1 引言
　　今天，電力半導體器件是一個重要的成本因素，在很多日常應用的核心中都可以發(fā)現(xiàn)其身影。事實上，當今世界上的大部分控制和監(jiān)測設備都包含功率半導體器件。
　　本文對最常用的裝配和連接技術(shù)、已實現(xiàn)的集成度和正面臨的挑戰(zhàn)進行概述，并對這一領域在未來的發(fā)展做了展望。

圖1　功率半導體的裝配技術(shù)

　　圖1展示了目前正在使用的各種不同的連接和芯片裝配技術(shù)。
雙面焊接元件主要存在于低功率器件以及非絕緣分立半導體中。在超高功率應用的高級部分和對可靠性要求更高的場合，一般使用具有非常高負載循環(huán)能力的非絕緣封裝可控硅和絕緣壓接模塊。焊接和粘合模塊是最流行的功率半導體類型。這是因為它們的可靠性以及電路拓撲的高度靈活性。本文將專注這種類型的模塊。

2 　現(xiàn)代功率半導體模塊的連接技術(shù)
　　這些模塊用在電壓為55v～6500v，電流為1a～2400a的場合。幾乎每一個已知的拓撲結(jié)構(gòu)，從半橋模塊、三相逆變模塊到帶集成整流器的cib(整流-逆變-制動)模塊中，都能見到整流器、逆變器和制動斬波器功能。在大多數(shù)情況下，功率半導體和散熱器之間的絕緣基板是dcb(直接鍵合銅)或amb(活性金屬釬焊)陶瓷基板。
　　各種模塊設計之間的一個根本區(qū)別在于底板:一些模塊有固體底板，一些則沒有。對于無底板模塊，dcb直接裝配在散熱器上的(見圖2)。

圖2　帶底板和無底板的功率半模塊

　　底板(如:由3mm銅片制成)提高了散熱能力和芯片下部的熱擴散，從而減少了瞬態(tài)熱阻。然而，絕緣陶瓷基板和底板之間大面積的焊接卻從本質(zhì)上降低了熱循環(huán)的能力。這是因為陶瓷基板和底板有著不同的熱膨脹系數(shù)，從而導致焊接疲勞。復合材料(如:alsic或cumo)可代替陶瓷用作底板。然而由于成本原因，這只用在牽引應用中。由于dcb并非牢牢粘在散熱器上，所以無底板模塊并不存在熱循環(huán)能力降低的問題。在底板中不產(chǎn)生熱擴散現(xiàn)象，但這可由使用較小的芯片和較薄的散熱涂層來彌補，因為這些模塊中dcb與散熱器之間的空氣間隙更小，這意味著它們可以提供更好的熱連接。

3　功率電子模塊的集成度
　　半導體模塊之間的差異，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:標準模塊，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，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。

4　智能功率模塊(ipms)
　　智能功率模塊的特點在于除了功率半導體器件外，還有驅(qū)動電路。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和監(jiān)測功能，如過電流和短路保護，驅(qū)動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功率側(cè)的信號輸入進行電氣隔離。只有極少數(shù)的ipm包含了一個集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器(賽米控的skiip或英飛凌的primestacktm) 進行隔離。
　　通常，小規(guī)模的ipm的特點在于其引線框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開關和驅(qū)動ic的載體。通過一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進行散熱。
　　用于中高功率應用的ipm模塊的設計特點是將模塊分為兩個層次。功率半導體在底部，驅(qū)動器和保護電路在上部。本領域內(nèi)名氣最大的ipm是賽米控的skiip面市已超過了10年。這種無底板ipm系列產(chǎn)品的最大額定電流是2400a，包括一個驅(qū)動器和保護功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進行全面的測試。一個有趣的趨勢是將標準模塊升級為ipm。可直接或使用帶驅(qū)動電路(通過彈簧連接)的適配器板來進行升級。賽米控的skypertm驅(qū)動器是這方面理想的產(chǎn)品。

圖3　顯示出skaitm模塊中的集成功能的結(jié)構(gòu)圖

5　集成子系統(tǒng)
　　所有這些ipm的共同點是真實的“智能”，即將設定點值轉(zhuǎn)換成驅(qū)動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，其特點是集成了dsp控制器，除脈寬調(diào)制外，還可進行其它通信任務。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個輔助電源，精密電流傳感器和一個液體冷卻器。圖3顯示了集成功能的結(jié)構(gòu)圖。

6　新的封裝趨勢
　　當前電力電子發(fā)展的目標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，在低成本、標準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展。為了說明這一進展，展示了兩個具有相同額定功率的模塊。

圖4　現(xiàn)代功率半導體體積和重量的減小
　　在這一領域所觀察到的進一步趨勢是使用彈簧連接作為輔助和負載連接。賽米控的miniskiip系列產(chǎn)品是這一領域中的先驅(qū)者。在miniskiip模塊中，至轉(zhuǎn)換器pcb板的每個輔助和負載連接都是用彈簧連接。

7　正在使用的新一代芯片
　　半導體技術(shù)的改善帶動了更薄、結(jié)構(gòu)更佳的半導體芯片的發(fā)展。在過去幾年，這一進步已使1200v igbt芯片的電流密度從40a/cm2增加至120a/cm2。事實上，芯片技術(shù)也有其局限性，從一個例子可以看出這個事實，即對于最新的600v溝槽igbt(厚度為70μm)，其允許短路時間從10μs減少到最高 6μs。這是因為硅片越薄，其熱容量越低。

8　更高的運行溫度
　　在許多領域需要更高的運行溫度，如汽車應用中發(fā)動機室的溫度普遍超過130℃，冷卻劑的溫度則達105℃甚至更高。實現(xiàn)這些應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。得益于半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在這些都是可能實現(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℃，達175℃。目前，最新一代1200 v igbt正在對tvj=175℃的情況進行測試。然而，更高的運行溫度和電流密度對可靠性也有負面影響，尤其是在負載循環(huán)能力方面，可導致焊接處疲勞的焊點和邦定線連接剝離[1]。一個可能的解決方法是將半導體元件與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)工藝能幫助進一步提高電流密度和運行溫度。燒結(jié)工藝是在約240℃的溫度下對銀粉施加高壓，以在部件之間建立一個能提供可靠連接的薄連接層[ 2，3 ]。

9　結(jié)束語
　　功率半導體有助于電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是其在替代能源領域及電動和混合動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。應對未來有關更高運行溫度及相關可靠性問題挑戰(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)。