高功率器件的案例
陶瓷基板助力高功率器件散熱消暑
來源：百度
當今世界科技飛速發展促進電子器件向集成化、微型化、高功率密度的方向發展，因此給電子器件散熱帶來了嚴峻的挑戰。良好散熱效果依賴于優異的散熱結構設計、熱界面材料、散熱基板、封裝制造工藝等。基板作為承載集成電路芯片的載體，與電路直接接觸，電路產生的熱量需要通過基板向外疏散。選擇一種兼具高熱導率與良好電絕緣性的基板材料成為解決當下電子器件散熱問題的關鍵。
由于傳統覆銅板由于低的熱導率以及具有導電性限制了在當今高功率器件中的應用。因此開發出具有高熱導率和良好的電氣互連的基板材料成為了當下的研究重點方向。目前市面上的PCB從材料大類上來分主要可以分為三種：普通基板、金屬基板、陶瓷基板。傳統的普通基板和金屬基板不能滿足當下工作環境下的應用。陶瓷基板具有絕緣性能好、強度高、熱膨脹系數小、優異的化學穩定性和導熱性能脫穎而出，是符合當下高功率器件設備所需的性能要求。
01
介紹
陶瓷基板制備工藝流程多、流程復雜繁瑣，一款導熱性能優異的陶瓷基板離不開性能優異的粉體、精細的制備技術和嚴苛的測試。
1.1 陶瓷粉體
目前常用的高導熱陶瓷粉體原料有氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化鈹（BeO）等。隨著國家大力發展綠色環保方向，由于氧化鈹有毒性逐漸開始退出歷史的舞臺。碳化硅又因為其絕緣性差，無法應用在微電子電路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉體具有無毒、高溫穩定性好、導熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導體材料相匹配的熱膨脹系數，得到了廣泛推廣應用。
展開 芯導科技募資加強功率器件與IC研發，抓緊第三代半導體材料發展機遇
因此，功率半導體行業下游的市場需求和國內對高性能功率器件的需求均具有廣闊的市場空間。
芯導科技的主體產品包括功率器件和功率IC功率器件和功率IC，在功率器件方面，芯導科技會在目前功率器件產品的基礎上進行技術開發與升級，開發一系列大功率高性能的TVS產品、超低導通阻抗、超低柵極電荷的MOSFET以及超低VF的肖特基二極管，擴展現有產品系列、加強對現有產品的更新迭代。
在功率IC方面，通過加大投入，可以促進高性能數模混合電源管理芯片技術的開發和積累，實現產業化，并豐富產品系列以滿足消費電子市場對電源管理芯片產品的需求。多年專注于功率半導體設計與銷售，令其在消費電子領域的功率IC領域有一定的技術儲備和客戶的資源。按照芯導科技方面的規劃，未來其會把功率IC技術的開發和產業化緊密結合，加大對高性能功率IC技術更深入的開發和研究。
根據招股書方面信息顯示，高性能分立功率器件開發和升級項目達產后，能夠實現大功率高性能的TVS產品年銷量增加654.15百萬顆、超低導通阻抗、超低柵極電荷的MOSFET產品年銷量增加285.10百萬顆以及超低VF的肖特基二極管年銷量增加593.96百萬顆。
高性能數模混合電源管理芯片開發及產業化項目達產后，預計每年新增銷售高性能數模混合電源管理芯片426.36百萬顆，提升芯導科技在功率IC領域的市場份額，優化整體收入結構。
上述兩個項目落址均為上海張江高科科技園區內，項目建設時間均為3年。
抓緊第三代半導體材料機遇
芯導科技的募資項目里面，值得關注的會是硅基氮化鎵高電子遷移率功率器件開發項目。通過該項目，其可以滿足產業內未來第三代半導體材料應用導致對功率器件性能提升的需求，能夠為產業內的相關新技術和新材料的創新突破進行前瞻性的布局。
展開 技術 | 碳化硅功率器件的三大關鍵技術！
碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
功率器件行業發展到IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時期，硅基器件的性能已經接近極限，邊際成本越來越高。
半導體器件產業仍對高功率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等有著越來越多的需求，因此以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等第三代半導體材料為核心的寬禁帶功率器件成為了研究熱點與新發展方向，并逐步進入應用量產階段。
SiC功率器件性能優勢
