须弥山大会——赵振清：宽禁带半导体封装技术
时间: 2019-03-31 13:55
来源: 汽车总站
作者: sun
2019年3月30日，第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心主办，星星充电、江苏智行未来汽车研究院共同承办。会议围绕“共攀须弥，技术峰会”展开主旨探讨，与会嘉宾涵盖政产学研媒八百多人。
台达电子博士赵振清发表了主题为“宽禁带半导体封装技术”的演讲，以下为讲话实录。
感谢星星充电，感谢李总提供这样的机会，我给大家分享一下公里半导体的封装技术。我报告主要讲几部分，第一个讲一下公里半导体封装基本技术，基本技术的分类，我还讲一下，因为很多专家提到了宽禁带半导体其实是未来改变电力电子装置的一个重要推动力。
我会讲一下公里半导体出现，特别是宽禁带半导体带来的机遇和挑战，从我们角度来看未来可能的一些解决方案。我是来自台达电力电子研发中心，上海研发中心。在过去十几年来，得力于李教授高瞻远瞩他在十几年前就认为，我们未来电力电子，宽禁带半导体将是推动未来电力电子装置革命的一个重要关键技术。
公里半导体封装，特别是宽禁带半导体的封装技术将是摧进或促进整个宽禁带半导体的一个关键，所以说从十几年前我们就开始进行了半导体技术的开发，最初我们是从最基本的做起，通过功率模块的形式做一个组合的封装，可以极大地提升我们系统的性能。
左边这张图是如果有功率模块取代原来的风力器件的封装方法，我们可以把系统的效率和功率密度做一个极大的提升。我们也做了一些基于IGVT器件在太阳能能量存储装置上的应用，也是为了提升整个系统的功率、密度和效率。
从2015年开始，那时候宽禁带半导体开始逐渐很多公司做，性能也逐渐开始提升。我们从2015年开始，又进行了宽禁带半导体相关封装技术的开发，包括氮化镓、碳化硅。
从我们多年封装经验来看，其实功率半导体的封装要做好，一定要做好跨领域的技术整合。第一点我们必须要了解电力电子装置本身的一些电路，只有解读好这个电路，才能对功率模块本身的技术需求或者模块的规格做一个准确的解读。
第二点我们要了解功率半导体器件本身的特性，包括失效模式。我们只有失效模式在封装中解决它的关键失效点，才能把这个模块做的更可靠。还有在更小规模下的电设计、热的设计，机构的设计，也是解决掉我们封装的关键。
还有一个本身封装材料和工艺就是一个相当大的产业，背后有很多的设备和材料的体系，要去帮助功率器件能够在电力电子装置上很好的应用。
宽禁带半导体这几年用的很多了，我就不一一介绍了。因为材料本身的特性非常好，所以说用氮化镓也好，碳化硅也好，做的器件本身和硅级的器件相比具有很好的开关和导通特性。
从它对系统影响来看，宽禁带半导体应用到电子装置上，可以带来更高的效率。因为它有更高的频率，可以减少我们在系统中尺寸，可以带来更高的功率密度。同时，有的宽禁带半导体，比如说碳化硅器件在使用的时候有更高的温度，我们可以在系统中降低散热器的市寸，在汽车的领域应用中还是有非常大的好处，可以降低汽车整体重量，提升汽车的续航里程。同时，因为器件本身的特性，我们可以把电路做一些简化，整个降低系统的复杂度和降低系统成本的，这是几块好处。
举一个例子来看，我们最早开发的一款，最初我们用硅器件做的400伏到48伏的开关电源，如果我们用氮化+器件取代硅器件做这样的一个电源化，我们可以看出整个系统的功率密度降低到原来的一半，其实系统保持同样的效率下。
从整个系统架构来看，昨天李教授也有讲到过，因为系统开关频率提高以后，变压器从原来的传统变压器变为平板的变压器，体积有很大的下降。从整个系统里面，所有器件的占比来看氮化+器件的采用无论对滤波器、半导模块本身，包括PCG本身，因为整个尺寸下降，都会带来50%以上的体积下降，所以可以极大推进和促进功率密度的提升。
