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纯电动汽车引发功率元件安装革命

来源:人民网-财经频道 作者: 时间:2013-03-04 0

  预计在15~20年以后,纯电动汽车(EV)与混合动力车(HEV)的需求将达到数千万辆。这将会改变功率模块的设计和业界格局。丰田凭借自身的混合动力车引领了功率电子器件封装的进化。其他汽车企业也紧随其后,促使英飞凌、丹佛斯、赛米控、富士电机等企业的封装技术取得了进步。而且,技术的发展给相关市场带来了好处。

  传统功率模块市场面向的是工业以及可再生能源领域,要求具备高可靠性、长寿命、高品质。虽然非常高的附加值和少量生产也是追求的对象,但成本压力较小。EV和HEV对于旨在实现大工作温度范围等更高性能参数的研究起到了推动作用。这对于现有的用途应该也具有积极意义。

  功率电子行业现在广泛采用铝引线键合技术,这是一种不正常的现象。如果选择能够降低电阻、提高导热率、延长寿命的键合方法,很可能会实现更好的性能。引线键合非常脆弱,可能因热循环、振动、冲击等原因脱落。

  丰田采用铝条带键合

  铝引线键合的替代方法之一是铝条带键合,现在已经得到了丰田的采用。但这种方法也很可能会被铜线键合等取代。铜线可以使用标准封装设备键合,与芯片表面连接的步骤简单,而且,由于铜的电阻低、导热率高,所以键合效果可以长期保持。赛米控使用的是采用柔性箔的方法,其他多家模块厂商使用的是在管芯上采用非柔性箔及一种DBC(直接键合铜)基板的方法。

  模块厂商正在探索能够适应更高的输出密度、温度,以及热负荷的键合方法。而且,为了降低热循环造成剥离的几率,热膨胀系数也需要维持在较低水平。赛米控与贺利氏开发了一种使用超细银粉在DBC上烧结的方法。但这种方法耗时长,还需要使30MPa的压力均匀分布在管芯上,而且温度必须达到250℃。贺利氏目前正在对无需高压和高温的纳米银粉进行评估。而且,现在已经有多家企业推出了置于箔上运输的纳米粉浆,这种产品比凝胶和膏状更容易运输和涂覆。除此之外,利用铜锡合金的高热阻性质的共晶键合也是一种选择,这种方法得到了英飞凌“.XT”功率模块的采用。这种方法是在DBC上形成非常薄的铜层和锡层,再把管芯置于其上。铜与锡在高温下混合即可形成高熔点的合金。

  功率模块还必须要有冷却系统。去掉管芯与冷却系统之间的夹层之后,液体将直接接触到DBC。丰田、富士电机以及三菱汽车的混合动力车已经采用了这项技术。现在,通过在冷却板或DBC中嵌入微管,对微通道进行冷却的研究已经开始。如果采用这种方法,由硅和宽带隙半导体制成的产品就能在温度更高的环境下工作。

  最近,功率模块的封装必须要支持新格式,如PowerStack、整合度更高的构件等。这些面向EV的技术革新正在逐渐改写着行业的格局。被动元件厂商没有涉足功率模块、封装制造和设计领域的技术经验,因此采取了与功率模块厂商合作的方式,丹佛斯就在参与此类合作。而且,英飞凌与赛门控也在合作开发PowerStack技术。
  端子配置出现标准化动向

  过去,由于功率电子行业的生产规模小,除了几种常见的模块尺寸之外,被行业广泛采用的标准少之又少。而如今,这样的情况正在逐渐发生改变。富士电机与英飞凌、赛门控三家公司正在合作研究使模块具备兼容性的引脚配置。借助模块厂商与汽车厂商的直接合作,EV正在掀起另一场技术革命。这意味着与过去一级、二级的明确分工相比,汽车电子领域的行业构造发生了进化。

  另一个进化可能源于向外部专业从事封装的厂商订货的趋势。现在,大部分的功率模块厂商都在利用亚太地区低廉的劳动成本,因此无需对外转包任何一道工序。但随着市场快速扩大,菲律宾IQXprez等众多企业估计都会考虑以承包商的身份进入市场。

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