智能功率模塊的案例
國內首條SiC智能功率模塊生產線在廈門正式投產
目前來看我覺得還是有機會的，雖說碳化硅基器件仍不便宜，但是被動元件的節省以及散熱壓力的減小是的碳化硅基的功率模塊已然能做到接近兩毛五一瓦的價格，而且是在當前終端市場很不成熟的條件下做到的，SiC外延片的尺寸的突破以及位錯密度的持續降低，將會促進成本的進一步降低。
運載工具（車船飛機等）上的功率轉換模塊的輕量化要求將會為碳化硅基功率模塊提供機會，只不過可靠性的驗證需要時間，且部分領域需要相當的時間，而且無法跳過。對于從業者來說，我覺得乘著終端市場仍未起來前做積累并在博士期間多做些企業項目是很有價值的。
來源：廈門網
為何智能功率模塊會盛行，ROHM的600V產品有哪些特色？
而IPM避免了上述問題，因為所有的功率器件在IPM內部已經匹配、固化好，因此非常利于設計和操作。
所以現在不僅是空調行業，包括通用的工業伺服領域，7kW以內的產品已在大批量采用IPM。
3）價格有競爭力
IPM價格并不是太大的障礙了，因為對于制造，無論是貼裝、測試等，時間成本和人力成本都是很高的。IPM可以降低這方面的成本。
4）節省面積空間
IPM不同于普通的功率模塊(PM)。功率模塊是把需要用到的一些功率器件集合在一個封裝里。設計時還需要外圍匹配合適的驅動等電路來驅動功率模塊。
IPM不僅把功率器件集成進去了，還把驅動電路以及周邊的保護電路集成到模塊里。IPM的應用更加簡單，就像控制邏輯器件一樣來控制功率模塊。
以空調電機的壓縮機控制板為例。下圖左邊藍色邊框內的部分是以往的功率驅動板，它把功率器件、驅動電路和電流檢測保護電路分布在板子上，實現了功率轉換。現在，這些眾多的器件在新的板子上都被1個IPM代替，面積只有原來的1/3。所以從節省空間和易于設計的角度來看，IPM有很大的優勢。
當然，IPM不會完全取代分立器件。在偶爾的一些性能指標上，由于分立器件可以更靈活地對外圍器件做調整，所以占有一定的優勢。不過，隨著IPM性能越來越可靠，應用越來越適用，而且現在對調節電路的要求也越來越弱化了，因此在設計上很少會牽扯到這方面的要求。
另外，IPM目前面向小功率的家電設備和工控設備的，例如10kW或15kW以下的產品，用IPM的可能性更大；更大功率的產品目前還是以“驅動+PM(功率模塊)”為主。
展開 碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
功率模塊各個構件的材料屬性非常重要，本文沒有深入研究過各種材料的特性，僅簡要介紹幾種主流材料以及文中設計功率模塊所涉及的材料。
在這些部件中，最主要是器件、陶瓷襯底。器件是模塊的核心，陶瓷襯底是器件散熱、絕緣以及電回路的襯底基礎。器件損耗產生的熱，絕大部分通過陶瓷襯底經底部基板耗散出去，同時陶瓷襯底的熱阻占了器件結到模塊外殼熱阻的大部分，陶瓷襯底以及上下表面焊料層也是功率模塊可靠性問題的重點。所以陶瓷襯底的選擇是功率模塊設計中除功率器件本身之外最重要的部分。
對于電動汽車應用的功率模塊，A1203和AIN是常見的襯底材料，前者是傳統硅IGBT功率模塊中常用的襯底材料，價格低廉；后者導熱性能好，機械強度也較高，而且熱膨脹系數（CTE）和SiC材料的CTE(3ppm/°Ｃ）更接近，所以導熱性和可靠性會更高，但是價格較高。兩者的性能對比如表5.1所示。
焊接材料主要用于器件與陶瓷襯底和底部基板與陶瓷襯底兩處的連接，考慮到模塊工作時的溫度分布，本文在兩處采用了兩種焊錫材料。器件與陶瓷襯底之間溫度相對較高，采用的焊錫材料也是熔點較高的錫銅焊料（~225°Ｃ），陶瓷襯底與底部基板之間溫度190°Ｃ）。
