电动车风潮迭起,功率模组封装改革势在必行

2013-12-11 13:42:43来源: 互联网

市场研究机构Yole Developpement预期,未来15~20年车厂将卖出几千万电动车与油电混合车。此需求使得功率电子封装发展出现前所未有的急迫性,并为功率模组带来可观的商机。目前主要模组制造商,如英飞凌(Infineon)、丹佛斯(Danfoss)和西门康(Semikron)、日本的富士电子(Fuji Electronics)都在因应此一趋势,开发新的制程技术。

  

  Yole Developpement功率电子分析师Alexandre Avron

  满足电动车可靠度要求 DBC打线制程势力抬头

  目前汽车的变频器仍由马达运转,就如工业应用中的装置,但它具备更高阶的规格,例如能在各个不同的温度及驾驶状况下保持可靠度。因此,现今市场亟需一个耐用的功率模组,这对于电动车或油电混合车(EV/HEV)产品的研发有很大的帮助。

  未来市场将会开始看到像丹佛斯、西门康及英飞凌等业者展现直接覆铜基板(DBC Substrates)、黏晶、互连及冷却的较新解决方案,预期有许多创新的功率模组封装,将转移到其他产业。

  在芯片互连方面,功率电子业目前广泛运用的技术是铝打线,但其他解决方案可能更具低阻抗值、较高导热性和寿命更长的效能。由于铝打线很脆弱,且它必须传送电流,可能会因热循环而使电流分离,在机械上经由振动或冲击也可能发生上述状况。目前可能替代它的一个选项是带式焊接(Ribbon Bonding),这就像是以一个非常大的打线取代许多打线,丰田已经将其用于油电混合车的某些模组中。

  在其他解决方案能取代铝打线之前,铝打线在功率电子互连上的运用将相当有限。目前各家半导体业者都在研发取代的解决方案。其中,第一个方式是以铜替换铝线,此举能用封装厂现有设备焊接,且铜能让阻抗值大幅下降,增加导热性,有利提高打线寿命。

  第二个解决方案是在芯片之上使用软层或DBC。此技术不用线材或点对点连结,而是用整片金属箔片盖在芯片上。西门康利用软箔片,而其他模组厂商用硬箔片或某种DBC基板。模组厂商也须将电晶体和二极体黏着在模组封装中,可处理较高的功率密度和更大的热负荷。此外,对黏晶来说,概念是观察能禁得起高温的材料,DBC的热膨胀係数也较低,而热循环造成的分离亦能改善。

  确保零组件可靠度 模组封装技术再进化

  另一方面,微量银粉材料则用于由西门康首创的烧结方式中,现在材料制造商也计画以微量银粉进行烧结,此方式的缺点在于制程,微量银粉需要时间、30MPa压力和250°C温度将芯片烧结在DBC,这是个很大的技术问题,因为很困难、需时甚久,而芯片所有点的压力都要一样。德国料商贺利氏(Heraeus)也在研究利用白银奈米颗粒,就可不受压力及温度限制进行烧结。有些公司也提供放在金属箔片上的微量粉煳剂,相较于凝胶或煳剂,它更容易传送及应用。

  替代黏晶的方式为共熔接合,利用熔合铜及锡而产生的抗热性。英飞凌生产它的.XT功率模组,使用铜及锡进行共熔焊接,该公司已能够在DBC上混合非常薄层的铜和锡,并将芯片置于此夹层上。在高温下,两者混在一起,以更高的熔解温度做熔合。

  採用新一代封装技术的功率模组不只是意味着能确保零组件,还有它们之间的连结和黏合可因应较高温度与冷却状况。实现此一方式最主要概念是使冷却液体更靠近变热的芯片。目前已经有许多公司移除了芯片和冷却系统间的夹层。例如,有的公司已去掉常会出现在DBC基板及冷却系统间的基础薄板,使液体直接碰触到DBC。

  新的封装技术正推动油电混合车也带动创新,日本企业如丰田、富士(Fuji)及叁菱(Mitsubishi)为其中最明显的例子。举例来说,在丰田Prius由2004年到2010年的演进中,功率模组已摆脱了基础薄板,使液体直接碰触DBC;富士与叁菱亦跟随其脚步。这样的努力可使由硅晶及宽能隙(Wide-bandgap)半导体做成的元件受惠,以绝缘闸双极性电晶体(IGBT)制造的功率模组,其冷却效果较好,寿命也较长。另外,硅化碳(SiC)也具相同特性,且利益甚至更大,因为能使元件在更高的温度下运作。

  携手车厂开发模组 芯片商扩大市场影响力

  功率模组封装近年来正逐步调整为新的方向,主要是由于功率组件及更高度整合的零组件已成为市场趋势。由电动车带起的创新情况正改变汽车电子产业。例如被动元件制造商没有专业技术进入功率模组市场,甚至封装制造或设计领域;然而,功率模组制造商则积极展开合作,如英飞凌与西门康已合力开发功率组件。

  事实上,功率电子产业先前的出货量低迷状态也意味着,除了一些通用的模组尺寸外,仅少数的标準可适用整个产业。不过,此一状况未来将获得改善,因富士、英飞凌及西门康正一起研发接脚布置,因此他们不同的模组间可彼此相容。模组生产商直接和车厂合作,代表由第一层与第二层的成层作用(Stratification)的演进,此一状况未来在汽车电子将可经常看到。

  另一个进展可能是专业封装厂的运用。目前大部分功率模组制造商都还没将制程的任一阶段转包出去,但未来将会逐渐改变。主要的塬因是由于不同国家的劳工成本都不一样,丹佛斯位于德国,英飞凌则在德国或奥地利,但几乎所有讯号和类比芯片及元件的封装却是在亚洲进行,因为劳工成本低很多。

  Yole Developpement最近已看到许多中国大陆和台湾企业想进入此市场,成为功率模组承包商,这和汽车制造的高产量相称,也和再生能源、太阳光电及风力变频器利益相符。虽然还很难说会如何演进,但相信未来有越来越多这类的公司出现,为汽车电子产业注入新的活水。

关键字:电动车  功率模组  封装改革

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1211/article_21670.html
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