三千大千世界,，論道須彌山,。2019年3月30日，第二屆須彌山大會在江蘇常州舉行,。會議由江蘇省新能源汽車智慧能源裝備創(chuàng)新中心（以下簡稱“國創(chuàng)能源”）主辦,，星星充電承辦,。會議圍繞“智慧能源，電動時代”展開主旨探討,，與會嘉賓涵蓋政產(chǎn)學(xué)研媒融八百多人,。

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臺達(dá)電子趙振清博士為大家?guī)怼皩捊麕О雽?dǎo)體封裝技術(shù)”的演講。內(nèi)容實(shí)錄如下：

感謝星星充電,，感謝李總提供這樣的機(jī)會,。今天我給大家分享一下功率半導(dǎo)體的封裝技術(shù)。我報告主要講幾部分,，首先講一下功率半導(dǎo)體封裝基本技術(shù)及技術(shù)分類,，我還要重點(diǎn)講一下寬禁帶半導(dǎo)體封裝技術(shù)，因?yàn)楹芏鄬＜姨岬搅藢捊麕О雽?dǎo)體是未來電力電子系統(tǒng)性能提升的一個重要推動力,。

我會著重講一下寬禁帶半導(dǎo)體帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn),，從我們角度來看未來可能的一些封裝解決方案。在過去十幾年來,，得力于李澤元教授高瞻遠(yuǎn)矚,。他在十幾年前就認(rèn)為，未來電力電子,，寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展將推動未來電力電子裝置及系統(tǒng)的革命,。功率半導(dǎo)體封裝，特別是寬禁帶半導(dǎo)體的封裝技術(shù)將是整個寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),，所以說從十幾年前我們就開始進(jìn)行了半導(dǎo)體封裝技術(shù)的開發(fā),，我們是從最基本的硅基器件功率模塊封裝做起，通過功率模塊技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,，可以極大地提升開關(guān)電源系統(tǒng)的性能,。

通過多芯片的功率模塊取代原來的分立器件的封裝方法，我們可以把系統(tǒng)的效率和功率密度做一個極大的提升,。我們也做了一些基于IGBT器件在太陽能逆變器,，能量存儲等裝置上的應(yīng)用，也是為了提升整個系統(tǒng)的功率,、密度和效率,。

從2015年開始，很多公司逐漸加速了寬禁帶半導(dǎo)體的開發(fā),，性能也逐漸開始提升,。我們從2015后，我們又進(jìn)行了寬禁帶半導(dǎo)體相關(guān)封裝技術(shù)的開發(fā),，包括氮化鎵,、碳化硅。

從我們多年封裝經(jīng)驗(yàn)來看,，功率半導(dǎo)體的封裝要做好,，一定要做好跨領(lǐng)域的技術(shù)整合,。第一點(diǎn)我們必須要了解電力電子系統(tǒng)的電路，驅(qū)動及控制方法等,，只有解讀好基本需求,，才能對功率模塊本身的技術(shù)需求或者模塊的規(guī)格做準(zhǔn)確的定義。第二我們要了解功率半導(dǎo)體器件本身的特性,，包括失效模式,。我們在封裝中解決掉器件的關(guān)鍵時效模式，才能把這個模塊的封裝做的更可靠,。還有在更小尺寸規(guī)模下的電設(shè)計(jì),、熱設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),，也是解封裝技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵,。還有封裝材料和工藝是一個相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)，背后有很多的設(shè)備和材料的支撐,，這些產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步也促進(jìn)半導(dǎo)體器件能夠更好地在電力電子裝置及設(shè)備上的應(yīng)用,。

寬禁帶半導(dǎo)體本身的特性這幾年大家已經(jīng)談的很多，我就不詳細(xì)的介紹了,。因?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體材料本身的特性非常好,，所以說無論是氮化鎵，還是碳化硅器件,，與硅級的器件相比具有很好的開關(guān)和導(dǎo)通特性,，更具性能優(yōu)勢。

從它對系統(tǒng)影響來看,，寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用到電子裝置上,，可以帶來更高的效率。因?yàn)槠鹆己瞄_關(guān)特性,，可以在保持高效的同時運(yùn)行在更高的開關(guān)頻率,，可以減少電源系統(tǒng)中磁性元件的尺寸，帶來更高的功率密度,。同時,，有的寬禁帶半導(dǎo)體，比如說碳化硅器件可以工作在更高的溫度,，我們可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中降低散熱器的市寸,，在汽車的領(lǐng)域應(yīng)用中還是有非常大的優(yōu)勢，可以降低汽車整體重量,，提升汽車的續(xù)航里程,。同時，因?yàn)槠骷旧淼奶匦?，我們可以把電路做一些簡化,，整個降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