我们之所以能取得这么好的性能提升，背后我们采用了特殊的封装集成技术。原来正常系统采用的是传统的分类器件的技术，现在采用的是集成了驱动电路特殊的封装技术。
这个封装本身它其实最大的优点，它用一个面专门做散热面，一个面作为型号或者能量处理面。所以说热是非常好的，那么它采用非常小的回路设计。所以说在电路使用的时候，其实它的电压会降低30几伏，所以开关会更安全。
还有这个在外壳上有一个特殊的设计，在快速开关的时候EMS的水平。碳化硅很多专家也讲过，碳化硅在我们电动汽车领域，从输电到充电桩到汽车，其实在最近越来越多的公司非常重视，用碳化硅取代传统的IGBT，无论在充电桩还是在汽车上都会带来很大的性能提升。
比如说我们做的一款充电桩，它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车上，根据我们的计算，其实无论对续航里程还是我们的功率密度都有很大的提升，后面会讲到解决方案怎么去做到的。
刚才张总也讲过，如果我们在变压器侧采用这种固态变压器取代传统变压器，其实对整个充电站是有很大的效率提升。所以在固态变化器领域碳化硅也是一个很好的前景，碳化硅既然已经得到这么多应用，从我们对碳化硅器件未来发展角度来看，其实碳化硅的本身封装还有很多需要解决的挑战，才能更好发挥它的性能优势。
第一个挑战相比IGBT来讲，碳化硅这种开关速度，是要IGB5-10倍的水平，在这样一个电路中，我们看出，在快速开关的时候，其实我们对封装的回路有更多的要求，我们期望回路能做到的更小，这样才能降低器件在关掉的时候电压不会太高。
从封装角度来看，其实我们就要设计在小的回路来保证我们电压非常小，这是一个挑战。
第二个，我们在碳化硅使用的时候，一般都是使用多个器件并联的方式来提升整个的系统功率等级，必然是一个并联技术。但是在实际使用中，通过我们的计算我们看到，比如说6个器件做一个并联的电路，实际上在开通和关断过程中，其实器件开通和关断电流都是有差异的，这势必会影响到每个器件的损耗，也会影响系统的可靠性，所以我们在设计碳化硅器件封装的时候，一定要综合考虑，尽量做到均衡这样一个回路设计。
同样，相比于IGBP，其实碳化硅器件开关过程中的DVDT也是要碳化硅IGBP的几十倍以上，这么大的电压跳变，势必会在器件的驱动回路上产生很大的电力波动，就会导致系统断路。
从封装角度上来讲，我们可以在器件最近的位置，去集成这样一个电路，能够抑制住电路产生的跳变，这是我们加驱动电路之后产生的这种效果。碳化硅器件本身，相同等级的器件我们比较一下尺寸来看，碳化硅器件的尺寸电流等级只有IGBP一半，所以说在同样应用条件下，其实碳化硅应用热的挑战会更大。
其实在封装设计的时候，我们一定要从热的角度增加碳化硅器件的导入通道，一方面用新的材料，导热好的材料来做封装。另一方面可以通过增加散热通道的方式来做这样的封装。而且我们在做这样封装的时候，要保证上下两侧散热通道上尽量做到热阻是的均匀的，这样整体热阻会更小。
这是最基本的物理问题，我们把一个器件封到机板上的时候，这是半导体器件，在器件工作的时候，特别是高温的时候，其实这个器件已经和底下连接材料和基板的GVCTE有很大的差异。
碳化硅相比硅器件来讲它的硬度更大，如果我们采用传统的封装方式去做的话，我们发现，如果用寿命预测额公式来看，用传统的材料来做封装，其实整个模块的寿命，会降低50%，这是一个很非常大的可靠性风险。所以在这整个行业界，特别是封装行业界，其实不断的开发一些新材料。
