标准化白皮书：未来5至10年，功率模块寿命设计将重点关注三种方法

10月17日，国际电工委员会(IEC)发布了关于推动功率半导体标准化的白皮书，该书指出，标准在任何行业的发展中都发挥着关键作用，通过推动功率半导体标准建设，加速市场接受和更快的全球应用部署，从而消除重大的技术风险，提高产品质量，并确保公平竞争的做法。wznesmc

支持功率半导体的供应链

功率半导体器件、材料、相关生产/测试设备和相关产品的供应链往往复杂、范围长且对干扰敏感。 为了平衡半导体晶圆和其他必需材料的供需，价值链之间共享路线图和市场预测以及材料的回收/再利用将日益成为未来努力的重点。必须确保为功率半导体行业提供服务对于供应链中的所有公司来说仍然是一项可持续发展的业务。wznesmc

关注功率模块料件供应

根据白皮书引用的Yole数据显示，功率模块原材料市场预计到2028年将达到约41亿美元，2022年至2028年复合年增长率为10%(如图1所示)。 然而，2020年的COVID-19大流行以及2021年以来的全球背景，由于2023年目前的原材料短缺，造成了严重的制造延迟和停工，并且这种情况预计将在未来一段时间内持续下去。wznesmc

20 年来，电气产品包装材料一直受到环境和健康有害物质的监管，例如欧盟化学品注册、评估、授权和限制法规 (REACH) 和 RoHS。 功率模块相应地遵循这些规定。 (如表1所示)，功率模块包括铜、铝、陶瓷、工程塑料和硅树脂等材料以及半导体芯片。 这些主要成分材料并未列在欧盟关键原材料(CRM)清单等监管清单中，因为它们也广泛用于包含这些功率模块的功率转换器。 随着功率模块需求的增加，电源转换器所用材料的竞争也随之加剧。 此外，由于应用范围的扩大，人们正在考虑新的封装结构和材料，并且确保原材料变得越来越复杂。 底层技术涉及功率模块的寿命设计，未来5-10年将重点关注三种方法。wznesmc

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图1，功率模块封装市场——按封装解决方案划分wznesmc

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表2，制造功率模块所用材料及其功能wznesmc

• 高度稳健的设计：诸如平面互连代替引线接合、银烧结代替焊料的芯片接合、树脂封装代替硅胶以及具有更高机械强度的陶瓷基板等技术正在付诸实践。
• 高度精确的寿命估计：寿命模型是通过拟合实验值提供的，但结合材料物理特性(包括老化)的模型开始被考虑。
• 状态监测:正在引入技术，以避免随机故障，并通过使用各种传感器和特定半导体器件特性的现场监测来检测老化的年龄和估计剩余的使用寿命。例如，在栅极驱动级测量温度敏感电参数(TSEP)，或者采用提供高时间分辨率和抗电磁干扰(EMI)的直接光学方法来检测功率模块中半导体芯片在工作期间的结温。

由于采用了常用的材料，目前还没有针对电源模块的材料发布相关的标准和规范。今天，需要一个更详细的材料数据库来提高寿命模型的准确性和监测老化行为。为了有效地利用这个数据库，材料需要按照规格或标准进行分类。基于其寿命设计技术，可以讨论到目前为止不可能重复使用的功率模块的可能性，并可以制定长期标准。对于新部署的材料，需要进行风险评估。此外，白皮书还特别指出，由于环境的各种变化，目前使用的材料也可能受到管制。wznesmc

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本文翻译自国际电工委员会(IEC)发布的功率半导体标准化白皮书Power semiconductors for an energy-wise societywznesmc