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须弥论道 | 赵振清:宽禁带半导体封装技术

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2019-04-03 17:42:26  来源: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大家带来“宽禁带半导体封装技术”的演讲。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。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心(以下简称“国创能源”)主办,星星充电承办。会议围绕“智慧能源,电动时代”展开主旨探讨,与会嘉宾涵盖政产学研媒融八百多人。

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台达电子赵振清博士为大家带来“宽禁带半导体封装技术”的演讲。内容实录如下:

感谢星星充电,感谢李总提供这样的机会。今天我给大家分享一下功率半导体的封装技术。我报告主要讲几部分,首先讲一下功率半导体封装基本技术及技术分类,我还要重点讲一下宽禁带半导体封装技术,因为很多专家提到了宽禁带半导体是未来电力电子系统性能提升的一个重要推动力。

我会着重讲一下宽禁带半导体带来的机遇和挑战,从我们角度来看未来可能的一些封装解决方案。在过去十几年来,得力于李泽元教授高瞻远瞩。他在十几年前就认为,未来电力电子,宽禁带半导体的发展将推动未来电力电子装置及系统的革命。功率半导体封装,特别是宽禁带半导体的封装技术将是整个宽禁带半导体器件应用的关键技术,所以说从十几年前我们就开始进行了半导体封装技术的开发,我们是从最基本的硅基器件功率模块封装做起,通过功率模块技术的开发应用,可以极大地提升开关电源系统的性能。

通过多芯片的功率模块取代原来的分立器件的封装方法,我们可以把系统的效率和功率密度做一个极大的提升。我们也做了一些基于IGBT器件在太阳能逆变器,能量存储等装置上的应用,也是为了提升整个系统的功率、密度和效率。

从2015年开始,很多公司逐渐加速了宽禁带半导体的开发,性能也逐渐开始提升。我们从2015后,我们又进行了宽禁带半导体相关封装技术的开发,包括氮化镓、碳化硅。

从我们多年封装经验来看,功率半导体的封装要做好,一定要做好跨领域的技术整合。第一点我们必须要了解电力电子系统的电路,驱动及控制方法等,只有解读好基本需求,才能对功率模块本身的技术需求或者模块的规格做准确的定义。第二我们要了解功率半导体器件本身的特性,包括失效模式。我们在封装中解决掉器件的关键时效模式,才能把这个模块的封装做的更可靠。还有在更小尺寸规模下的电设计、热设计,机构的设计,也是解封装技术开发的关键。还有封装材料和工艺是一个相当大的产业,背后有很多的设备和材料的支撑,这些产业的技术进步也促进半导体器件能够更好地在电力电子装置及设备上的应用。

宽禁带半导体本身的特性这几年大家已经谈的很多,我就不详细的介绍了。因为宽禁带半导体材料本身的特性非常好,所以说无论是氮化镓,还是碳化硅器件,与硅级的器件相比具有很好的开关和导通特性,更具性能优势。

从它对系统影响来看,宽禁带半导体应用到电子装置上,可以带来更高的效率。因为起良好开关特性,可以在保持高效的同时运行在更高的开关频率,可以减少电源系统中磁性元件的尺寸,带来更高的功率密度。同时,有的宽禁带半导体,比如说碳化硅器件可以工作在更高的温度,我们可以在系统设计中降低散热器的市寸,在汽车的领域应用中还是有非常大的优势,可以降低汽车整体重量,提升汽车的续航里程。同时,因为器件本身的特性,我们可以把电路做一些简化,整个降低系统的复杂度和成本。

举一个例子来看,我们最早开发的一款开关电源,原来我们用硅器件开发的400伏到48伏的开关电源,如果我们用氮化镓器件取代硅器件做这样的一个电源模块,整个系统的功率密度可以降低到原来的一半,同时保持同样的系统效率。

从整个系统架构来看,因为系统开关频率提高以后,变压器从原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。从整个系统里面,所有器件的占比来看,采用氮化镓器件后采用无论对滤波器、半导体功率模块本身,包括PCB尺寸,因为宽禁带器件应用和开关频率的提升,都会带来50%以上的体积下降,所以可以极大推进和促进功率密度的提升。

我们之所以能取得这么好的性能提升,背后是由于采用了特殊的封装集成技术。原来系统采用的是传统的分类器件的技术,现在采用的是集成了驱动电路特殊的高频封装技术。

这个封装本身它最大的优点是,它用一个面专门用来散热,一个面作为信号或者能量处理面,是一个导热特别好的设。同时由于芯片布局方面采用了非常小的回路设计。所以说在系统运行的时候,器件关段的时候器件上的的电压SPIKE会降低30几伏,开关会更安全可靠。还有在外壳上有一个特殊的设计,可以保证氮化镓器件在高频开关的时候EMI的水平。

对于碳化硅,很多专家也讲过,碳化硅在我们电动汽车领域,从输配电应用,充电桩应用及汽车上的应用,越来越多的公司非常关注用碳化硅器件取代传统的IGBT器件,这无论对充电桩还是在汽车都会带来很大的性能提升。