SiC功率半導體的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，耐壓可達數萬伏，耐溫可達500℃以上，其性能優勢如下：
(1)寬禁帶可大幅減小泄漏電流，從而減少高功率器件損耗；
(2)高擊穿場強可提高功率器件耐壓能力與電流密度，減小整體尺寸；
(3)高熱導率可改善耐高溫能力，有助于器件散熱，減小散熱設備體積，提高集成度，增加功率密度；
(4)強抗輻射能力，更適合在外太空等輻照條件下應用。理論上，SiC器件是實現高壓、高溫、高頻、高功率及抗輻射相結合的理想材料，主要應用于大功率場合，可實現模塊及應用系統的小型化、集成化，提高功率密度和系統效率。
展開 高效能半導體器件進展與展望
1 高效能半導體器件研究進展
1.1寬禁帶半導體氮化鎵射頻器件
由于纖鋅礦結構的GaN材料具備很強的自發極化和壓電極化效應，使其在AlGaN/GaN界面會形成高電子遷移率的二維電子氣(
2DEG
)，2DEG導電能力遠大于傳統半導體器件導電溝道，這也是GaN器件能夠實現高頻高功率的原因。
目前在材料方面，國內GaN，SiC的材料生長已實現國產化，這為我國第三代半導體器件的發展奠定了良好的基礎。在器件方面，國內也取得了非常好的進展，一大批高性能GaN器件從實驗室、研究所走出，開啟第三代半導體器件的廣泛應用。
西安電子科技大學開展了面向5G的C波段的GaN大功率射頻器件的研究，如圖2，在頻率為5GHz，Vd為28V時進行三次諧波調制研究，連續波工作狀態下，器件的功率附加效率到達了目前國際最高指標85.16%，且功率密度為7.0W/mm，功率增益為14.9 dB，這也為6G通信的發展提供了強有力的支撐，為未來毫米波通信奠定了重要的基礎。
1.2 超寬禁帶半導體氧化鎵材料與器件
寬禁帶半導體材料已經能較好支撐高效能半導體器件的發展。近幾年來，學術界正在發展超寬禁帶半導體氧化鎵，Ga2O3具有4.8eV的禁帶寬度。超寬禁帶半導體在理論上具備更高的擊穿電壓、更大的功率密度，為高功率、高壓器件的發展提供了新的思路，讓我們對未來半導體器件的發展充滿期望。
展開 
功率器件 | 日本團隊合作開發出高品質第三代100mm氧化鎵外延片
在本次研發中，外延片制造技術得到了改進，將抑制大電流氧化鎵功率器件發展的降低擊穿電壓特性的缺陷減少到上一代產品的十分之一。
據NEDO官網介紹，這一研發成果將能夠使氧化鎵功率器件被廣泛應用于需要100A級功率器件的市場，如電車、工業設備和電動汽車等，并有望在實現碳中和以及節能方面取得重大進展。
圖1 使用第三代β-Ga2O3 100mm外延片制作的肖特基勢壘二極管樣品
最大芯片尺寸10mm×10mm
1.概述
氧化鎵（β-Ga2O3）作為一種能夠以低成本實現低功率損耗的功率器件新材料而備受關注。功率器件在各種電氣設備中被用于控制電壓和電流，如家用電器、汽車、電車和工業設備等。傳統的功率器件一般使用硅制成，但在功率控制過程中產生的功率損失問題一直亟需解決。為降低功率損失，研究人員正在開發由碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）制成的功率器件，但如果使用β-Ga2O3，則可以進一步減少功率損失并降低電氣設備的功耗。此外，由于可以使用比SiC和GaN更快的制造方法，因此預期成本會降低。所以，目前日本及其它國家都在積極推進研發，以期早日實現β-Ga2O3功率器件的商業化。
在這一背景下，Novell Crystal Technology與佐賀大學在NEDO的戰略節能技術創新計劃下，共同啟動了 "β-Ga2O3功率器件 "項目，旨在實現β-Ga2O3功率器件商業化。在本次研究中，通過改進β-Ga2O3外延片的制造技術，研究人員成功地開發出了第三代β-Ga2O3 100mm外延片，器件擊穿電壓特性的缺陷降低至上一代外延片的十分之一，同時完成了300A～500A級的大型氧化鎵肖特基勢壘二極管的原型樣品制作。這將使β-Ga2O3功率器件能夠被廣泛應用于電動汽車等需要100A級功率器件的市場中。
展開 功率器件封裝結構熱設計綜述