半導體芯片正面引線鍵合所用的鍵合線有多種材料，常見的有鋁（Al）、金（Au）、銅（Cu），本文中采用了ＡI鍵合線，由于商業芯片正表面基本為Al層，所以鍵合線和芯片之間鍵合程度高。
展開 功率模塊雙面散熱介紹
由于易于使用和生產成本低，引線鍵合一直是功率模塊封裝中使用的互連方法。然而，這種非對稱封裝結構存在寄生電參數大、熱應力作用下模具彎曲等一系列缺陷。雖然引線鍵合在技術上有一些改進，包括使用Cu或Al帶狀線鍵合取代Al，但由于連接點處的熱應力較高，連接強度相對較低，引線鍵合仍然是電源模塊可靠性中最薄弱的環節。引鍵合方法也是寄生損耗的主要來源。更重要的是，線鍵的存在阻止了功率半導體器件頂部散熱的可能性。
雙面散熱——優勢&發展
以擺脫作為互連方法的線鍵合，引入替代互連技術，功率半導體器件通過焊料或燒結直接連接到銅導體上，以便熱量可以通過功率半導體器件的兩側消散和傳遞。由于消除了線鍵，功率半導體器件頂部的附加路徑使兩條平行冷卻路徑成為可能，從而形成雙面冷卻功率模塊，近幾年對功率模塊雙面冷卻的研究也越來越多。和單面結構散熱結構相比，雙面冷卻結構在功率芯片的兩側均焊接有絕緣導熱基板，功率端子全部與絕緣導熱基板相連，絕緣導熱基板的外側安裝有散熱器。這種設計可以提供更好的傳熱，并大大降低有效溫度。理論上，雙面冷卻可使裝置與冷卻劑之間的Rth降低50%。
與單面冷卻電源模塊相比，雙面冷卻功率模塊的
優勢包括：
1）改進的熱性能將減少功率模塊內的溫度波動和熱應力。
展開 
考慮多因素影響的光伏發電功率智能預測研究
隨后出現了基于各種神經網絡的光伏發電功率預測方法，神經網絡具有自我學習、訓練和聯系功能，可以不斷擬合光伏發電功率變化特點[9,10,11]，預測效果要明顯優于灰色系統，但是其存在建模時間長、易獲得局部最優的光伏發電功率預測結果等不足，影響了光伏發電功率預測可靠性[12]；近幾年，出現了支持向量機的光伏發電功率預測方法，其避免了神經網絡學習能力差的弊端[13,14]，但是其同樣存在學習時間長，使得光伏發電功率預測效率低。當前建模方法均認為所有因素對光伏發電功率預測結果均存在相同的影響程度進行建模，這與實際情況不相符，導致光伏發電功率預測結果有待進一步改善。
為了獲得更優的光伏發電功率預測結果，本文設計了考慮多因素影響的光伏發電功率智能預測方法，首先采用相關性分析法確定每一種影響因素對預測結果的貢獻率，即權重值，然后采用最小二乘支持向量機對光伏發電功率變化規律進行建模，最后通過具體光伏發電功率預測實例對其有效性進行測試和驗證。
2 考慮多因素影響的光伏發電功率智能預測方法
2.1 光伏發電原理
光伏發電原理具體為：首先太陽光對光伏電池板進行照射，然后光伏電池板將光能轉換為電能，最后將電能送到用電設備，具體如圖1所示。
圖1 光伏發電的原理
2.2 光伏發電系統的基本結構
當前光伏發電系統通常劃分為3類，具體為：獨立型、并網型和混合型，它們均包含一個存能裝置，相對于獨立型、混合型的光伏發電系統，并網型的光伏發電系統使用更廣泛，基本結構可以描述如圖2所示。
展開 智能汽車時代，功率半導體的發展新機遇
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電動汽車逆變器功率模塊的設計與仿真
橫向流動導致溫度分布不均勻，因為在整個功率模塊中流動不均勻。 橫向和縱向流動都可以受益于歧管設計，以保持整個功率模塊的溫度均勻。 當我們稍后考慮電源組件的設計時，我們將研究這種設計。
