功率電子模塊的集成度 半導(dǎo)體模塊之間的差異，不僅僅體現(xiàn)在連接技術(shù)方面。另一個(gè)差別因素是附加有源和無(wú)源器件的集成度。根據(jù)集成度不同，可分為以下幾類：標(biāo)準(zhǔn)模塊，智能功率模塊（IPM），（集成）子系統(tǒng)。在IPM被廣泛使用（尤其在亞洲地區(qū)）的同時(shí)，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。 智能功率模塊（IPMs） 智能功率模塊的特點(diǎn)在于除了功率半導(dǎo)體器件外，還有驅(qū)動(dòng)電路。許多IPM模塊也配備了溫度傳感器和電流平衡電路或用于電流測(cè)量的分流電阻。 通常智能功率模塊也集成了額外保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，如過(guò)電流和短路保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器電源電壓控制和直流母線電壓測(cè)量等。 然而，大部分智能功率模塊沒(méi)有對(duì)功率側(cè)的信號(hào)輸入進(jìn)行電氣隔離。只有極少數(shù)的IPM包含了一個(gè)集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器（賽米控的SKiiP ®或英飛凌的PrimeSTACK™） 進(jìn)行隔離。 通常，小規(guī)模的IPM的特點(diǎn)在于其引線框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)IC的載體。通過(guò)一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進(jìn)行散熱。 用于中高功率應(yīng)用的IPM模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將模塊分為兩個(gè)層次。功率半導(dǎo)體在底部，驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路在上部。本領(lǐng)域內(nèi)名氣最大的IPM是賽米控的SKiiP®，已面市超過(guò)了10年。這種無(wú)底板IPM系列產(chǎn)品的最大額定電流是2400A，包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風(fēng)冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進(jìn)行全面的測(cè)試。 一個(gè)有趣的趨勢(shì)是將標(biāo)準(zhǔn)模塊升級(jí)為IPM?？芍苯踊蚴褂脦?qū)動(dòng)電路（通過(guò)彈簧連接）的適配器板來(lái)進(jìn)行升級(jí)。賽米控的SKYPERTM驅(qū)動(dòng)器是這方面理想的產(chǎn)品。 集成子系統(tǒng) 所有這些IPM的共同點(diǎn)是真實(shí)的“智能”，即將設(shè)定點(diǎn)值轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)脈沖序列的控制器不包含在模塊中。 賽米控是250kW以下轉(zhuǎn)換器用集成子系統(tǒng)的核心制造商。SKAITM模塊也是IPM，其特點(diǎn)是集成了DSP控制器，除脈寬調(diào)制外，還可進(jìn)行其它通信任務(wù)。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個(gè)輔助電源，精密電流傳感器和一個(gè)液體冷卻器。圖3顯示了集成功能的結(jié)構(gòu)圖。 新的封裝趨勢(shì) 當(dāng)前電力電子發(fā)展的目標(biāo)是獲得更高的電流密度，系統(tǒng)集成度和更高的可靠性。與此同時(shí)，在低成本、標(biāo)準(zhǔn)接口以及靈活性和模塊化產(chǎn)品系列方面也有更多的呼聲。 圖 4顯示了過(guò)去幾年在模塊重量和體積方面所取得進(jìn)展。為了說(shuō)明這一進(jìn)展，展示了兩個(gè)具有相同額定功率的模塊。 在這一領(lǐng)域所觀察到的進(jìn)一步趨勢(shì)是使用彈簧連接作為輔助和負(fù)載連接。賽米控的MiniSKiiP®系列產(chǎn)品是這一領(lǐng)域中的先驅(qū)者。在MiniSKiiP®模塊中，至轉(zhuǎn)換器PCB板的每個(gè)輔助和負(fù)載連接都是用彈簧連接。 正在使用的新一代芯片 半導(dǎo)體技術(shù)的改善帶動(dòng)了更薄、結(jié)構(gòu)更佳的半導(dǎo)體芯片的發(fā)展。在過(guò)去幾年，這一進(jìn)步已使1200V IGBT芯片的電流密度從40 A/cm²增加至120A/cm²。事實(shí)上，園片技術(shù)也有其局限性，從一個(gè)例子可以看出這個(gè)事實(shí)，即對(duì)于最新的600V溝槽IGBT（厚度為70 µm），其允許短路時(shí)間從10 µs減少到最高 6 µs。這是因?yàn)楣杵奖?，其熱容量越低? 更高的運(yùn)行溫度 在許多領(lǐng)域需要更高的運(yùn)行溫度，如汽車應(yīng)用中發(fā)動(dòng)機(jī)室的溫度普遍超過(guò)130°C，冷卻劑的溫度則達(dá)105°C甚至更高。. 實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用所要求的更高電流密度和更高環(huán)境溫度的唯一方法就是提高最高允許芯片溫度。 得益于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在這些都是可能實(shí)現(xiàn)的了。2005年，600 V IGBT和續(xù)流二極管的的最高允許芯片溫度都提高了25°C，達(dá)175°C。目前，最新一代1200 V IGBT正在對(duì)Tvj = 175°C的情況進(jìn)行測(cè)試。 然而，更高的運(yùn)行溫度和電流密度對(duì)可靠性也有負(fù)面影響，尤其是在負(fù)載循環(huán)能力方面，可導(dǎo)致焊接處疲勞的焊點(diǎn)和邦定線連接剝離[1>。 一個(gè)可能的解決方法是將半導(dǎo)體元件與DCB基板燒結(jié)在一起。由于其較低的熱阻抗和高度的可靠性, 燒結(jié)工藝能幫助進(jìn)一步提高電流密度和運(yùn)行溫度。燒結(jié)工藝是在約240°C的溫度下對(duì)銀粉施加高壓，以在部件之間建立一個(gè)能提供可靠連接的薄連接層[ 2，3 >。 結(jié)論 功率半導(dǎo)體有助于電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是其在替代能源領(lǐng)域及電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)有著高于平均值的增長(zhǎng)率。 在電力電子模塊的發(fā)展中可以看出一些趨勢(shì)，其中最重要的是系統(tǒng)集成、冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化、電流密度的提高和成本的降低。 應(yīng)對(duì)未來(lái)有關(guān)更高運(yùn)行溫度及相關(guān)可靠性問(wèn)題挑戰(zhàn)的唯一途徑是繼續(xù)發(fā)展和優(yōu)化裝配和連接技術(shù)。 4.文獻(xiàn) 　　[1] U. Scheuermann, U. Hecht: Power Cycling Lifetime of Advanced Power Modules for Different Temperature Swings, PCIM, Nürnberg 2002 　　[2] U. Scheuermann, P. Wiedl: Low temperature joining technology a high reliability alternative to solder contacts, Workshop on metal ceramics composites for function applications, Wien, 1997 　　[3] R. Arno, J. Lutz, et al: Double-Sided Low-Temperature Joining Technique for Power Cycling Capability at High Temperature, EPE, Dresden, 2005