半导体技术的新挑战封装与系统设置

 　　提高功率密度和性能，同时降低成本，从来都是功率半导体技术的前进方向。本文指出，在可预见的未来，这个趋势还将继续下去，并且新型半导体材料的发展甚至会加剧这一趋势。传统的硅材料与诸如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等新材料的一个共同发展趋势是，提高电流密度，并且需要逐步实现高达200℃的更高工作温度。主要受要求高得多的负载和温度循环能力的限制，如今的封装技术尚不能处理高于200℃的温度。另一个共同发展趋势是，各种新老材料的半导体都致力于加快开关速度，以降低器件内部损耗，从而提高电流承受能力。本文还表明，朝着这个方向发展，降低开关损耗的潜力巨大(约7倍)，并且阐述了在低电感连接技术方面，封装和系统设置面临的挑战。

　　1.功率半导体行业的基本原则

　　自功率半导体问世以来，始终只有一条创新和优化途径：提高功率密度和性能，同时降低成本。其推动力一直源于半导体本身，封装和安装技术，和通过日益缩小体积和不断降低功率损耗来实现新功能的全新系统设置。提高性能和降低成本是其永恒的结果。

　　这貌似一条与宇宙熵理论相呼应的基本原则。在一个封闭系统中，熵只能增大：

　　E → ∞. (1)

　　从非严格科学意义上讲，功率半导体的发展趋势也是如此：

　　p/c → ∞, (2)

　　其中

　　p = 性能(就经济优势而言)

　　c = 器件成本

　　性能的每一次提升都有其用武之地。在具体的应用中，性能提升转化为系统优势，创造出相应的经济效益。如果性能提升意味着增加成本，那么其带来的经济优势必须要超过增加的成本。另一条途径只能是，在保持性能不变的情况下，不断降低成本。这意味着技术水平滞足不前，只能持续较短的时间。

　　2.功率器件的微型化之路

　　遵循这条原则，在器件的额定电流和电压不变的情况下，功率半导体的尺寸和体积大幅缩小。如图1所示。

　　图1：各代1200V-75A IGBT器件在恒定开关功率下的通态损耗

　　如今的IGBT同第一代IGBT一样，以1200V/75A和100kW开关功率运行，但不同的是，其尺寸缩小了五分之三。单极性器件的体积缩小幅度甚至更大，如图2所示。

　　自1993年以来，600V MOSFET的尺寸缩小了十倍(按特定Ron*A计算)，这意味着如今仅需十分之一的有效面积，就能实现相同的Ron。

　　图2：各代600 V MOSFET器件按Ron*A的有源区

　　仅使用相同的材料——硅，但通过采用更加先进的补偿技术，单极性器件和双极性器件都可以实现这样的性能提升。下文将对此进行说明。