4、結論
我們研究了電動汽車逆變器功率模塊的設計和仿真方面。 特別是，我們研究了功率模塊的電氣和熱行為。 我們將一維等效行為模型與 CFD 求解器結合起來計算結溫，并能夠設計參考冷卻系統以將 IGBT 和二極管的結溫保持在其工作范圍內。
【免責聲明】本文部分資料摘自網絡平臺，版權歸原作者所有，僅用于技術分享與交流，非商業用途！若有涉及版權等請告知，將及時修訂刪除，謝謝大家的關注！
展開 入局碳化硅，蔚來將建SiC功率模塊實驗線？
據公示消息，蔚然動力項目分為8個內容，其中包括新增碳化硅實驗室，將自研一條碳化硅功率模塊工藝實驗線，新增若干測試設備。
據了解，碳化硅材料可使系統效率更高、重量更輕，且結構更緊湊。在電動汽車中，碳化硅可應用于驅動和控制電機的逆變器、車載充電器、快速充電樁等系統。目前，不少電動車制造商均開始快速導入碳化硅技術。
電動車制造商入局碳化硅，不僅可以保證自己掌握核心的技術壁壘，形成更好的用戶體驗，也能加強供應鏈的穩定。
值得注意的是，今年6月，蔚來首臺碳化硅電驅系統C樣件（批量樣件，用于工藝和生產試驗驗證）下線。作為蔚來第二代電驅動平臺的產品，該電驅系統更加高效、緊湊、輕量化，是當前電動車制造領域的先進技術。
據悉，該SiC電驅系統將搭載在ET7上，為車輛提供更長的續航里程。蔚來ET7于今年1月全球首發，5月正式下線。車輛定位為純電動中大型轎車，配備容量為70kWh、100kWh和150kWh三種電池包，NEDC工況下續航里程分別超過500km、700km和1000km。
來源：化合物半導體市場
展開 GaN功率芯片走向成熟，納微GaNSense開啟智能集成時代
例如，特斯拉等車廠使用SiC做主驅等，因為SiC更適合做大功率、更高端的應用。
目前GaN在消費領域做得非常好，可以完全替代Si器件；而SiC下探到消費領域非常難。
現在是GaN不斷往上走，電壓、電流、功率等的等級不斷往上探，以納微為例，未來的布局有服務器、數據中心、電動汽車等。而且GaN往上探沒有限制，例如納微在2021年底或2022年就會推出小于20mΩ的器件，意味著可以做到單體（3.3~ 5）kW的功率，未來做模塊，例如3個die(晶片)或者更多die做橋壁、并聯等，很快功率等級會從10kW到20kW、30kW……據電子產品世界記者所知，已有GaN模塊供應商推出了電動汽車的充電樁方案、主驅等；納微也有此方面的規劃。
從器件本身特征看，與Si和SiC器件本身相比，GaN每次開關能量的損耗可以更低。所以GaN相比于SiC更節能。
02
GaN的應用領域
● 手機充電器。主要兩個原因，①手機電池容量越來越大，從以前的可能2000mAH左右，到現在已經到5000mAH。GaN可以讓充電時間減少，占位體積變小。②手機及相關電子設備使用越來越多，有USB-A口、USB-C口，多頭充電器市場很大，這也是GaN擅長發揮的領域。
● 電源適配器。可用于平面電視、游戲機、平板等。GaN適配器可以做得更小、更輕，大約每年有20億美元左右的市場機會。
● 數據中心。據納微測算，每年GaN功率芯片可以節省19億美元左右的電費。
● 太陽能發電。
展開 馬勒直冷式“多合一”機油管理模塊，幫助提升電機功率 ￥500
2020年10月27日《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中提出到2035年，乘用車電機比功率要達到7.0kW/kg，電機系統超過80%的高效率區（電機效率>95%）。隨著新能源汽車對電機功率密度要求越來越高，散熱效率的要求也在不斷的提高。同時隨著驅動系統集成化的發展趨勢，對系統的散熱能力也提出了更高的要求。因此相比間接的水冷解決方案，散熱效率更高的直接式油冷解決方案需求將迎來快速增長，根據IHS預測到2030年油冷的市場份額將提升至35%以上。
