先进电力电子技术

硅基半导体技术在上个世纪点燃了电子行业的星星之火,促成了英特尔,IBM和其他世界半导体巨头在“硅谷”的诞生。如今,全球40%的能源消耗与电力的使用相关,而电力主要由功率半导体设备消耗,因而促使电力电子成为现代电子工业的基础。然而,传统的硅基功率器件难以满足当今应用端对高效率、高密度和高可靠性的需求,以应对恶劣的环境和轻量化及小型化的趋势。随着材料及工艺的成熟,以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体器件取得了突破性的进展,被数据中心、5G通讯、电动汽车、机器人、智慧能源、智能电网,智能交通,智能移动,智能制造等智能城市相关行业广泛接受为下一代的能源解决方案,以支持国家及地方政府的节能环保措施,而与其相关的所有技术可归类为先进电力电子技术。

根据Global Market Insights发布的市场调研数据,预计到2024年全球电力电子市场份额将超过450亿美元,而亚太地区(APAC),特别是因其不断创新和制造活动而成为全球制造业中心的中国,预计将占据最大份额。此外,第三代半导体器件及其相关封装和应用的发展已定位为中国“十三五”和“十四五”规划的主要方向之一,并有望在实施“中国制造2025”和“一带一路”的国家战略中发挥主导作用。应科院的电子元件技术部与中国第三代半导体产业联盟(CASA)已合作3年以上,并被联盟指定为连接内地和海外的副理事长单位。

专注于将第三代半导体器件应用于先进电力电子技术中,应科院在过去的5年里成功构建了一系列的技术平台,其中包括:

 

1. 三维高功率电子模块封装技术平台

 

基于三维无引线封装技术和大规模塑封成型技术,应科院于2015年成功展示了一种新型的三维全塑封无引线封装形式。该模块封装具有双面散热界面及超低的电寄生参数,可以有效解决现有模块的可靠性及散热性能的瓶颈。该模块技术受到6项美国及中国专利的保护,是将第三代半导体器件应用于电动汽车中的理想封装平台。

 

2. 集成功率模块技术平台

 

通过采用器件、基板和模块三个等级的系统级封装技术,应科院已成功开发出为下一代网络和电信设备提供更高功率密度、电性及散热性能的集成功率模块。所有开发的平台技术,包括设计、建模仿真、工艺配方和测试等,都已成功地转移到工业伙伴手中,并在客户的产线上实现量产。该项技术受到5项中国专利的保护。

 

3. 基于氮化镓的高密度电能转换技术平台

 

该技术平台旨在通过开发“垂直驱动氮化镓”封装技术来实现一种新型的模块化功率开关封装,以解决栅极高速和高效率的驱动及氮化镓器件互连的长期可靠性挑战,为数据中心、电信设备、机器人、军事和航空航天工业中广泛采用的下一代直流-直流功率转换模块提供解决方案。该产品的部分技术参数已被收录于第三代半导体产业联盟于2018年发布的第三代半导体电力电子技术路线图中,且已开发的技术受到10项美国及中国专利的保护。

 

4. 三维系统级封装中试线

 

作为开发上述各项平台技术的基础,应科院与香港科技园公司于2014年共同建成了三维系统级功率半导体封装中试线。该中试线包含24套主要封装设备,目的是支持各项新产品及封装形式的工艺研发及技术转移,并为当地企业提供小批量生产服务。

 

应科院的先进电力电子产品与方案

 

应科院的系统级封装中试线