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)測功能，如過電流和短路保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器電源電壓控制和直流母線電壓測量等。 然而，大部分智能功率模塊沒有對(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關(guān)和驅(qū)動(dòng)IC的載體。通過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®，已面市超過了10年。這種無底板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)行全面的測試。 一個(gè)有趣的趨勢是將標(biāo)準(zhǔn)模塊升級(jí)為IPM?？芍苯踊蚴褂脦?qū)動(dòng)電路（通過彈簧連接）的適配器板來進(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 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顯示了過去幾年在模塊重量和體積方面所取得進(jìn)展。為了說明這一進(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。錈崛萘吭降汀? 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)力汽車市場有著高于平均值的增長率。 在電力電子模塊的發(fā)展中可以看出一些趨勢，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)未來有關(guān)更高運(yùn)行溫度及相關(guān)可靠性問題挑戰(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