馬勒緊湊高效的“多合一”機油管理模塊
為滿足搭載油冷動力總成的電動車日益增長的機油管理需求，馬勒開發了一款集成了過濾器、電動機油泵和機油冷卻器的“多合一”機油管理模塊。馬勒的這項創新能夠幫助汽車廠商應對日益提升的電驅動性能所帶來的挑戰。
圖1：機油管理模塊所包含的零件
馬勒“多合一”機油管理模塊差異化優勢
馬勒在開發新款機油管理模塊時，首先要考量的是要滿足直冷式動力總成所需的全部必要功能，包括冷卻、過濾和機油輸送。確保系統內部最小的壓力損失、盡可能小的重量、良好的噪音表現和安裝靈活性都是必須具備的特質。減少與動力總成的接口意味著安裝時需要更少的零件，花費更少的時間和精力，可以降低整車重量，降低成本。
成本更低，更智能的油路熱管理
為了減少冷啟動初期的壓力損失，并快速調節回路中的油（圖2，左側），可以打開旁通閥繞過機油冷卻器。這項功能可以通過蠟節溫器等裝置來實現，它根據溫度大小可以關閉旁通閥使機油通過冷卻器。加熱后的蠟節溫器可加快打開速度：蠟在加熱后，即使機油體積流量較低，仍可使閥門更快打開。電控節溫器使打開速度大大加快（圖3，右側）。因此，該解決方案是傳統上帶比例閥的直接控制節溫器的低成本替代方案。最佳控制范圍約為45°C-60°C。
展開 GaN功率芯片走向成熟，納微GaNSense開啟智能集成時代
例如，特斯拉等車廠使用SiC做主驅等，因為SiC更適合做大功率、更高端的應用。
目前GaN在消費領域做得非常好，可以完全替代Si器件；而SiC下探到消費領域非常難。
現在是GaN不斷往上走，電壓、電流、功率等的等級不斷往上探，以納微為例，未來的布局有服務器、數據中心、電動汽車等。而且GaN往上探沒有限制，例如納微在2021年底或2022年就會推出小于20mΩ的器件，意味著可以做到單體（3.3~ 5）kW的功率，未來做模塊，例如3個die(晶片)或者更多die做橋壁、并聯等，很快功率等級會從10kW到20kW、30kW……據電子產品世界記者所知，已有GaN模塊供應商推出了電動汽車的充電樁方案、主驅等；納微也有此方面的規劃。
從器件本身特征看，與Si和SiC器件本身相比，GaN每次開關能量的損耗可以更低。所以GaN相比于SiC更節能。
02
GaN的應用領域
● 手機充電器。主要兩個原因，①手機電池容量越來越大，從以前的可能2000mAH左右，到現在已經到5000mAH。GaN可以讓充電時間減少，占位體積變小。②手機及相關電子設備使用越來越多，有USB-A口、USB-C口，多頭充電器市場很大，這也是GaN擅長發揮的領域。
● 電源適配器。可用于平面電視、游戲機、平板等。GaN適配器可以做得更小、更輕，大約每年有20億美元左右的市場機會。
● 數據中心。據納微測算，每年GaN功率芯片可以節省19億美元左右的電費。
● 太陽能發電。
展開 
哈爾濱理工大學蔡蔚教授團隊研究成果：SiC 功率模塊封裝技術及展望
美國GE公司的全球研究中心設計了一種疊層母線結構，構造與模塊重疊并聯的傳導路徑，使回路電感降至4.5 nH。德國賽米控公司采用納米銀燒結和SKiN布線技術，研發出SiC功率模塊的高溫、低感封裝方法。德國英飛凌公司采用壓接連接技術，研制出高壓SiC功率模塊。德國Fraunholfer研究所采用3D集成技術研制出高溫（200 ℃）、低感（≤1 nH） SiC功率模塊。瑞士ABB公司采用3D封裝布局，研制出大功率低感SiC功率模塊。瑞士ETH采用緊湊化設計，優化功率回路，研制出寄生電感≤1 nH的低電感SiC功率模塊［
