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SiC功率半導(dǎo)體——節(jié)能王牌面臨高溫安裝難題

發(fā)布時(shí)間:2009-09-04 來源:技術(shù)在線

新聞事件:
  • 宮代就SiC功率器件的現(xiàn)狀和課題接受采訪
事件影響:
  • SiC功率器件要想實(shí)現(xiàn)普及,“還需要確立能夠高溫工作、可靠性較高的安裝技術(shù)”

作為實(shí)現(xiàn)逆變器等功率變換器低成本化、小型化的器件,SiC(碳化硅)功率半導(dǎo)體備受關(guān)注。在空調(diào)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、混合動(dòng)力車/電動(dòng)汽車中的應(yīng)用也都在研究之中。但橫濱高度實(shí)裝技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟(YJC)理事宮代文夫指出,SiC功率器件要想實(shí)現(xiàn)普及,“還需要確立能夠高溫工作、可靠性較高的安裝技術(shù)”。不久前,宮代就SiC功率器件的現(xiàn)狀和課題接受了記者采訪。

宮代曾在東芝綜合研究所從事微波電子管、聲表面波器件、陶瓷的研究開發(fā),陸續(xù)擔(dān)任過金屬陶瓷材料研究所所長、新材料應(yīng)用研究所所長、電子安裝學(xué)會副會長等職務(wù)。目前為YJC“功率電子安裝研究會”負(fù)責(zé)人。(采訪人:安保秀雄) 

問:請介紹一下SiC功率器件的現(xiàn)狀。

宮代:SiC SBD(Schottky Barrier Diode)已經(jīng)在二十一世紀(jì)初小規(guī)模投產(chǎn),在逆變器等產(chǎn)品中配備,SiC功率晶體管(MOSFET)的實(shí)用化才剛剛開始。

但大直徑、低價(jià)格的優(yōu)質(zhì)SiC晶圓供應(yīng)不足、器件長期可靠性驗(yàn)證數(shù)據(jù)不充分等問題依然存在。

不過已經(jīng)有企業(yè)表示,空調(diào)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)用功率調(diào)節(jié)器、升降電梯等設(shè)備最快將從2010財(cái)年開始配備SiC功率器件。使用SiC的設(shè)備廠商和汽車廠商也有所增加,實(shí)用化可謂近在咫尺。

問:SiC功率器件有哪些優(yōu)點(diǎn)?

宮代:SiC的能隙、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率等物理特性優(yōu)于Si。因此,SiC功率器件的損耗本質(zhì)上也低于Si。電力損耗減半的逆變器試制品正在不斷被開發(fā)出來。

SiC的物性優(yōu)于Si具有非常重大的意義。這意味著Si元件通過變更設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的性能可以靠SiC來實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)镾iC的能隙、熔點(diǎn)高,工作溫度可以提高,因此,根據(jù)使用方法,原來需要水冷的可以改換為空冷。從而降低散熱成本,實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。原來使用空冷的則可以省去風(fēng)扇。這樣不僅能消除風(fēng)扇故障隱患,還能提高功率器件安裝場所的自由度。除此之外,使用SiC還具有能夠?qū)崿F(xiàn)高頻工作、逆變器無源部件小型化等好處。

問:開發(fā)競爭的重點(diǎn)是什么?

宮代:為了全面挖掘SiC的優(yōu)勢,適合SiC的安裝技術(shù)不可或缺。對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)和汽車的逆變器,除了低損耗外,逆變器的總體積也有望縮小到目前的數(shù)分之一以下,優(yōu)秀的安裝技術(shù)將成為巨大的競爭力。

問:安裝的課題具體有哪些?

宮代:現(xiàn)在,Si等功率半導(dǎo)體器件的焊接溫度上限大多設(shè)定在150~175℃,而SiC能夠達(dá)到200℃以上。但是,需要在包括設(shè)備廠商、器件廠商、材料廠商的整個(gè)業(yè)界范圍內(nèi)確定溫度并非易事。除了器件本身外,不清楚電極連接材料、封裝材料等安裝材料是否耐高溫也是原因之一。比方說,采集200℃、250℃和300℃下的長時(shí)間數(shù)據(jù),調(diào)查初期故障、偶發(fā)故障和疲勞斷裂的可靠性是必須開展的工作。這些溫度對于環(huán)氧樹脂等有機(jī)材料條件非??量?。

因此,采用什么封裝也必須進(jìn)行研究。如果能夠利用配備以往Si功率器件的封裝構(gòu)造,那么過去的經(jīng)驗(yàn)和成果就可以得到運(yùn)用,但是,銅絲、焊錫、散熱底板、散熱片、Si凝膠、樹脂管殼能否耐受200~300℃的高溫?是否會產(chǎn)生熱應(yīng)力等問題?這些都必須重新確認(rèn)。

適合高溫工作SiC的新結(jié)構(gòu)需要重新考慮??的慰傻裙疽呀?jīng)提出了新結(jié)構(gòu)的器件。此外,能夠在高溫下使用的電容器等電子部件、小型熱管、高散熱片也同樣必要。目前相應(yīng)的安裝技術(shù)還不完善。整個(gè)業(yè)界應(yīng)該齊心合力開發(fā)SiC功率器件安裝技術(shù)。

問:業(yè)界的行動(dòng)充分嗎?

宮代:現(xiàn)在工業(yè)設(shè)備廠商、汽車廠商已經(jīng)開始全面著手研究SiC應(yīng)用,器件開發(fā)、逆變器設(shè)計(jì)都在進(jìn)行之中。但是,提高晶圓和器件的完成度依然面臨很多亟待解決的課題,“無力顧及安裝和封裝”的企業(yè)也不在少數(shù)。就像剛才說的那樣,焊接溫度等安裝技術(shù)方面的研究還沒有進(jìn)展。這可以說是一個(gè)重大問題。

另一方面,在2008年9月于歐洲召開的SiC會議ECSCRM2008(Europian Conference on Silicon Carbide and Related Materials)上,各國的發(fā)表數(shù)量超出以往。“SiC熱”的程度堪比過去的淘金熱?,F(xiàn)在,全球SiC開發(fā)進(jìn)程正在快速推進(jìn)。與德國和美國相比,日本恐怕會落后。

但是,以汽車、電機(jī)業(yè)為首,日本設(shè)備廠商對于采用SiC行動(dòng)之積極在全球都非常突出,因此,從基礎(chǔ)技術(shù)開始累積,必然能夠開辟出新的道路。
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