集成电源是电源技术发展的必由之路
Trend of power source development:integrated package

西安交通大学    王兆安     陈桥梁    （西安  710049）

摘  要：本文指出了集成电源是电源技术发展的必然方向，目前混合封装技术是集成电源模块的主流方式，阐述了混合封装技术的若干关键技术问题和发展方向，最后介绍了若干基于混合封装技术的集成电源模块。
关键词：集成电源；电力电子集成技术；混合封装。

1引言
一提到集成技术，人们想到的首先就是集成电路(IC)。集成电路技术在微电子领域取得了巨大的成功。如果没有集成电路，没有集成芯片，我们今天生活的世界会是什么样子。我们每天所使用电视机等各种电子产品、计算机、MP3、因特网等等，没有一种不是以集成芯片为核心部件。离开了这些，我们的时代根本算不上信息化、现代化。
其实，“集成”这一概念不只用于集成电路，它有相当的普遍性，小至一个产品，大到整个社会，都可以使用“集成”这一概念。在信息电子领域，集成电路成功的改变了整个世界。而在电力电子领域，集成技术的成功就不那么容易。近年来，国际上把集成技术用于电力电子的呼声甚高。许多大学、科研单位和大公司在这一领域进行了积极的探索，我国在这些方面的研究也已经起步。与信息电子电路的集成技术相比，电力电子集成技术有其相同点，但也有更多的不同点。其共同点是，二者集成的对象都是电子电路。因此，集成电路中的许多技术都为电力电子集成技术所借鉴。例如，单片电力电子集成技术就和集成电路十分相似。起源于集成电路封装技术的多芯片模块(Multi Chip Module-MCM)技术就对电力电子集成技术有很大的借鉴意义。共同点主要是：信息电子技术特别容易在单个芯片上实现，甚至出了片上系统（System on Chip-SOC）的概念和技术。而在电力电子集成中，单片集成就要困难很多。因为电力电子中主电路通常电压较高、功率较大、发热严重、电磁干扰也严重，而控制电路通常电压较低、本身功耗不大也难于承受高压，抗电磁干扰性能也较弱。因此，电压隔离、热隔离、抗电磁干扰就成了电力电子集成技术的三大问题。
更低的成本、更小的体积和更高性能是电源生产商和用户永恒的追求。然而目前电源装置的设计大部分是基于分立的非标准化的器件，生产劳动强度高，这导致了设计周期较长和较高的成本；另外随着电力电子半导体器件的快速发展，开关频率越来越高，在装置体积能得到进一步减小的同时，寄生参数对电源性能和可靠性的影响也越来越显著，器件的损耗也越来越大。目前电力电子学界普遍认为电力电子集成技术是解决这些问题最有效的手段[1-3]，图1给出了传统电源装置和采用集成模块构成的电源装置对比图。
电力电子集成技术可分为单片集成，即把电源的所有部分集成在一个芯片上，混合封装集成、系统集成三个不同的层次。单片集成就是类似集成电路的集成；混合封装集成就是把主电路芯片、驱动、控制芯片采用混合封装的形式集成在一个壳体内；系统集成的概念还比较模糊，它是指把不同的元件和部件集成为一个电力电子系统，有人认为系统集成还不算真正意义上的电力电子集成。
单片集成适用于功率小，电压低的场合，以TOP switch和Power IC为代表的单片集成电源已经取得了很大的成功，如图2所示。但当功率稍大、电压稍高时，由于电压隔离、热隔离、电磁干扰三大原因，实现单片集成就很困难了。当然，单片集成工艺简单、成本低廉，随着半导体技术的不断进步，特别是在电子材料方面如能取得突破，单片集成仍有很大的优势，其使用的功率范围和电压范围会不断扩大。
在几百瓦及1kW以上电压稍高的范围内主要采用混合封装集成技术，这是一种折衷解决方案。目前，对电力电子集成技术的研究主要集中在这一领域。电力电子集成技术运用于批量大，应用面广的产品，因此有可能在变频器和电源产品中取得突破，图3给出了基于集成模块的分布式电源系统结构图。
有人认为，电力电子技术实际上就是研究电源的技术，本文所说的“集成电源”就是指采用电力电子集成技术所制造的电源，其中重点论述采用混合封装技术的集成电源。与微电子技术不同，电力电子集成技术处于起步阶段，因而有许多关键技术问题需要研究。

