整个系统的功率密度能够下降到本来的一半,一起坚持相同的系统功率。

从整个系统架构来看,由于系统开关频率进步今后,变压器从本来的传统变压器变为平板的变压器,体积有很大程度的下降。从整个系统里边,全部器材的占比来看,选用氮化镓器材后选用不管对滤波器、半导体功率模块自身,包含PCB尺度,由于宽禁带器材运用和开关频率的进步,都会带来50%以上的体积下降,所以能够极大推进和促进功率密度的进步。

咱们之所以能获得这么好的功能进步,背面是由于选用了特别的封装集成技能。本来系统选用的是传统的分类器材的技能,现在选用的是集成了驱动电路特别的高频封装技能。

这个封装自身它最大的长处是,它用一个面专门用来散热,一个面作为信号或许能量处理面,是一个导热特别好的设。一起由于芯片布局方面选用了十分小的回路规划。所以说在系统运转的时分,器材关段的时分器材上的的电压SPIKE会下降30几伏,开关会更安全牢靠。还有在外壳上有一个特别的规划,能够确保氮化镓器材在高频开关的时分EMI的水平。

关于碳化硅,许多专家也讲过,碳化硅在咱们电动轿车范畴,从输配电运用,充电桩运用及轿车上的运用,越来越多的公司十分重视用碳化硅器材替代传统的IGBT器材,这不管对充电桩仍是在轿车都会带来很大的功能进步。

比如说咱们做的一款充电桩,依据碳化硅器材开发,系统的功率密度能够进步四倍,功率能够进步3%。假如把碳化硅用到轿车上,依据咱们的核算,不管对续航路程仍是咱们的功率密度也有很大的进步,后边会讲到处理方案怎样做到的。

方才张总也讲过,假如咱们在变压器侧选用这种固态变压器替代传统变压器,对大功率充电站会有很大的功率进步。所以在固态改动器范畴碳化硅也有很好的运用远景,碳化硅尽管现已得到这么多运用,但依据咱们对碳化硅器材未来开展视点来看,其封装集成还有许多需求处理的技能应战,只要处理好才干更好发挥其自身的功能优势。

第一个应战比较IGBT来讲,碳化硅的开关速度,是IGBT 5-10倍的水平。在这样一个电路中咱们看出,在快速开关的时分,咱们对封装的回路有更高的要求,咱们希望回路能做到的更小,才干确保器材高速开关,下降损耗,一起电压应力也会被操控在安全的水平。

第二,咱们在碳化硅运用的时分,一般都是运用多个器材并联的方法来进步整个的系统功率等级,必定触及到芯片并联技能。但是在实际运用中,经过咱们的核算咱们看到,例如6个器材并联构成的桥臂,在注册和关断过程中,并联的半导体器材注册和关断电流都是有明显差异的,这必然会影响到每个器材的损耗,温度差导致功能差异然后影响系统的牢靠性,所以咱们在规划碳化硅器材封装的时分,一定要归纳考虑,尽量做到均衡一个并联回路规划。

相同,比较于IGBT,碳化硅器材开关过程中的DVDT也是要碳化硅IGBT的几十倍以上,这么大的电压跳变,必然会在器材的驱动回路上发生很大的电压动摇,然后发生误触发的危险。从封装视点上来讲,咱们能够在器材最近的方位,去集成这样一个电路,能够抑制住驱动回路发生的电压跳变,这是咱们加驱动电路之后发生的这种作用。

别的,相同等级的IGBT和SIC MOS器材尺度比较来看,碳化硅器材的尺度只要IGBT一半,所以说在相同运用条件下,碳化硅封装时热的应战会更大。在封装规划的时分,咱们有必要要添加碳化硅器材的热导通通道,一方面用新的资料,导热好的资料来做封装。另一方面能够经过添加散热通道的方法来做。而进行封装散热规划的时分,要尽量确保上下两边散热通道均匀一起,这样全体热阻会更小。

还有应力会集也最根本的物理问题,当把一个器材组装到基板上的时分,在器材作业的温度循环中,会发生很大的应力会集使器材时效。碳化硅比较硅器材来讲它的硬度更大,假如咱们选用传统的封装方法去做的话,依据寿数猜测额公式,整个模块的寿数会比较IGBT会下降50%,这是一个很十分大的牢靠性危险。所以在这整个职业界,特别是封装职业界,会不断的开发一些新资料来处理这些问题。

纳米银资料便是一款现在现在开发比较多的,能够进步器材封装牢靠性的资料。另一方面还能够充分发挥碳化硅器材的高温特性,这种资料与传统锡基钎料比较能够碳化硅器材封装模块寿数进步到本来的一倍以上,一起它能够让器材能够在更高的温度下作业。

从未来器材功能开展的视点来看,咱们纵观一下碳化硅器材同2016年-2019年整个功能的改动,它的Cgd从2016年-2019年下降了33%,尺度从2016年到2019年下降50%,由于尺度减小热阻也是添加了45%。

碳化硅器材封装面临高频的应战、热的应战会越来越严峻。咱们以为面临宽禁带半导体,特别是碳化硅来讲,未来的封装方式一定是一种散热更好,回路更小,还要考虑到系统的运用条件。归纳来看它一定是双面散热型的,能够确保器材高温作业,充分发挥碳化硅高温特性的一种封装方式。

咱们看到这种方式便是咱们对未来碳化硅封装的一个规划设想,相关于传统封装方式,能够供给更小的回流电感,更小的热阻。假如从轿车视点来看,假如咱们把这样的模块运用到电动轿车范畴,用在INVERTER上面,那么从功率来讲,最高功率能够到达98.4%,比较传统封装方式会有所进步。高效带来的优点是,从续航路程来讲,大概有4-6%的进步,由于其双面散热的规划,首要能够高温作业,再一个规划供给多散热通道,所以说轿车在急加快的时分能够供给1.3倍的Peak Power,这种优化的组织及资料组合规划,能够把整个模块或许Inverter的寿数牢靠性进步到两倍以上。

综上所述,毫无疑问咱们以为碳化硅这种宽禁带半岛体会给未来电力电子职业带来很大的革新。但宽禁带半导体封装应战是很大的,需求整合,从功率半导体,模块封装到整个电力电子系统。需求18luck官方网站链上各个范畴,来一起推进宽禁带半导体的运用和开展,为整个职业带来更大的技能进步。以上是我的陈述,谢谢。

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责任编辑:机经网编辑部 yangbo
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