當前功率器件的設計和發展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現出模塊化、多功能化 和體積緊湊化的發展趨勢。為實現封裝器件低電感設計，器件封裝結構更加緊湊，而芯片電壓等級和封裝模塊的功率密度持續提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰。在有限的封 裝空間內，如何把芯片的耗散熱及時高效的釋放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的工作溫度，已成 為當前功率器件封裝設計階段需要考慮的重要問題之一。本文聚焦于功率器件封裝結構的散熱方面，針對功率半導體器件在散熱路徑方面的結構設計進行歸納總結。通過對國內外 功率器件封裝結構設計的綜述，梳理了功率器件封裝結構設計過程中在散熱方面的考慮及封裝散熱特點，并根據功率器 件散熱特點對功率器件封裝結構類型進行了分類。最后，基于降低封裝結構散熱熱阻、提高器件散熱能力的目的，從高導熱封裝材料和連接工藝、芯片面接觸連接、增加散熱路徑 以及縮短散熱路程四個方面對功率器件封裝結構設計在散熱方面未來的發展趨勢進行了展望。
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 功率半導體器件的機遇與挑戰
而美國半導體巨頭安森美半導體(ON Semiconductor）也將以車載半導體為中心，擴充功率半導體產品。
中國的比亞迪也在日前表示，明年會將其IGBT的產能從現在的5萬片提升到十萬片左右。
順便說一下，IGBT的歷史并不是很久遠。1990年左右進入市場，最初并未成為人們的話題。登場的契機居然是因為用在了豐田的混合動力車--“PRIUS-普銳斯”上，自那以后，開始逐漸推廣用于汽車上。
SiC功率器件以電動車為中心，擴展用途
以IGBT為“主角”功率半導體市場很活躍，SiC功率半導體也相當備受矚目。Band gap（禁帶寬度）比硅（1.12）高3.26，熱傳導率也比硅（1.5）高4.9。在周波特性方面也很突出，在對應高電壓方面也實現了1,200V以上。可以說，對于高電壓、高電流應用方面是最合適的功率器件。
據中村先生說，“羅姆公司在本田的Clarity（一款氫燃料電池電動車）上搭載了SiC功率器件，它是世界首次用Full SiC驅動的燃料電池車，由于具有高溫條件下動作和低損耗特點，可以縮小用于冷卻的散熱片，通過高頻切換也實現了電抗器的小型化。為此，擴大了內部空間，豐田的燃料電池車MIRAI可以坐4個人，本田的Clarity實現了5人座”。
SiC功率器件的目標市場是EV、混合動力車、燃料電池車等電動車。最近也開始用于功率調節器（power conditioner）、工業機器的電源等方面。成本方面相當具有優越性。也開始搭載在鐵道上，JR的新干線N700系列等已經使用，但是只采用了三菱電機公司的Full SiC。富士電機、日立制作所、東芝等公司還沒有實現Full。
德國英飛凌同樣是SiC市場一個重磅玩家。
展開 從IGBT到SiC，特斯拉汽車功率器件的變遷
SDU的出現使得特斯拉對IGBT器件有了更嚴格的機械、電學以及可制造性的要求。筆者也有幸作為供應商，與多位特斯拉核心研發人員合作，一同參與了IGBT單管的定制工作，也由此負責了下一代特斯拉定制IGBT器件的開發。此后，特斯拉開始與功率半導體頭部廠商進行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設計，并最終推出了劃時代的第三代動力總成。
03
Model 3/Y
Model 3/Y動力總成相較于上一代產品更為緊湊，尤其是逆變器部分尤為明顯。原因之一是與其他公司的三合一電驅系統相比，特斯拉逆變器從上一代開始就選擇移去蓋板，緊貼減速器，因此減少了逆變器的重量和體積。但是更重要是，新一代的逆變器中選擇了全新的功率器件，并因此改變了逆變器的整體設計。
Model 3/Y中的動力總成，綠色部分為逆變器
（來源：Munro & Associates）
當特斯拉還在優化SDU的設計時，核心研發人員就已經在思考下一代動力總成該如何實現。尤其是前兩代系統、三種設計中中核心器件IGBT單管所用的TO247和TO247 Plus封裝，已經沒有很大潛力進一步增加電流規格和提高性能了。同時，雖然IGBT技術持續進步，但是帶來的多為量變而非質變。綜上，IGBT單管即將到達性能瓶頸。有鑒于此，特斯拉不僅與功率半導體廠商共同探討新功率芯片的選擇，還與一些先進封裝技術公司合作新封裝的開發。
展開 功率器件熱計算及散熱片選型分析 ￥50
功率器件散熱計算及散熱片選型分析
1.判斷功率器件是否需要散熱片？
對于本文的其余部分，讓我們假設正在使用 TO-220 封裝中的晶體管開發應用，晶體管的開關和傳導損耗相當于 2.78 W 的功耗，以及環境工作溫度為該應用預計不會超過 50°C。該晶體管是否需要散熱器？（詳見計算表）