舉一個例子來看,，我們最早開發(fā)的一款開關(guān)電源,，原來我們用硅器件開發(fā)的400伏到48伏的開關(guān)電源，如果我們用氮化鎵器件取代硅器件做這樣的一個電源模塊,，整個系統(tǒng)的功率密度可以降低到原來的一半,，同時保持同樣的系統(tǒng)效率。

從整個系統(tǒng)架構(gòu)來看,，因?yàn)橄到y(tǒng)開關(guān)頻率提高以后,，變壓器從原來的傳統(tǒng)變壓器變?yōu)槠桨宓淖儔浩鳎w積有很大程度的下降,。從整個系統(tǒng)里面,，所有器件的占比來看，采用氮化鎵器件后采用無論對濾波器,、半導(dǎo)體功率模塊本身,，包括PCB尺寸，因?yàn)閷捊麕骷?yīng)用和開關(guān)頻率的提升,，都會帶來50%以上的體積下降,，所以可以極大推進(jìn)和促進(jìn)功率密度的提升。

我們之所以能取得這么好的性能提升,，背后是由于采用了特殊的封裝集成技術(shù),。原來系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的分類器件的技術(shù)，現(xiàn)在采用的是集成了驅(qū)動電路特殊的高頻封裝技術(shù),。

這個封裝本身它最大的優(yōu)點(diǎn)是,，它用一個面專門用來散熱，一個面作為信號或者能量處理面,，是一個導(dǎo)熱特別好的設(shè),。同時由于芯片布局方面采用了非常小的回路設(shè)計(jì)。所以說在系統(tǒng)運(yùn)行的時候,，器件關(guān)段的時候器件上的的電壓SPIKE會降低30幾伏,，開關(guān)會更安全可靠。還有在外殼上有一個特殊的設(shè)計(jì),，可以保證氮化鎵器件在高頻開關(guān)的時候EMI的水平,。

對于碳化硅，很多專家也講過,，碳化硅在我們電動汽車領(lǐng)域,，從輸配電應(yīng)用，充電樁應(yīng)用及汽車上的應(yīng)用，越來越多的公司非常關(guān)注用碳化硅器件取代傳統(tǒng)的IGBT器件,，這無論對充電樁還是在汽車都會帶來很大的性能提升,。

比如說我們做的一款充電樁，基于碳化硅器件開發(fā),，系統(tǒng)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車上,，根據(jù)我們的計(jì)算,，無論對續(xù)航里程還是我們的功率密度也有很大的提升，后面會講到解決方案怎么做到的,。

剛才張總也講過,，如果我們在變壓器側(cè)采用這種固態(tài)變壓器取代傳統(tǒng)變壓器，對大功率充電站會有很大的效率提升,。所以在固態(tài)變化器領(lǐng)域碳化硅也有很好的應(yīng)用前景,，碳化硅雖然已經(jīng)得到這么多應(yīng)用，但依據(jù)我們對碳化硅器件未來發(fā)展角度來看,，其封裝集成還有很多需要解決的技術(shù)挑戰(zhàn),，只有解決好才能更好發(fā)揮其本身的性能優(yōu)勢。

第一個挑戰(zhàn)相比IGBT來講,，碳化硅的開關(guān)速度,，是IGBT 5-10倍的水平。在這樣一個電路中我們看出,，在快速開關(guān)的時候,，我們對封裝的回路有更高的要求，我們期望回路能做到的更小,，才能保證器件高速開關(guān),，降低損耗，同時電壓應(yīng)力也會被控制在安全的水平,。

第二,，我們在碳化硅使用的時候，一般都是使用多個器件并聯(lián)的方式來提升整個的系統(tǒng)功率等級,，必然涉及到芯片并聯(lián)技術(shù),。但是在實(shí)際使用中，通過我們的計(jì)算我們看到,，例如6個器件并聯(lián)形成的橋臂,，在開通和關(guān)斷過程中，并聯(lián)的半導(dǎo)體器件開通和關(guān)斷電流都是有顯著差異的,，這勢必會影響到每個器件的損耗,，溫度差導(dǎo)致性能差異從而影響系統(tǒng)的可靠性,，所以我們在設(shè)計(jì)碳化硅器件封裝的時候，一定要綜合考慮,，盡量做到均衡一個并聯(lián)回路設(shè)計(jì),。

