IGBT模块的未来发展趋势探讨

1.电力电子集成技术

电力电子集成概念的提出已有30余年的历史，早期的思路是单片集成，体现了片上系统（System on Chip，SoC）的概念，即将主电路、驱动、保护和控制电路等全部制造在同一个硅片上。由于高压、大电流的主电路元器件和其他低压、小电流电路元器件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热等问题，故单片集成难度很大。而在中大功率范围内，只能采用混合集成的办法，将多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块内，现在广泛使用的电力电子功率模块和IPM都体现了这种思想。在1997年前后，电力电子技术领域一些学者共同提出PEBB的概念，明确了集成化这一电力电子技术未来的发展方向，并将电力电子集成技术的研究推向高潮。总的来说，电力电子装置与系统的集成可以分为三个不同的层次和形式：

（1）单片集成

单片集成即将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路都采用半导体集成电路的加工方法，制作在同一硅片上，体现了SoC的概念。这种集成方式集成度最高、适合大批量、自动化制造，可以非常有效地降低成本、减小体积和重量，目前仅在小功率范围有所应用，如Top Switch等。随着新型半导体材料和加工工艺的发展，将来必然向较大的功率等级发展。

（2）混合集成

混合集成就是采用封装技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路间的组合与高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效地减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到较高的可靠性，因此目前仍以中等功率应用为主，并正在向大功率发展。混合集成的典型例子是IPM。在某种意义上，混合集成是在集成度与技术难度之间，根据当前的技术水平所采取的一种折衷方案，具有较强的现实意义，是目前电力电子集成技术的主流方式。

（3）系统集成

系统集成是目前在工程技术领域普遍采用的集成方案，其含义是将已有的实体经过有机的组合及拼装形成一个完整的系统，在电力电子技术领域，系统集成一般指将多个电路或装置有机地组合成具有完整功能的电力电子系统，如通信电源系统等。系统集成是功能的集成，具有低的集成度和技术难度，容易实现，但由于集成度低，与独立的装置和电路相比，体积和重量都无法显著降低，而且其构成仍以分立的元器件为主，设计、制造都较复杂，不能明显地体现集成的优势。目前，系统集成技术多用于功率很大、结构和功能复杂的系统。目前，国际电力电子学界所谈论的集成概念一般指单片集成和混合集成，而很少包含系统集成这一层次。

2.微电子和电力电子的进一步结合(www.xing528.com)

当前，由于微电子和电力电子的进一步结合，功率半导体器件正在迈出第三步，可以表现在以下三个方面：

1）新型功率半导体器件的芯片制造正越来越多地采用了集成电路芯片技术，换句话来说，功率半导体器件正在采用亚微米技术并向深亚微米方向发展。认为功率半导体器件只是一种低工艺水平技术的概念现在应该作出改变。当然，功率半导体器件的制造并未采用最先进的IC工艺技术，但这些差别却使利用较为便宜的设备成为可能，从而降低了制造成本，这一点对功率半导体器件的发展是很重要的。

2）不仅是芯片技术，功率半导体器件的封装技术也正向集成电路靠拢，集成电路的封装热点是采用BGA（球栅阵列）和MCM（多芯片模块）技术，这些也已逐步成为新型功率半导体器件采用的封装方式。如IR公司的FlipFET模块及iPOWIR模块都采用了BGA技术，而iPOWIR模块同时又是最典型的MCM技术。当然，功率半导体器件在散热方面比集成电路有更高的要求，过去晶闸管封装中常见的双面散热，现在也第一次被用在MOS器件中来，如DirectFET模块。

3）目前的一个新趋势，是功率半导体器件和集成电路往往被组合在同一个芯片或是同一个封装中。也就是说，把更多功能的控制部分和功率部分、保护电路都组合在一个器件中。过去人们所指的功率集成电路，主要是指高压驱动电路，即用来驱动较高电压的IGBT所用的集成电路。而当前却产生了一类称为功率管理用的集成电路及其相关的功率器件。其电压可能不高，但控制功能大大加强。最典型的是在DC/DC变换器应用中的一些器件。因此，认为功率器件只是指分立器件的概念已经有了根本转变。例如，IR公司生产的IC和相关或具有特殊功能的先进器件已超过常规的分立器件，而且正进一步向生产“系统”的方向发展。有一个说法是，今后系统及IC等先进器件的生产将成为主体。在这样一个发展过程中，功率管理（Power Management）这个用语就变得越来越普遍。

国外关于功率管理的提法，已经相当普及，特别是在和4C产业有关的电力电子行业。其出现的频繁度甚至高于原有的电力电子。功率管理只是电力电子发展到现阶段在某些领域的一个新提法。相对于电力电子而言，功率管理更强调了管理和控制方面的功能。

功率变换（Power Conversion）这个概念过去几乎就等同于电力电子，但功率变换还不能全部包括电力电子中功率管理的内容。如功率因数校正（PFC）及低压差稳压器（LDO）等。LDO广泛用于计算机的电源中，作为小范围电压的调整与稳定。它是一个IC，同时也包含功率器件在内。例如，在AC/DC电源中，可以有一个带PWM又具有零电压开通的功率器件，它同时也是一个IC，IR把它称为集成开关（Integrated Switch），这些都是IC和功率器件组合的典型例子。

现在已经有很多采用表面贴装的功率器件，但那些封装形式大体是沿用了集成电路的原有封装。所以从散热角度来说，不一定最适合于功率器件。DirectFET是第一次把功率器件的双面散热引入到表面贴装型的器件中来。DirectFET的尺寸大小相当于SO-8外壳，但外壳本身的电阻仅为0.1mΩ，而SO-8却为1.5mΩ。因而使器件的电流密度增加一倍，使线路板的面积比原来用SO-8外壳时减小50%。用一对DirectFET（控制FET与同步FET）组成的同步降压变换器，可在1.3V电压下提供30A的电流。在DirectFET的一面可看到一个栅极和两个源极引出部分，它们将直接焊在线路板上；另一面是一个铜盖，是漏极也是可散热的另一面。DirectFET只有5mm×6.35mm×0.7mm大小。这种器件将用于高档的便携式计算机、服务器的电压调制模块、工作站和主机及先进的通信和数据系统中。