中心議題：

• 可再生能源的市場需求
• 可再生能源對半導體工業的影響

解決方案：

• 基板焊接功率模塊新連接方法
• 采用新的大型基板
• 優化內部模塊布局

新(xin)的(de)環(huan)境(jing)政(zheng)策(ce)重(zhong)點(dian)關(guan)注(zhu)全(quan)球(qiu)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)發(fa)展(zhan)
，特(te)別(bie)是(shi)風(feng)能(neng)和(he)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)以(yi)及(ji)能(neng)源(yuan)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)。這(zhe)兩(liang)個(ge)目(mu)標(biao)對(dui)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)具(ju)有(you)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。電(dian)力(li)電(dian)子(zi)原(yuan)先(xian)的(de)目(mu)的(de)是(shi)效(xiao)率(lv)控(kong)製(zhi)和(he)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)
，因(yin)此(ci)，功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)元(yuan)件(jian)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)效(xiao)率(lv)、使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)和(he)結(jie)構(gou)緊(jin)湊(cou)性(xing)方(fang)麵(mian)的(de)新(xin)要(yao)求(qiu)。製(zhi)造(zao)商(shang)正(zheng)努(nu)力(li)開(kai)發(fa)新(xin)的(de)組(zu)裝(zhuang)和(he)連(lian)接(jie)技(ji)術(shu)，提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)和(he)可(ke)靠(kao)的(de)芯(xin)片(pian)溫(wen)度(du)，以(yi)及(ji)利(li)用(yong)新(xin)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)以(yi)滿(man)足(zu)這(zhe)些(xie)非(fei)常(chang)的(de)需(xu)求(qiu)。

在未來20年裏，全球初級能源的需求將以每年平均約2％水平增長。到2030年需求將增加50％。目前，初級能源中三分之一專門用於發電。2004年，全球電能的平均消耗約為120億kWh（見附錄1）。其中40％是用於驅動—在大多數情況下驅動的是非受控電機。


圖1德國可再生能源在初級能源消費中的比例

氣候政策的再思考

如今，初級能源需求的大部分是通過燃燒
，如石油、天(tian)然(ran)氣(qi)和(he)煤(mei)炭(tan)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)來(lai)滿(man)足(zu)的(de)，這(zhe)極(ji)大(da)地(di)加(jia)速(su)了(le)全(quan)球(qiu)的(de)溫(wen)室(shi)效(xiao)應(ying)。近(jin)年(nian)來(lai)，對(dui)全(quan)球(qiu)變(bian)暖(nuan)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)認(ren)識(shi)的(de)增(zeng)強(qiang)，產(chan)生(sheng)了(le)減(jian)少(shao)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)排(pai)放(fang)目(mu)標(biao)這(zhe)一(yi)概(gai)念(nian)。新(xin)氣(qi)候(hou)政(zheng)策(ce)的(de)一(yi)個(ge)基(ji)石(shi)是(shi)全(quan)球(qiu)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)發(fa)展(zhan)和(he)擴(kuo)展(zhan)以(yi)及(ji)能(neng)源(yuan)效(xiao)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)。

歐洲是現代能源和氣候政策的先驅，德國是利用新能源技術方麵一個最好的例證。鑒於到2020年，要實現減少14%的二氧化碳排放量（與2005年的排放量相比）的目標，到2020年可再生能源在初級能源消耗中的比例要增加到18％（2005年為6%）。對於德國總電力消費來說，這意味著到2020年可再生能源的份額將增加一倍，如圖2所示。展望未來，到2050年計劃可再生能源的份額達到70%。

今天，風力發電是再生能源中最大的細分市場。在德國

，風能擁有45％的市場份額，其後分別是生物發電
、水力發電和太陽能發電


圖2德國可再生能源在總能源消耗量中的比例
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降低電力成本

yuzhengzhiyaoqiudeshishiheyoujingjiliangxiangmutigongcaizhengjianglipingxingdeshi
，kezaishengfadiandechengbenzhengzhubuxiajiang。yirengbeirenweishizuiangguidechuantongfadiantidaifangandetaiyangnengfadianweili。2008年9月，一個晶體太陽能電池組件的價格大約為€3.5/Watt；如今，恰恰相反，可比模塊的成本低了35％。zhedeyiyuguoshengdeshengchannengli，jiliedejingzheng
，tebieshilaizizhongguodezhizaoshangwangpiliangshengchandeguodu
，yijizuihoudanbingfeizuibuzhongyaodeyidian
，jiduiguiyuanliaoshichangdefangsong。dao2010年底，價格有可能低到€1/Watt。由於這些成本因素，采用太陽能發電產生一kWh的成本將進入傳統發電方式的成本範圍（見附錄3）。