比如说我们做的一款充电桩,基于碳化硅器件开发,系统的功率密度可以提升四倍,效率可以提升3%。如果把碳化硅用到汽车上,根据我们的计算,无论对续航里程还是我们的功率密度也有很大的提升,后面会讲到解决方案怎么做到的。

刚才张总也讲过,如果我们在变压器侧采用这种固态变压器取代传统变压器,对大功率充电站会有很大的效率提升。所以在固态变化器领域碳化硅也有很好的应用前景,碳化硅虽然已经得到这么多应用,但依据我们对碳化硅器件未来发展角度来看,其封装集成还有很多需要解决的技术挑战,只有解决好才能更好发挥其本身的性能优势。

第一个挑战相比IGBT来讲,碳化硅的开关速度,是IGBT 5-10倍的水平。在这样一个电路中我们看出,在快速开关的时候,我们对封装的回路有更高的要求,我们期望回路能做到的更小,才能保证器件高速开关,降低损耗,同时电压应力也会被控制在安全的水平。

第二,我们在碳化硅使用的时候,一般都是使用多个器件并联的方式来提升整个的系统功率等级,必然涉及到芯片并联技术。但是在实际使用中,通过我们的计算我们看到,例如6个器件并联形成的桥臂,在开通和关断过程中,并联的半导体器件开通和关断电流都是有显著差异的,这势必会影响到每个器件的损耗,温度差导致性能差异从而影响系统的可靠性,所以我们在设计碳化硅器件封装的时候,一定要综合考虑,尽量做到均衡一个并联回路设计。

同样,相比于IGBT,碳化硅器件开关过程中的DVDT也是要碳化硅IGBT的几十倍以上,这么大的电压跳变,势必会在器件的驱动回路上产生很大的电压波动,从而产生误触发的风险。从封装角度上来讲,我们可以在器件最近的位置,去集成这样一个电路,能够抑制住驱动回路产生的电压跳变,这是我们加驱动电路之后产生的这种效果。

另外,相同等级的IGBT和SIC MOS器件尺寸比较来看,碳化硅器件的尺寸只有IGBT一半,所以说在同样应用条件下,碳化硅封装时热的挑战会更大。在封装设计的时候,我们必须要增加碳化硅器件的热导通通道,一方面用新的材料,导热好的材料来做封装。另一方面可以通过增加散热通道的方式来做。而进行封装散热设计的时候,要尽量保证上下两侧散热通道均匀一致,这样整体热阻会更小。

还有应力集中也最基本的物理问题,当把一个器件组装到基板上的时候,在器件工作的温度循环中,会产生很大的应力集中使器件时效。碳化硅相比硅器件来讲它的硬度更大,如果我们采用传统的封装方式去做的话,根据寿命预测额公式,整个模块的寿命会相比IGBT会降低50%,这是一个很非常大的可靠性风险。所以在这整个行业界,特别是封装行业界,会不断的开发一些新材料来解决这些问题。

纳米银材料就是一款现在目前开发比较多的,可以提升器件封装可靠性的材料。另一方面还可以充分发挥碳化硅器件的高温特性,这种材料与传统锡基钎料相比可以碳化硅器件封装模块寿命提高到原来的一倍以上,同时它可以让器件能够在更高的温度下工作。

从未来器件性能发展的角度来看,我们纵观一下碳化硅器件同2016年-2019年整个性能的变化,它的Cgd从2016年-2019年降低了33%,尺寸从2016年到2019年降低50%,因为尺寸减小热阻也是增加了45%。

碳化硅器件封装面对高频的挑战、热的挑战会越来越严重。我们认为面对宽禁带半导体,特别是碳化硅来讲,未来的封装形式一定是一种散热更好,回路更小,还要考虑到系统的应用条件。综合来看它一定是双面散热型的,能够保证器件高温工作,充分发挥碳化硅高温特性的一种封装形式。

我们看到这种形式就是我们对未来碳化硅封装的一个设计构想,相对于传统封装形式,可以提供更小的回流电感,更小的热阻。如果从汽车角度来看,如果我们把这样的模块应用到电动汽车领域,用在INVERTER上面,那么从效率来讲,最高效率可以达到98.4%,相比传统封装形式会有所提高。高效带来的好处是,从续航里程来讲,大概有4-6%的提升,因为其双面散热的设计,首先可以高温工作,再一个设计提供多散热通道,所以说汽车在急加速的时候可以提供1.3倍的Peak Power,这种优化的机构及材料组合设计,可以把整个模块或者Inverter的寿命可靠性提高到两倍以上。

综上所述,毫无疑问我们认为碳化硅这种宽禁带半岛体会给未来电力电子行业带来很大的革命。但宽禁带半导体封装挑战是很大的,需要整合,从功率半导体,模块封装到整个电力电子系统。需要产业链上各个领域,来共同推进宽禁带半导体的应用和发展,为整个行业带来更大的技术提升。以上是我的报告,谢谢。

做好产业规划  推动产业升级
责任编辑:机经网编辑部 yangbo
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