纳米林材料其实就是一款，现在目前比较火的，其他一方面可以提升器件封装的可靠性。另一方面还是要充分发挥碳化硅器件的高温特性，这种材料不断可以把碳化硅器件封装模块寿命提高到原来的一倍以上，同时它可以保证器件能够在高温下工作。
从未来角度看，其实我们纵观一下碳化硅器件同2016年-2019年整个性能的变化，其实它的CGD从2016年-2019年降低了33%，尺寸从2016年到2019年降低50%，热阻，因为尺寸减小热阻也是增加了45%。
面对高频的挑战，面对热的挑战，其实会越来越严重。我们认为面对宽禁带半导体，特别是碳化硅来讲，未来的封装形式一定是一种散热更好，回路更小，还有充分考虑到系统的应用条件，系统综合因素，它一定是双面散热型的，高温的，能够高温工作的，充分发挥碳化硅高温特性的一个封装形式。
我们看到这种形式其实就是我们对未来碳化硅封装的一个设计图，相对于传统封装形式，可以提供更小的回流电感，更小的热阻。如果从汽车角度来看，如果我们把这样的模块应用到电动汽车领域，做出里面的In Water这样的模块，那么从效率来讲，最高效率可以达到98.4%，相比传统封装形式会有所提高。
从续航里程来讲，我们会有大概4-6%的续航里程的提升，因为我们的热，首先可以高温工作，再一个我们提供很和的散热通道，所以说汽车在急加速的时候可以提供1.3倍的PK Pour，因为优化这种材料组合设计，我们可以把整个模块或者In Water的寿命可靠性提高到两倍以上。
那么综合以上，毫无疑问我们认为碳化硅这种宽禁带半岛体会给未来带给电力电子装置带来很大的革命。
从我们封装经验来看，其实宽禁带半导体这种封装挑战是很大的，我们需要整合，从封装到电力电子系统，到整个汽车充电装置应用，所有的领域，来共同推进宽禁带半导体的应用和发展，为整个行业带来更大的技术提升，以上是我的报告，谢谢。
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2019年3月30日，第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心主办，星星充电、江苏智行未来汽车研究院共同承办。会议围绕“共攀须弥，技术峰会”展开主旨探讨，与会嘉宾涵盖政产学研媒八百多人。 感谢星星充电，感谢李总提供这样的机会，我给大家分享一下公里半导体的封装技术。我报告主要讲几部分，第一个讲一下公里半导体封装基本技术，基本技术的分类，我还讲一下，因为很多专家提到了宽禁带半导体其实是未来改变电力电子装置的一个重要推动力。 我会讲一下公里半导体出现，特别是宽禁带半导体带来的机遇和挑战，从我们角度来看未来可能的一些解决方案。我是来自台达电力电子研发中心，上海研发中心。在过去十几年来，得力于李教授高瞻远瞩他在十几年前就认为，我们未来电力电子，宽禁带半导体将是推动未来电力电子装置革命的一个重要关键技术。 公里半导体封装，特别是宽禁带半导体的封装技术将是摧进或促进整个宽禁带半导体的一个关键，所以说从十几年前我们就开始进行了半导体技术的开发，最初我们是从最基本的做起，通过功率模块的形式做一个组合的封装，可以极大地提升我们系统的性能。 左边这张图是如果有功率模块取代原来的风力器件的封装方法，我们可以把系统的效率和功率密度做一个极大的提升。我们也做了一些基于IGVT器件在太阳能能量存储装置上的应用，也是为了提升整个系统的功率、密度和效率。 从2015年开始，那时候宽禁带半导体开始逐渐很多公司做，性能也逐渐开始提升。我们从2015年开始，又进行了宽禁带半导体相关封装技术的开发，包括氮化镓、碳化硅。 