三千大千世界，論道須彌山。2019年3月30日，第二屆須彌山大會在江蘇常州舉行。會議由江蘇省新能源汽車智慧能源裝備創新中心（以下簡稱“國創能源”）主辦，星星充電承辦。會議圍繞“智慧能源，電動時代”展開主旨探討，與會嘉賓涵蓋政產學研媒融八百多人。
臺達電子趙振清博士為大家帶來“寬禁帶半導體封裝技術”的演講。內容實錄如下：
感謝星星充電，感謝李總提供這樣的機會。今天我給大家分享一下功率半導體的封裝技術。我報告主要講幾部分，首先講一下功率半導體封裝基本技術及技術分類，我還要重點講一下寬禁帶半導體封裝技術，因為很多專家提到了寬禁帶半導體是未來電力電子系統性能提升的一個重要推動力。
我會著重講一下寬禁帶半導體帶來的機遇和挑戰，從我們角度來看未來可能的一些封裝解決方案。在過去十幾年來，得力於李澤元教授高瞻遠矚。他在十幾年前就認為，未來電力電子，寬禁帶半導體的發展將推動未來電力電子裝置及系統的革命。功率半導體封裝，特別是寬禁帶半導體的封裝技術將是整個寬禁帶半導體器件應用的關鍵技術，所以說從十幾年前我們就開始進行了半導體封裝技術的開發，我們是從最基本的硅基器件功率模塊封裝做起，通過功率模塊技術的開發應用，可以極大地提升開關電源系統的性能。
通過多芯片的功率模塊取代原來的分立器件的封裝方法，我們可以把系統的效率和功率密度做一個極大的提升。我們也做了一些基於IGBT器件在太陽能逆變器，能量存儲等裝置上的應用，也是為了提升整個系統的功率、密度和效率。
從2015年開始，很多公司逐漸加速了寬禁帶半導體的開發，性能也逐漸開始提升。我們從2015後，我們又進行了寬禁帶半導體相關封裝技術的開發，包括氮化鎵、碳化硅。
從我們多年封裝經驗來看，功率半導體的封裝要做好，一定要做好跨領域的技術整合。第一點我們必須要了解電力電子系統的電路，驅動及控制方法等，只有解讀好基本需求，才能對功率模塊本身的技術需求或者模塊的規格做準確的定義。第二我們要了解功率半導體器件本身的特性，包括失效模式。我們在封裝中解決掉器件的關鍵時效模式，才能把這個模塊的封裝做的更可靠。還有在更小尺寸規模下的電設計、熱設計，機構的設計，也是解封裝技術開發的關鍵。還有封裝材料和工藝是一個相當大的產業，背後有很多的設備和材料的支撐，這些產業的技術進步也促進半導體器件能夠更好地在電力電子裝置及設備上的應用。
寬禁帶半導體本身的特性這幾年大家已經談的很多，我就不詳細的介紹了。因為寬禁帶半導體材料本身的特性非常好，所以說無論是氮化鎵，還是碳化硅器件，與硅級的器件相比具有很好的開關和導通特性，更具性能優勢。
從它對系統影響來看，寬禁帶半導體應用到電子裝置上，可以帶來更高的效率。因為起良好開關特性，可以在保持高效的同時運行在更高的開關頻率，可以減少電源系統中磁性元件的尺寸，帶來更高的功率密度。同時，有的寬禁帶半導體，比如說碳化硅器件可以工作在更高的溫度，我們可以在系統設計中降低散熱器的市寸，在汽車的領域應用中還是有非常大的優勢，可以降低汽車整體重量，提升汽車的續航里程。同時，因為器件本身的特性，我們可以把電路做一些簡化，整個降低系統的複雜度和成本。
舉一個例子來看，我們最早開發的一款開關電源，原來我們用硅器件開發的400伏到48伏的開關電源，如果我們用氮化鎵器件取代硅器件做這樣的一個電源模塊，整個系統的功率密度可以降低到原來的一半，同時保持同樣的系統效率。
從整個系統架構來看，因為系統開關頻率提高以後，變壓器從原來的傳統變壓器變為平板的變壓器，體積有很大程度的下降。從整個系統裡面，所有器件的佔比來看，採用氮化鎵器件後採用無論對濾波器、半導體功率模塊本身，包括PCB尺寸，因為寬禁帶器件應用和開關頻率的提升，都會帶來50%以上的體積下降，所以可以極大推進和促進功率密度的提升。
我們之所以能取得這麼好的性能提升，背後是由於採用了特殊的封裝集成技術。原來系統採用的是傳統的分類器件的技術，現在採用的是集成了驅動電路特殊的高頻封裝技術。
這個封裝本身它最大的優點是，它用一個面專門用來散熱，一個面作為信號或者能量處理面，是一個導熱特別好的設。同時由於芯片佈局方面採用了非常小的迴路設計。所以說在系統運行的時候，器件關段的時候器件上的的電壓SPIKE會降低30幾伏，開關會更安全可靠。還有在外殼上有一個特殊的設計，可以保證氮化鎵器件在高頻開關的時候EMI的水平。
對於碳化硅，很多專家也講過，碳化硅在我們電動汽車領域，從輸配電應用，充電樁應用及汽車上的應用，越來越多的公司非常關注用碳化硅器件取代傳統的IGBT器件，這無論對充電樁還是在汽車都會帶來很大的性能提升。