受益的功率半導體行業

功gong率lv半ban導dao體ti行xing業ye將jiang在zai兩liang方fang麵mian受shou益yi於yu可ke再zai生sheng能neng源yuan市shi場chang即ji將jiang到dao來lai的de增zeng長chang。首shou先xian，能neng量liang轉zhuan換huan自zi身shen需xu要yao功gong率lv半ban導dao體ti

，例li如ru風feng力li發fa電dian站zhan中zhong的de逆ni變bian器qi。其qi次ci，半ban導dao體ti是shi變bian速su驅qu動dong器qi的de核he心xin元yuan件jian，而er變bian速su驅qu動dong器qi又you是shi風feng能neng、太tai陽yang能neng和he生sheng物wu沼zhao氣qi能neng裝zhuang機ji中zhong不bu可ke缺que少shao的de。這zhe種zhong控kong製zhi驅qu動dong器qi用yong於yu如ru根gen據ju太tai陽yang移yi動dong路lu徑jing調tiao整zheng太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de太tai陽yang跟gen蹤zong器qi或huo用yong於yu風feng力li發fa電dian機ji中zhong最zui佳jia葉ye片pian間jian距ju的de調tiao整zheng。在zai生sheng物wu沼zhao氣qi工gong廠chang，控kong製zhi驅qu動dong器qi負fu責ze生sheng物wu材cai料liao的de精jing確que投tou入ru和he混hun合he。

由於其技術優勢以及對用戶友好的原因，模塊主要被用作可再生發電應用中的電子開關。一個模塊包括一塊矽芯片、一(yi)塊(kuai)絕(jue)緣(yuan)的(de)陶(tao)瓷(ci)襯(chen)底(di)以(yi)及(ji)一(yi)個(ge)提(ti)供(gong)必(bi)需(xu)功(gong)率(lv)連(lian)接(jie)的(de)模(mo)塊(kuai)外(wai)殼(ke)。這(zhe)些(xie)模(mo)塊(kuai)按(an)照(zhao)組(zu)裝(zhuang)和(he)連(lian)接(jie)技(ji)術(shu)以(yi)及(ji)集(ji)成(cheng)的(de)程(cheng)度(du)有(you)不(bu)同(tong)的(de)版(ban)本(ben)
，比(bi)如(ru)包(bao)含(han)集(ji)成(cheng)驅(qu)動(dong)器(qi)、電流傳感器和散熱器。


圖3不同功率模塊的剖麵圖；(a)標準IGBT半橋模塊；(b)智能功率模塊（IPM），包含半導體芯片、絕緣材料、帶保護傳感器的驅動器、電流傳感器和散熱器。

2008年
，用於可再生能源應用的功率半導體模塊的份額僅為模塊市場的7.5％。也就是說，這個市場擁有25％的最快年平均增長率。到2012年，該市場預計將產生3.8億美元的銷售額。

風feng力li發fa電dian和he太tai陽yang能neng發fa電dian中zhong，由you於yu要yao保bao障zhang經jing濟ji的de運yun行xing，因yin而er供gong電dian可ke靠kao性xing是shi首shou要yao任ren務wu。其qi次ci為wei高gao效xiao率lv和he係xi統tong的de緊jin湊cou性xing。對dui於yu功gong率lv半ban導dao體ti製zhi造zao商shang來lai說shuo
，這zhe意yi味wei著zhe特te別bie困kun難nan的de挑tiao戰zhan：ruhemanzuzhexiezaimouxiefangmiancunzaixianghuchongtudeyaoqiu。ciwai，suizhenibianqigonglvdezengda，binglianmokuailianjiehereguanlijiangbiandeyuelaiyuezhongyao。yiyitaishuchuwei3MW的風力發電機組為例：約45kW的熱損耗發生在功率半導體中—該值相當於三戶私人住宅對采暖係統功率的需求.

