- 宮代就SiC功率器件的現(xiàn)狀和課題接受采訪
- SiC功率器件要想實現(xiàn)普及，“還需要確立能夠高溫工作、可靠性較高的安裝技術(shù)”
作為實現(xiàn)逆變器等功率變換器低成本化、小型化的器件，SiC（碳化硅）功率半導(dǎo)體備受關(guān)注。在空調(diào)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、混合動力車/電動汽車中的應(yīng)用也都在研究之中。但橫濱高度實裝技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟(YJC)理事宮代文夫指出，SiC功率器件要想實現(xiàn)普及，“還需要確立能夠高溫工作、可靠性較高的安裝技術(shù)”。不久前，宮代就SiC功率器件的現(xiàn)狀和課題接受了記者采訪。
宮代曾在東芝綜合研究所從事微波電子管、聲表面波器件、陶瓷的研究開發(fā)，陸續(xù)擔(dān)任過金屬陶瓷材料研究所所長、新材料應(yīng)用研究所所長、電子安裝學(xué)會副會長等職務(wù)。目前為YJC“功率電子安裝研究會”負(fù)責(zé)人。（采訪人：安保秀雄）
問：請介紹一下SiC功率器件的現(xiàn)狀。
宮代：SiC SBD（Schottky Barrier Diode)已經(jīng)在二十一世紀(jì)初小規(guī)模投產(chǎn)，在逆變器等產(chǎn)品中配備，SiC功率晶體管（MOSFET)的實用化才剛剛開始。
但大直徑、低價格的優(yōu)質(zhì)SiC晶圓供應(yīng)不足、器件長期可靠性驗證數(shù)據(jù)不充分等問題依然存在。
不過已經(jīng)有企業(yè)表示，空調(diào)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)用功率調(diào)節(jié)器、升降電梯等設(shè)備最快將從2010財年開始配備SiC功率器件。使用SiC的設(shè)備廠商和汽車廠商也有所增加，實用化可謂近在咫尺。
問：SiC功率器件有哪些優(yōu)點？
宮代：SiC的能隙、熔點、導(dǎo)熱率等物理特性優(yōu)于Si。因此，SiC功率器件的損耗本質(zhì)上也低于Si。電力損耗減半的逆變器試制品正在不斷被開發(fā)出來。
SiC的物性優(yōu)于Si具有非常重大的意義。這意味著Si元件通過變更設(shè)計無法實現(xiàn)的性能可以靠SiC來實現(xiàn)。
因為SiC的能隙、熔點高，工作溫度可以提高，因此，根據(jù)使用方法，原來需要水冷的可以改換為空冷。從而降低散熱成本，實現(xiàn)裝置的小型化。原來使用空冷的則可以省去風(fēng)扇。這樣不僅能消除風(fēng)扇故障隱患，還能提高功率器件安裝場所的自由度。除此之外，使用SiC還具有能夠?qū)崿F(xiàn)高頻工作、逆變器無源部件小型化等好處。
問：開發(fā)競爭的重點是什么？
宮代：為了全面挖掘SiC的優(yōu)勢，適合SiC的安裝技術(shù)不可或缺。對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)和汽車的逆變器，除了低損耗外，逆變器的總體積也有望縮小到目前的數(shù)分之一以下，優(yōu)秀的安裝技術(shù)將成為巨大的競爭力。
問：安裝的課題具體有哪些？
宮代：現(xiàn)在，Si等功率半導(dǎo)體器件的焊接溫度上限大多設(shè)定在150～175℃，而SiC能夠達(dá)到200℃以上。但是，需要在包括設(shè)備廠商、器件廠商、材料廠商的整個業(yè)界范圍內(nèi)確定溫度并非易事。除了器件本身外，不清楚電極連接材料、封裝材料等安裝材料是否耐高溫也是原因之一。比方說，采集200℃、250℃和300℃下的長時間數(shù)據(jù)，調(diào)查初期故障、偶發(fā)故障和疲勞斷裂的可靠性是必須開展的工作。這些溫度對于環(huán)氧樹脂等有機(jī)材料條件非?？量?。
因此，采用什么封裝也必須進(jìn)行研究。如果能夠利用配備以往Si功率器件的封裝構(gòu)造，那么過去的經(jīng)驗和成果就可以得到運(yùn)用，但是，銅絲、焊錫、散熱底板、散熱片、Si凝膠、樹脂管殼能否耐受200～300℃的高溫？是否會產(chǎn)生熱應(yīng)力等問題？這些都必須重新確認(rèn)。
適合高溫工作SiC的新結(jié)構(gòu)需要重新考慮。康奈可等公司已經(jīng)提出了新結(jié)構(gòu)的器件。此外，能夠在高溫下使用的電容器等電子部件、小型熱管、高散熱片也同樣必要。目前相應(yīng)的安裝技術(shù)還不完善。整個業(yè)界應(yīng)該齊心合力開發(fā)SiC功率器件安裝技術(shù)。
問：業(yè)界的行動充分嗎？
宮代：現(xiàn)在工業(yè)設(shè)備廠商、汽車廠商已經(jīng)開始全面著手研究SiC應(yīng)用，器件開發(fā)、逆變器設(shè)計都在進(jìn)行之中。但是，提高晶圓和器件的完成度依然面臨很多亟待解決的課題，“無力顧及安裝和封裝”的企業(yè)也不在少數(shù)。就像剛才說的那樣，焊接溫度等安裝技術(shù)方面的研究還沒有進(jìn)展。這可以說是一個重大問題。
另一方面，在2008年9月于歐洲召開的SiC會議ECSCRM2008（Europian Conference on Silicon Carbide and Related Materials）上，各國的發(fā)表數(shù)量超出以往。“SiC熱”的程度堪比過去的淘金熱?，F(xiàn)在，全球SiC開發(fā)進(jìn)程正在快速推進(jìn)。與德國和美國相比，日本恐怕會落后。
但是，以汽車、電機(jī)業(yè)為首，日本設(shè)備廠商對于采用SiC行動之積極在全球都非常突出，因此，從基礎(chǔ)技術(shù)開始累積，必然能夠開辟出新的道路。