同樣，相比于IGBT,，碳化硅器件開關(guān)過程中的DVDT也是要碳化硅IGBT的幾十倍以上,，這么大的電壓跳變，勢必會在器件的驅(qū)動回路上產(chǎn)生很大的電壓波動,，從而產(chǎn)生誤觸發(fā)的風(fēng)險。從封裝角度上來講,，我們可以在器件最近的位置,，去集成這樣一個電路，能夠抑制住驅(qū)動回路產(chǎn)生的電壓跳變,，這是我們加驅(qū)動電路之后產(chǎn)生的這種效果,。

另外，相同等級的IGBT和SIC MOS器件尺寸比較來看,，碳化硅器件的尺寸只有IGBT一半,，所以說在同樣應(yīng)用條件下，碳化硅封裝時熱的挑戰(zhàn)會更大,。在封裝設(shè)計(jì)的時候,，我們必須要增加碳化硅器件的熱導(dǎo)通通道，一方面用新的材料,，導(dǎo)熱好的材料來做封裝,。另一方面可以通過增加散熱通道的方式來做。而進(jìn)行封裝散熱設(shè)計(jì)的時候,，要盡量保證上下兩側(cè)散熱通道均勻一致,，這樣整體熱阻會更小。

還有應(yīng)力集中也最基本的物理問題,，當(dāng)把一個器件組裝到基板上的時候,，在器件工作的溫度循環(huán)中，會產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中使器件時效,。碳化硅相比硅器件來講它的硬度更大,，如果我們采用傳統(tǒng)的封裝方式去做的話，根據(jù)壽命預(yù)測額公式,，整個模塊的壽命會相比IGBT會降低50%,，這是一個很非常大的可靠性風(fēng)險。所以在這整個行業(yè)界,，特別是封裝行業(yè)界,，會不斷的開發(fā)一些新材料來解決這些問題,。

納米銀材料就是一款現(xiàn)在目前開發(fā)比較多的，可以提升器件封裝可靠性的材料,。另一方面還可以充分發(fā)揮碳化硅器件的高溫特性,，這種材料與傳統(tǒng)錫基釬料相比可以碳化硅器件封裝模塊壽命提高到原來的一倍以上，同時它可以讓器件能夠在更高的溫度下工作,。

從未來器件性能發(fā)展的角度來看,，我們縱觀一下碳化硅器件同2016年-2019年整個性能的變化，它的Cgd從2016年-2019年降低了33%,，尺寸從2016年到2019年降低50%,，因?yàn)槌叽鐪p小熱阻也是增加了45%。

碳化硅器件封裝面對高頻的挑戰(zhàn),、熱的挑戰(zhàn)會越來越嚴(yán)重,。我們認(rèn)為面對寬禁帶半導(dǎo)體，特別是碳化硅來講,，未來的封裝形式一定是一種散熱更好,，回路更小，還要考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用條件,。綜合來看它一定是雙面散熱型的,，能夠保證器件高溫工作，充分發(fā)揮碳化硅高溫特性的一種封裝形式,。

我們看到這種形式就是我們對未來碳化硅封裝的一個設(shè)計(jì)構(gòu)想,，相對于傳統(tǒng)封裝形式，可以提供更小的回流電感,，更小的熱阻,。如果從汽車角度來看，如果我們把這樣的模塊應(yīng)用到電動汽車領(lǐng)域,，用在INVERTER上面,，那么從效率來講，最高效率可以達(dá)到98.4%,，相比傳統(tǒng)封裝形式會有所提高,。高效帶來的好處是，從續(xù)航里程來講,，大概有4-6%的提升,，因?yàn)槠潆p面散熱的設(shè)計(jì)，首先可以高溫工作,，再一個設(shè)計(jì)提供多散熱通道,，所以說汽車在急加速的時候可以提供1.3倍的Peak Power，這種優(yōu)化的機(jī)構(gòu)及材料組合設(shè)計(jì),，可以把整個模塊或者Inverter的壽命可靠性提高到兩倍以上,。

綜上所述,，毫無疑問我們認(rèn)為碳化硅這種寬禁帶半島體會給未來電力電子行業(yè)帶來很大的革命。但寬禁帶半導(dǎo)體封裝挑戰(zhàn)是很大的,，需要整合,，從功率半導(dǎo)體，模塊封裝到整個電力電子系統(tǒng),。需要產(chǎn)業(yè)鏈上各個領(lǐng)域,，來共同推進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用和發(fā)展，為整個行業(yè)帶來更大的技術(shù)提升,。以上是我的報告,，謝謝。