製造商麵臨的新挑戰

⑴　焊接連接

傳統有基板焊接功率模塊中
，焊接連接往往是模塊上的機械薄弱點。由於材料的熱膨脹係數不同
、高gao溫wen波bo動dong和he運yun行xing過guo程cheng中zhong的de過guo度du負fu載zai循xun環huan將jiang導dao致zhi焊han料liao層ceng疲pi勞lao。這zhe表biao現xian為wei熱re阻zu增zeng加jia
，從cong而er導dao致zhi更geng高gao的de溫wen度du。這zhe種zhong反fan饋kui機ji製zhi最zui終zhong將jiang導dao致zhi器qi件jian失shi效xiao。
在焊接到印刷電路板的連接中，冷焊點往往也帶來額外的可靠性問題。


圖4焊接連接部分的模塊剖麵圖

⑵　基板

大尺寸、輸出功率大的模塊的基板隻能艱難地進行優化，和/huohuafeixiangdangdadedaijiagenjuzuijiarexingnenghejixiexingnengjinxingyouhua。danmianhanjiedechendilianjiehuidailaishuangjinshuxiaoying，zaochengfeijunyunbianxing，congerwufatigongyigezhisanrepiandelianghaorelianjie。bixushiyongdaorenenglichayixiedesanretucengtianchongjibanhesanrepianzhijiandejianxi
，erbushicaiyongquancailiaofengbideyouhuarelianjie。qijieguoshi：係統的熱阻變差。

⑶　內部模塊布局

對於200A及以上的模塊，一些半導體芯片必須並聯連接到DCB陶瓷上，以實現額定電流更大的模塊。然而
，由於常規有基板模塊設計方麵的機械限製，不可能設計出完全對稱的DCB。因(yin)此(ci)
，在(zai)不(bu)同(tong)的(de)芯(xin)片(pian)位(wei)置(zhi)出(chu)現(xian)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)和(he)電(dian)流(liu)水(shui)平(ping)的(de)差(cha)異(yi)。因(yin)此(ci)，模(mo)塊(kuai)的(de)規(gui)格(ge)必(bi)須(xu)是(shi)基(ji)於(yu)最(zui)弱(ruo)的(de)芯(xin)片(pian)而(er)製(zhi)定(ding)的(de)。帶(dai)鍵(jian)合(he)線(xian)的(de)內(nei)部(bu)線(xian)路(lu)或(huo)連(lian)接(jie)器(qi)會(hui)使(shi)內(nei)部(bu)模(mo)塊(kuai)的(de)電(dian)阻(zu)和(he)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)變(bian)得(de)更(geng)差(cha)。

⑷　芯片溫度

近年來
，半導體技術的改進使得矽結構變的更好從而使得芯片的尺寸更小，電流密度更大。例如，150A/1200VIGBT的尺寸在過去的幾年中已經縮小35％以上。同時，最高允許芯片溫度上升到175°C。這意味著設計製造結構更加緊湊的模塊是可能的。但是這種趨勢的一個缺點是模塊中會存在更大的溫度梯度
，會導致焊料疲勞，即第1節中所述的常見故障原因。換言之，整體模塊的可靠性降低。
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創新技術提供解決方案

上述問題都是相互依存的因素。因此，讓人們意識到需要尋找一個集成解決方案而不是孤立地看待這些問題。

SkiiP技ji術shu中zhong有you一yi個ge方fang案an解jie決jue了le基ji板ban和he焊han接jie連lian接jie方fang麵mian的de問wen題ti，即ji將jiang基ji板ban和he與yu襯chen底di相xiang連lian的de大da麵mian積ji易yi疲pi勞lao焊han接jie連lian接jie全quan部bu去qu除chu，轉zhuan而er采cai用yong受shou專zhuan利li保bao護hu的de壓ya接jie係xi統tong。在zai壓ya接jie係xi統tong中zhong

，襯chen底di通tong過guo機ji械xie壓ya力li被bei壓ya在zai散san熱re器qi上shang。由you於yu陶tao瓷ci襯chen底di比bi較jiao靈ling活huo並bing且qie壓ya力li是shi通tong過guo幾ji個ge點dian上shang的de機ji械xie“手指”施加的，可保證陶瓷襯底和散熱片之間的接觸非常緊密。因此，散熱塗層的厚度可以減少僅為（20-30）µm。相比之下
，帶基板模塊的散熱塗層的厚度為100µm。