比如說我們做的一款充電樁，基於碳化硅器件開發，系統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車上，根據我們的計算，無論對續航里程還是我們的功率密度也有很大的提升，後面會講到解決方案怎麼做到的。
剛才張總也講過，如果我們在變壓器側採用這種固態變壓器取代傳統變壓器，對大功率充電站會有很大的效率提升。所以在固態變化器領域碳化硅也有很好的應用前景，碳化硅雖然已經得到這麼多應用，但依據我們對碳化硅器件未來發展角度來看，其封裝集成還有很多需要解決的技術挑戰，只有解決好才能更好發揮其本身的性能優勢。
第一個挑戰相比IGBT來講，碳化硅的開關速度，是IGBT 5-10倍的水平。在這樣一個電路中我們看出，在快速開關的時候，我們對封裝的迴路有更高的要求，我們期望迴路能做到的更小，才能保證器件高速開關，降低損耗，同時電壓應力也會被控制在安全的水平。
第二，我們在碳化硅使用的時候，一般都是使用多個器件並聯的方式來提升整個的系統功率等級，必然涉及到芯片並聯技術。但是在實際使用中，通過我們的計算我們看到，例如6個器件並聯形成的橋臂，在開通和關斷過程中，並聯的半導體器件開通和關斷電流都是有顯著差異的，這勢必會影響到每個器件的損耗，溫度差導致性能差異從而影響系統的可靠性，所以我們在設計碳化硅器件封裝的時候，一定要綜合考慮，儘量做到均衡一個並聯迴路設計。
同樣，相比於IGBT，碳化硅器件開關過程中的DVDT也是要碳化硅IGBT的幾十倍以上，這麼大的電壓跳變，勢必會在器件的驅動迴路上產生很大的電壓波動，從而產生誤觸發的風險。從封裝角度上來講，我們可以在器件最近的位置，去集成這樣一個電路，能夠抑制住驅動迴路產生的電壓跳變，這是我們加驅動電路之後產生的這種效果。
另外，相同等級的IGBT和SIC MOS器件尺寸比較來看，碳化硅器件的尺寸只有IGBT一半，所以說在同樣應用條件下，碳化硅封裝時熱的挑戰會更大。在封裝設計的時候，我們必須要增加碳化硅器件的熱導通通道，一方面用新的材料，導熱好的材料來做封裝。另一方面可以通過增加散熱通道的方式來做。而進行封裝散熱設計的時候，要儘量保證上下兩側散熱通道均勻一致，這樣整體熱阻會更小。
還有應力集中也最基本的物理問題，當把一個器件組裝到基板上的時候，在器件工作的溫度循環中，會產生很大的應力集中使器件時效。碳化硅相比硅器件來講它的硬度更大，如果我們採用傳統的封裝方式去做的話，根據壽命預測額公式，整個模塊的壽命會相比IGBT會降低50%，這是一個很非常大的可靠性風險。所以在這整個行業界，特別是封裝行業界，會不斷的開發一些新材料來解決這些問題。
納米銀材料就是一款現在目前開發比較多的，可以提升器件封裝可靠性的材料。另一方面還可以充分發揮碳化硅器件的高溫特性，這種材料與傳統錫基釺料相比可以碳化硅器件封裝模塊壽命提高到原來的一倍以上，同時它可以讓器件能夠在更高的溫度下工作。
從未來器件性能發展的角度來看，我們縱觀一下碳化硅器件同2016年-2019年整個性能的變化，它的Cgd從2016年-2019年降低了33%，尺寸從2016年到2019年降低50%，因為尺寸減小熱阻也是增加了45%。
碳化硅器件封裝面對高頻的挑戰、熱的挑戰會越來越嚴重。我們認為面對寬禁帶半導體，特別是碳化硅來講，未來的封裝形式一定是一種散熱更好，迴路更小，還要考慮到系統的應用條件。綜合來看它一定是雙面散熱型的，能夠保證器件高溫工作，充分發揮碳化硅高溫特性的一種封裝形式。
我們看到這種形式就是我們對未來碳化硅封裝的一個設計構想，相對於傳統封裝形式，可以提供更小的迴流電感，更小的熱阻。如果從汽車角度來看，如果我們把這樣的模塊應用到電動汽車領域，用在INVERTER上面，那麼從效率來講，最高效率可以達到98.4%，相比傳統封裝形式會有所提高。高效帶來的好處是，從續航里程來講，大概有4-6%的提升，因為其雙面散熱的設計，首先可以高溫工作，再一個設計提供多散熱通道，所以說汽車在急加速的時候可以提供1.3倍的Peak Power，這種優化的機構及材料組合設計，可以把整個模塊或者Inverter的壽命可靠性提高到兩倍以上。
綜上所述，毫無疑問我們認為碳化硅這種寬禁帶半島體會給未來電力電子行業帶來很大的革命。但寬禁帶半導體封裝挑戰是很大的，需要整合，從功率半導體，模塊封裝到整個電力電子系統。需要產業鏈上各個領域，來共同推進寬禁帶半導體的應用和發展，為整個行業帶來更大的技術提升。以上是我的報告，謝謝。
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