10月17日，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布了關(guān)于推動(dòng)功率半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化的白皮書(shū)，該書(shū)指出，標(biāo)準(zhǔn)在任何行業(yè)的發(fā)展中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過(guò)推動(dòng)功率半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，加速市場(chǎng)接受和更快的全球應(yīng)用部署，從而消除重大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并確保公平競(jìng)爭(zhēng)的做法。qOJesmc

支持功率半導(dǎo)體的供應(yīng)鏈

功率半導(dǎo)體器件、材料、相關(guān)生產(chǎn)/測(cè)試設(shè)備和相關(guān)產(chǎn)品的供應(yīng)鏈往往復(fù)雜、范圍長(zhǎng)且對(duì)干擾敏感。 為了平衡半導(dǎo)體晶圓和其他必需材料的供需，價(jià)值鏈之間共享路線圖和市場(chǎng)預(yù)測(cè)以及材料的回收/再利用將日益成為未來(lái)努力的重點(diǎn)。必須確保為功率半導(dǎo)體行業(yè)提供服務(wù)對(duì)于供應(yīng)鏈中的所有公司來(lái)說(shuō)仍然是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的業(yè)務(wù)。qOJesmc

關(guān)注功率模塊料件供應(yīng)

根據(jù)白皮書(shū)引用的Yole數(shù)據(jù)顯示，功率模塊原材料市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到約41億美元，2022年至2028年復(fù)合年增長(zhǎng)率為10%(如圖1所示)。 然而，2020年的COVID-19大流行以及2021年以來(lái)的全球背景，由于2023年目前的原材料短缺，造成了嚴(yán)重的制造延遲和停工，并且這種情況預(yù)計(jì)將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)下去。qOJesmc

20 年來(lái)，電氣產(chǎn)品包裝材料一直受到環(huán)境和健康有害物質(zhì)的監(jiān)管，例如歐盟化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)和限制法規(guī) (REACH) 和 RoHS。 功率模塊相應(yīng)地遵循這些規(guī)定。 (如表1所示)，功率模塊包括銅、鋁、陶瓷、工程塑料和硅樹(shù)脂等材料以及半導(dǎo)體芯片。 這些主要成分材料并未列在歐盟關(guān)鍵原材料(CRM)清單等監(jiān)管清單中，因?yàn)樗鼈円矎V泛用于包含這些功率模塊的功率轉(zhuǎn)換器。 隨著功率模塊需求的增加，電源轉(zhuǎn)換器所用材料的競(jìng)爭(zhēng)也隨之加劇。 此外，由于應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，人們正在考慮新的封裝結(jié)構(gòu)和材料，并且確保原材料變得越來(lái)越復(fù)雜。 底層技術(shù)涉及功率模塊的壽命設(shè)計(jì)，未來(lái)5-10年將重點(diǎn)關(guān)注三種方法。qOJesmc

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圖1，功率模塊封裝市場(chǎng)——按封裝解決方案劃分qOJesmc

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表2，制造功率模塊所用材料及其功能qOJesmc

• 高度穩(wěn)健的設(shè)計(jì)：諸如平面互連代替引線接合、銀燒結(jié)代替焊料的芯片接合、樹(shù)脂封裝代替硅膠以及具有更高機(jī)械強(qiáng)度的陶瓷基板等技術(shù)正在付諸實(shí)踐。
• 高度精確的壽命估計(jì)：壽命模型是通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)值提供的，但結(jié)合材料物理特性(包括老化)的模型開(kāi)始被考慮。
• 狀態(tài)監(jiān)測(cè):正在引入技術(shù)，以避免隨機(jī)故障，并通過(guò)使用各種傳感器和特定半導(dǎo)體器件特性的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)老化的年齡和估計(jì)剩余的使用壽命。例如，在柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)測(cè)量溫度敏感電參數(shù)(TSEP)，或者采用提供高時(shí)間分辨率和抗電磁干擾(EMI)的直接光學(xué)方法來(lái)檢測(cè)功率模塊中半導(dǎo)體芯片在工作期間的結(jié)溫。

由于采用了常用的材料，目前還沒(méi)有針對(duì)電源模塊的材料發(fā)布相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。今天，需要一個(gè)更詳細(xì)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)提高壽命模型的準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)老化行為。為了有效地利用這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，材料需要按照規(guī)格或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類?；谄鋲勖O(shè)計(jì)技術(shù)，可以討論到目前為止不可能重復(fù)使用的功率模塊的可能性，并可以制定長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于新部署的材料，需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。此外，白皮書(shū)還特別指出，由于環(huán)境的各種變化，目前使用的材料也可能受到管制。qOJesmc

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本文翻譯自國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布的功率半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)Power semiconductors for an energy-wise societyqOJesmc