14
］。日本尼桑公司基于雙層直接敷銅板（direct bonded copper， DBC）封裝，研制出低感SiC功率模塊，應用于車用電機控制器。
上述碳化硅的優良特性，只有通過模塊封裝布局的可靠性設計、封裝材料的選型、參數的優化、信號的高效和封裝工藝的改善，才能得以充分發揮。
本文提出的解決方案討論
本文中重點聚焦典型封裝結構下，低雜散參數、雙面散熱模塊下緩沖層的影響和功率模塊失效機理等關鍵技術內容的梳理總結，最后展望了未來加壓燒結封裝技術和材料的發展。
1 模塊封裝形式
隨著新興戰略產業的發展對第3代寬禁帶功率半導體碳化硅材料和芯片的應用需求，國內外模塊封裝技術也得到迅速發展，追求低雜散參數、小尺寸的封裝技術成為封裝的密切關注點，國內外科研團隊和半導體產業設計了結構各異的高性能功率模塊，提升了SiC基控制器的性能。
（1） 傳統封裝：Wolfspeed、Rohm和Semikron等制造商大多延用傳統Si基封裝方式，功率等級較低，含有金屬鍵合線，雜散電感較大。
展開 車規級功率半導體模塊散熱基板行業基本情況及發展趨勢
（1）行業概況
1）產品概述
良好的熱管理對于功率模塊穩定性和可靠性尤為重要，相較于其他應用領域，新能源汽車電機控制器用功率半導體模塊面臨著更為復雜的使用環境和特殊的應用工況：一是車載工況功率等級高、循環波動極其復雜，功率模塊溫度快速變化，經常處于“極熱”或“極冷”狀態，消費級半導體溫度可承受區間一般為-20℃—70℃，而車規級半導體一般要求溫度可承受區間達到-40℃—125℃。
此外，在對抗濕度、粉塵、鹽堿自然環境、有害氣體侵蝕等方面，車規級半導體也有更高要求；二是汽車行駛過程中會存在振動與顛簸，功率模塊長期處于高震動的工作環境，要求功率模塊各組成部分具有足夠的機械強度，能夠在強震動環境下正常運行；三是必須確保超長使用壽命和零容錯率，整車設計壽命通常在 15 年及以上，遠高于消費電子產品的壽命需求，在失效率方面，整車廠對車規級半導體的要求通常是零失效；四是裝配體積、重量和制造成本有嚴格限制。
新能源汽車電機控制器復雜嚴苛的使用工況對功率模塊散熱基板的性能和可靠性提出了很大的挑戰，散熱基板需在熱傳導性能、熱膨脹系數、硬度、耐用性、體積、成本等諸多方面滿足車規級使用場景的需求。
發行人所產銅針式散熱基板，即用于配套電機控制器用功率模塊。散熱基板作為電控功率模塊的重要組成部件與核心散熱功能結構，通過改善功率模塊散熱性能，進而提升電機控制器功率密度，最終達到優化電驅動系統性能的效果。
2）散熱方式與結構
從實踐看，目前常見的功率模塊熱管理方式主要有空冷散熱和液冷散熱。
展開 國產氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊，提升新能源汽車五項重要性能
▲全球汽車廠商部分車型逆變器技術碳化硅SiC功率模塊量產時間
現如今，隨著新能源電動汽車爆發式增長，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊，對提升新能源汽車加速度、續航里程、輕量化、充電速度、電池成本5項性能尤為重要。全球眾多汽車廠商在新出的新能源電動汽車車型上，大都采用了或者準備采用氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊。據業內機構估計，隨著眾多基于800V高壓平臺架構的新能源汽車將進入量產階段，到2030年將有超過65%的新能源電動汽車電子功率器件領域采用Si3N4-AMB氮化硅陶瓷覆銅基板工藝升級的SiC功率模塊技術。