2.散熱片熱阻計算及選型？
功率器件進階之路
各功率器件功率頻譜（左）&耐壓功率（右）對比圖 （圖片來源：知乎）
第三代功率器件——寬禁帶功率器件
隨著以硅材料為基礎的功率器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優異的特性，給功率半導體產業的發展帶來了新的生機。
2014年，美國奧巴馬政府連同企業一道投資1.4億美元在NCSU成立TheNext Generation Power Electronics Institute，發展新一代寬禁帶電力半導體器件。
相對于Si材料，使用寬禁帶半導體材料制造新一代的功率器件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少功率器件的質量、體積以及生命周期成本，允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得功率器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能。
展開 
華為大肆招兵、大舉進攻功率器件意欲何為？
IGBT等功率器件，本質上是個開關，一般只需畫三條線，對線寬沒這么大的要求，再加上需要處理高電壓、大電流，微米級（注：1微米=1000納米）的線寬即可。
功率器件追求的是低損耗、高可靠性。背面工藝和減薄工藝對IGBT尤為重要，例如英飛凌目前已經將IGBT的厚度減薄到40微米。而襯底背面工藝中的減薄極易使硅片破碎、翹曲，所以對加工工藝要求很高。
在產業結構上，兩者也有較大差異。在集成電路領域，晶圓代工（Foundry）模式，已經成了摩爾定律的核心推動力。軍備競賽、先進設備的發展使得晶圓加工的投資規模持續增大。
對先進制程的追求，也誕生了臺積電這種巨無霸，一方面順應趨勢，延續了摩爾定律；另一方面，通過分工，提高了行業的發展效率。
在功率半導體領域，全球功率半導體主要廠商大部分采用IDM模式進行功率器件的生產，即芯片設計、晶圓制造、封裝測試全流程均自主生產。這與集成電路的廠商主要掌握芯片設計環節
，將晶圓交由臺積電等代工廠生產有很大不同。
英飛凌靠著領先的減薄技術，從第三代產品開始，一直占據IGBT行業的鰲頭。
IGBT從80年代出現以來，已經發展到了第7代產品。
展開 SiC功率器件的特性與系統設計應用
來源：松哥電源
AEC-Q101 | SiC功率器件高溫反偏
SiC功率器件的概況
SiC（碳化硅）功率器件以其耐高溫、耐高壓、低開關損耗等特性，能有效實現電力電子系統的高效率、小型化、輕量化、高功率密度等要求，受到了新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域的追捧。
在車用領域，SiC功率器件在能量轉換效率上的顯著優勢，能有效增加電動汽車的續航里程和充電效率。另外，SiC器件的導通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，能夠使電動汽車適應更加復雜的行駛工況。隨著SiC良率的提升、成本的降低，SiC功率器件在新能源汽車上的裝機量會大幅上升，SiC功率器件的車用需求也會迎來跨越式發展。
當前，SiC全球產業布局上，形成美、歐、日三強態勢，但與第一代、第二代半導體材料相比，全球第三代半導體產業均還在發展初期，國內與主流SiC產業差距不大，為國產三代半產業提供了彎道超車、打入半導體元器件高端產業鏈的機會。
國產SiC功率器件面臨的主要問題
目前，SiC產業普遍遇到的問題是良率低、成本高的瓶頸，而對于國產器件，一致性和可靠性也是其市場應用的攔路虎，要獲取市場信任與認可，可靠性驗證是必經之路。驗證SiC功率器件高溫與高壓下的模擬壽命，可采用高溫反偏（HTRB）作為基礎的驗證試驗。
SiC功率器件的高溫反偏試驗
1、高溫反偏試驗的作用
高溫反偏試驗是模擬器件在靜態或穩態工作模式下，以最高反偏電壓或指定反偏電壓進行工作，以研究偏置條件和溫度隨時間對器件的壽命模擬。甚至一些廠商還會將其作為一篩或二篩的核心試驗。
2、高溫反偏的試驗條件
分立器件的高溫反偏主要采用的試驗標準有MIL-STD-750 方法1038、JESD22-A108、GJB 128A-1997 方法1038、AEC-Q101表2 B1項等。
展開 PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
PPT | 車規級功率器件封裝及可靠性