从我们多年封装经验来看，其实功率半导体的封装要做好，一定要做好跨领域的技术整合。第一点我们必须要了解电力电子装置本身的一些电路，只有解读好这个电路，才能对功率模块本身的技术需求或者模块的规格做一个准确的解读。 第二点我们要了解功率半导体器件本身的特性，包括失效模式。我们只有失效模式在封装中解决它的关键失效点，才能把这个模块做的更可靠。还有在更小规模下的电设计、热的设计，机构的设计，也是解决掉我们封装的关键。 还有一个本身封装材料和工艺就是一个相当大的产业，背后有很多的设备和材料的体系，要去帮助功率器件能够在电力电子装置上很好的应用。 宽禁带半导体这几年用的很多了，我就不一一介绍了。因为材料本身的特性非常好，所以说用氮化镓也好，碳化硅也好，做的器件本身和硅级的器件相比具有很好的开关和导通特性。 从它对系统影响来看，宽禁带半导体应用到电子装置上，可以带来更高的效率。因为它有更高的频率，可以减少我们在系统中尺寸，可以带来更高的功率密度。同时，有的宽禁带半导体，比如说碳化硅器件在使用的时候有更高的温度，我们可以在系统中降低散热器的市寸，在汽车的领域应用中还是有非常大的好处，可以降低汽车整体重量，提升汽车的续航里程。同时，因为器件本身的特性，我们可以把电路做一些简化，整个降低系统的复杂度和降低系统成本的，这是几块好处。 举一个例子来看，我们最早开发的一款，最初我们用硅器件做的400伏到48伏的开关电源，如果我们用氮化+器件取代硅器件做这样的一个电源化，我们可以看出整个系统的功率密度降低到原来的一半，其实系统保持同样的效率下。 从整个系统架构来看，昨天李教授也有讲到过，因为系统开关频率提高以后，变压器从原来的传统变压器变为平板的变压器，体积有很大的下降。从整个系统里面，所有器件的占比来看氮化+器件的采用无论对滤波器、半导模块本身，包括PCG本身，因为整个尺寸下降，都会带来50%以上的体积下降，所以可以极大推进和促进功率密度的提升。 我们之所以能取得这么好的性能提升，背后我们采用了特殊的封装集成技术。原来正常系统采用的是传统的分类器件的技术，现在采用的是集成了驱动电路特殊的封装技术。 这个封装本身它其实最大的优点，它用一个面专门做散热面，一个面作为型号或者能量处理面。所以说热是非常好的，那么它采用非常小的回路设计。所以说在电路使用的时候，其实它的电压会降低30几伏，所以开关会更安全。 还有这个在外壳上有一个特殊的设计，在快速开关的时候EMS的水平。碳化硅很多专家也讲过，碳化硅在我们电动汽车领域，从输电到充电桩到汽车，其实在最近越来越多的公司非常重视，用碳化硅取代传统的IGBT，无论在充电桩还是在汽车上都会带来很大的性能提升。 比如说我们做的一款充电桩，它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车上，根据我们的计算，其实无论对续航里程还是我们的功率密度都有很大的提升，后面会讲到解决方案怎么去做到的。 刚才张总也讲过，如果我们在变压器侧采用这种固态变压器取代传统变压器，其实对整个充电站是有很大的效率提升。所以在固态变化器领域碳化硅也是一个很好的前景，碳化硅既然已经得到这么多应用，从我们对碳化硅器件未来发展角度来看，其实碳化硅的本身封装还有很多需要解决的挑战，才能更好发挥它的性能优势。 第一个挑战相比IGBT来讲，碳化硅这种开关速度，是要IGB5-10倍的水平，在这样一个电路中，我们看出，在快速开关的时候，其实我们对封装的回路有更多的要求，我们期望回路能做到的更小，这样才能降低器件在关掉的时候电压不会太高。 从封装角度来看，其实我们就要设计在小的回路来保证我们电压非常小，这是一个挑战。 