1、氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊提升新能源電動汽車加速度性能
曾幾何時，談起新款剛上市新能源電動汽車的重要性能，起步百公里加速時間是一項必談重要性能參數。新能源電動汽車加速性能與動力系統輸出的最大功率和最大扭矩密切相關，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊技術允許驅動電機在低轉速時承受更大輸入功率，而且不怕因為電流過大所導致的熱效應和功率損耗，這就意味著新能源電動汽車起步時，驅動電機可以輸出更大扭矩，提升加速度，強化加速性能。
2、氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊增加新能源電動汽車續航里程
續航里程，續航里程，還是續航里程。續航里程是目前新能源電動汽車的首要痛點。氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊通過導通與開關兩個維度降低電能損耗，減少電能耗損失，提升效率，從而實現增加新能源電動汽車續航里程的目的。
3、氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊縮短新能源電動汽車充電時間
充電時間長短是評價一輛新能源電動汽車性能的重要參數，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊，可在800V的高壓平臺上搭配350kW超級充電樁，以提升充電速度，縮短充電時長。
展開 功率模塊封裝用高熱導率Si3N4陶瓷的研究進展
隨著傳統的 Si 基半導體被寬禁帶的第三代半導體(如 SiC 和 GaN)逐步替代，電力電子器件向高電壓、大電流、小尺寸和高輸出功率方向快速發展。高功率密度對功率模塊封裝和封裝材料提出了更高的要求，特別是脆性的陶瓷基板材料。功率模塊的結構如圖 1 所示，陶瓷基板位于裝配有半導體芯片的電路和散熱器(金屬)之間，起著絕緣、散熱和支持保護的作用。
圖1.功率模塊和金屬化陶瓷基板示意圖。
Al2O3、 AlN 和Si3N4 是三種常用的陶瓷基板材料，表1總結了三種材料的性能。Al2O3 陶瓷價格便宜，工藝最成熟，但熱導率低和力學性能差使其無法滿足新一代功率模塊的要求。
表1.Al2O3、 AlN 和 Si3N4 三種陶瓷基板材料的性能。
AlN陶瓷的熱導率高(＞200 W·m-1K-1)，但力學性能較差，難以承受功率模塊運行過程中產生的熱應力， 僅 7 次-40~250 ℃熱循環測試后陶瓷與覆銅金屬的界面處就產生裂紋，導致銅片脫落(圖 2)，嚴重影響功率模塊的可靠性。
圖2.(a)Si3N4覆銅基板 1000 次-40~250 ℃熱循環后的外觀，(b)AlN 覆銅基板 7 次-40~250 ℃熱循環后的外觀，(c)Cu 板分層脫落的側視圖((b)中白色圓圈內。
與之形成鮮明對比的是，兼具優異力學性能和高熱導率的 Si3N4 陶瓷，經歷 1000 次熱循環測試后，仍與銅片結合良好。因此，Si3N4 陶瓷成為最具潛力的功率模塊封裝用陶瓷基板材料而備受關注。
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