圖5不同壓接係統的對比：（a）MiniSKiiP壓力接觸
；（b）SKiiP橋元件；（c）帶壓接軌的SKiM

這種壓接係統可適應給定的條件，而不管模塊的幾何形狀。MiniSKiiP模塊中，壓力接觸位於塑料模塊殼體本身。SKiiP和SkiM模mo塊kuai中zhong
，壓ya力li是shi通tong過guo適shi當dang的de壓ya力li元yuan件jian施shi加jia的de。主zhu端duan子zi也ye采cai用yong相xiang同tong的de壓ya接jie係xi統tong與yu陶tao瓷ci襯chen底di相xiang連lian。彈dan簧huang觸chu點dian被bei用yong來lai代dai替ti焊han接jie柵zha極ji端duan子zi以yi及ji高gao達da20A的負載連接。彈簧觸點已經被證明是合適的，特別是在外殼過度震動時。

最新的科技成就是芯片連接采用銀燒結合金而不是焊接。表1顯(xian)示(shi)了(le)焊(han)接(jie)和(he)燒(shao)結(jie)連(lian)接(jie)主(zhu)要(yao)參(can)數(shu)的(de)對(dui)比(bi)。令(ling)人(ren)震(zhen)驚(jing)的(de)是(shi)
，燒(shao)結(jie)連(lian)接(jie)熔(rong)點(dian)高(gao)得(de)多(duo)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)給(gei)定(ding)溫(wen)度(du)擺(bai)幅(fu)下(xia)連(lian)接(jie)的(de)老(lao)化(hua)率(lv)將(jiang)低(di)得(de)多(duo)。因(yin)此(ci)
，材(cai)料(liao)的(de)疲(pi)勞(lao)以(yi)及(ji)由(you)此(ci)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)故(gu)障(zhang)將(jiang)更(geng)加(jia)靠(kao)近(jin)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)後(hou)期(qi)。使(shi)用(yong)這(zhe)裏(li)描(miao)述(shu)的(de)方(fang)法(fa)，功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的(de)熱(re)循(xun)環(huan)能(neng)力(li)可(ke)增(zeng)加(jia)五(wu)倍(bei)。因(yin)此(ci)，可(ke)能(neng)在(zai)不(bu)對(dui)模(mo)塊(kuai)可(ke)靠(kao)性(xing)做(zuo)出(chu)任(ren)何(he)妥(tuo)協(xie)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)芯(xin)片(pian)運(yun)行(xing)溫(wen)度(du)。

最後一點值得考慮的是新SKiM模塊的內部機械設計。圖6xianshilebiaoyouxinpianweizhidetaocichendidebuju。yaozhuyibujudegaoduduichengxing。zaiyoucekeyikandaotongshiyebanyanjixieyajiexitongjiaosedeneibugonglvmuxian。cengzhuangmuxianheliujingmeigexinpiandedianliuzhijieshideDC+和DC端子之間的雜散電感不到20nH。至於IGBT的關斷
，對於不同位置的芯片
，沒有發現任何的差別。


圖6標有芯片位置的陶瓷襯底的布局
，同時作為機械接觸係統的內部導軌顯示在右側。

可再生能源部門

盡(jin)管(guan)當(dang)前(qian)的(de)經(jing)濟(ji)形(xing)勢(shi)嚴(yan)峻(jun)，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)部(bu)門(men)未(wei)來(lai)將(jiang)在(zai)推(tui)動(dong)一(yi)個(ge)國(guo)家(jia)的(de)工(gong)業(ye)生(sheng)產(chan)和(he)就(jiu)業(ye)率(lv)方(fang)麵(mian)發(fa)揮(hui)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)產(chan)業(ye)似(si)乎(hu)已(yi)經(jing)擔(dan)負(fu)起(qi)了(le)未(wei)來(lai)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。來(lai)自(zi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)和(he)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)技(ji)術(shu)需(xu)求(qiu)，以(yi)及(ji)諸(zhu)如(ru)SiC和GaN這些新材料將為新的發展鋪平道路。