隨著世界各國(guó)對(duì)節(jié)能減排的需求越來(lái)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(wèn)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(shuō)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(kāi)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(kāi)發(fā)上越來(lái)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(kāi)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?。ü男。┑幕A(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(kāi)發(fā)的主題?！边@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(guò)，從近兩年功率半導(dǎo)體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)趨勢(shì)上看，由于變頻家電越來(lái)越普及，越來(lái)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(guò)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(lái)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)谷口豐聰即指出，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(kāi)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(kāi)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(guò)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(lái)業(yè)界產(chǎn)品開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(guò)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(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)去使用限制性綁定線連接的電力電子技術(shù)來(lái)說(shuō)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(kāi)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(kāi)始把注意力放到碳化硅材料的開(kāi)發(fā)上。對(duì)此，谷口豐聰即指出，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(lái)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(lái)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(kāi)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(kāi)始SiC-SBD的量產(chǎn)，2010年12月開(kāi)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(lái)，羅姆積極推進(jìn)溝槽型SiC-MOSFET等產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)，通過(guò)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(lái)說(shuō)，在控制方面電氣不可或缺?？傊蓟栌兄鴥?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。