第二个，我们在碳化硅使用的时候，一般都是使用多个器件并联的方式来提升整个的系统功率等级，必然是一个并联技术。但是在实际使用中，通过我们的计算我们看到，比如说6个器件做一个并联的电路，实际上在开通和关断过程中，其实器件开通和关断电流都是有差异的，这势必会影响到每个器件的损耗，也会影响系统的可靠性，所以我们在设计碳化硅器件封装的时候，一定要综合考虑，尽量做到均衡这样一个回路设计。 同样，相比于IGBP，其实碳化硅器件开关过程中的DVDT也是要碳化硅IGBP的几十倍以上，这么大的电压跳变，势必会在器件的驱动回路上产生很大的电力波动，就会导致系统断路。 从封装角度上来讲，我们可以在器件最近的位置，去集成这样一个电路，能够抑制住电路产生的跳变，这是我们加驱动电路之后产生的这种效果。碳化硅器件本身，相同等级的器件我们比较一下尺寸来看，碳化硅器件的尺寸电流等级只有IGBP一半，所以说在同样应用条件下，其实碳化硅应用热的挑战会更大。 其实在封装设计的时候，我们一定要从热的角度增加碳化硅器件的导入通道，一方面用新的材料，导热好的材料来做封装。另一方面可以通过增加散热通道的方式来做这样的封装。而且我们在做这样封装的时候，要保证上下两侧散热通道上尽量做到热阻是的均匀的，这样整体热阻会更小。 这是最基本的物理问题，我们把一个器件封到机板上的时候，这是半导体器件，在器件工作的时候，特别是高温的时候，其实这个器件已经和底下连接材料和基板的GVCTE有很大的差异。 碳化硅相比硅器件来讲它的硬度更大，如果我们采用传统的封装方式去做的话，我们发现，如果用寿命预测额公式来看，用传统的材料来做封装，其实整个模块的寿命，会降低50%，这是一个很非常大的可靠性风险。所以在这整个行业界，特别是封装行业界，其实不断的开发一些新材料。 纳米林材料其实就是一款，现在目前比较火的，其他一方面可以提升器件封装的可靠性。另一方面还是要充分发挥碳化硅器件的高温特性，这种材料不断可以把碳化硅器件封装模块寿命提高到原来的一倍以上，同时它可以保证器件能够在高温下工作。 从未来角度看，其实我们纵观一下碳化硅器件同2016年-2019年整个性能的变化，其实它的CGD从2016年-2019年降低了33%，尺寸从2016年到2019年降低50%，热阻，因为尺寸减小热阻也是增加了45%。 面对高频的挑战，面对热的挑战，其实会越来越严重。我们认为面对宽禁带半导体，特别是碳化硅来讲，未来的封装形式一定是一种散热更好，回路更小，还有充分考虑到系统的应用条件，系统综合因素，它一定是双面散热型的，高温的，能够高温工作的，充分发挥碳化硅高温特性的一个封装形式。 我们看到这种形式其实就是我们对未来碳化硅封装的一个设计图，相对于传统封装形式，可以提供更小的回流电感，更小的热阻。如果从汽车角度来看，如果我们把这样的模块应用到电动汽车领域，做出里面的In Water这样的模块，那么从效率来讲，最高效率可以达到98.4%，相比传统封装形式会有所提高。 从续航里程来讲，我们会有大概4-6%的续航里程的提升，因为我们的热，首先可以高温工作，再一个我们提供很和的散热通道，所以说汽车在急加速的时候可以提供1.3倍的PK Pour，因为优化这种材料组合设计，我们可以把整个模块或者In Water的寿命可靠性提高到两倍以上。 那么综合以上，毫无疑问我们认为碳化硅这种宽禁带半岛体会给未来带给电力电子装置带来很大的革命。 从我们封装经验来看，其实宽禁带半导体这种封装挑战是很大的，我们需要整合，从封装到电力电子系统，到整个汽车充电装置应用，所有的领域，来共同推进宽禁带半导体的应用和发展，为整个行业带来更大的技术提升，以上是我的报告，谢谢。 |