2集成电源的关键技术
采用混合封装电力电子集成技术的集成电源有以下关键技术：
(1)模块内互连技术；
(2)模块内电磁优化设计；
(3)模块的传热技术与热设计；
(4)新型封装材料；
(5)无源元件集成技术。
下面对这些问题分别进行论述。

2.1模块内互连技术
模块内有许多芯片，除驱动、控制电路外，单是主电路就有几个芯片，在电气上如何把这些芯片互相连接起来，就成了集成电源的一项关键技术。互连是封装技术的核心问题，它决定着模块的分布参数、功率密度、可靠性和热性能。
目前，使用最为广泛的芯片互连方法是用铝丝互连。这种方法成本较低，技术上也最为成熟。但也存在一些不足之处，如并联的多根铝丝电流分配不均匀、有较大的局部寄生电感、较大的高频电磁应力，以至影响键合点寿命等。作者所在的研究组为此提出了采用簧片压接互连工艺的方法。目前，后者正在深入研究之中。另外，一些学者提出的POL、EP[4]等芯片封装互连工艺也正在研究之中，这些三维封装互连技术都在一定程度上降低了模块的寄生参数、改善了热性能以及提高了功率密度。因而，找出一种更为可靠的芯片互连方法是混合封装集成电源的一项关键技术。

2.2模块内电磁优化设计
电力电子电源中的开关器件工作频率越来越高，过渡时间越来越短，寄生参数的影响越来越大，而集成电源功率密度高，其中各元件距离很近，因而元件之间的相互影响变大，特别是功率电路对驱动控制的影响[5]。图5给出了开关过程中，不同的开通时间对应的开关管电压、电流的时域及相应的频域波形，可以看出，开关器件的电压电流频谱分布很广，大大增加了电磁耦合的可能性和强度。
对于模块内的寄生参数进行建模是电磁优化设计的基础，目前较为常用的是局部元等效电路（Partial Element Equivalent Circuit-PEEC）模型[6]，通过Ansoft Maxwell 3D或INCA等软件可以求得一定几何结构下模块的局部寄生参数（寄生电感、耦合电容等）[7]，进而得到集总参数电路模型，可以采用Pspice或Saber等软件对电路进行分析。
尽量减小高频电流回路的面积、长度和高dv/dt导体的面积等，以达到减小模块内寄生电感、互感和耦合电容，封装结构和工艺对这些参数有着重要的影响。目前建立一套合理的电磁优化设计准则也是十分必要的。

2.3模块的传热技术与热设计
目前有效的热管理已成为电力电子集成技术的最为关键的技术之一，传热装置决定装置的体积、重量、功率密度和可靠性，因而目前对于高效、轻便的散热方式研究的较多，如微通道传热、热管冷却和气-液两相冷却等[8，9]，图6给出了新型散热装置的示意图。另外，3维封装结构也为集成电源模块的双向散热提供了可能，可以实现更高的功率密度。
同时由于集成电源功率密度高、控制、驱动芯片距离发热严重的主电路芯片距离很近，因而设计时应该合理设计布局，保证控制驱动电路的正常工作。目前集成模块的传热分析主要以有限元软件仿真分析和实验验证结合的方法，根据仿真和实验数据构建准确实用的热路模型也是具有很大的工程价值的。

2.4新型封装材料
材料的研究是一项基础性研究，一个性能优良的新型材料的出现必将给某一项技术带来革命性的影响。
随着模块功率密度的提高，对模块的热-机械性能要求就越高[10]。就基板材料而言，高导热率、良好的绝缘性、热膨胀系数匹配（与Si材料相比）以及较强抗拉能力是选择封装材料的标准，目前基于AIN的DBC板是综合性能较好的一种基板，另外Al2O3和BeO也被采用，但后者有毒性。为了提高机械性能和热性能，DBC基板一般焊接在金属铜板上，虽然铜有优异的导热性能，但是和硅以及AIN材料的热膨胀系数匹配性不好，会产生较大的热-机械应力，大大降低了模块的可靠性，如图7所示。因而必须研究热匹配性能更好的材料，目前主要研究的金属基化合物（如AlSiC）有着很好的应用前景。此外，研究无铅焊接材料也是集成电源实现“绿色化”的关键。

2.5无源元件集成技术
除散热装置外，无源元件的体积是对电源装置体积、重量的影响最大的因素，因而为了提高电源整体的功率密度，无源元件的集成也是必需的。由于和功率半导体器件的工作方式不一样，因而集成方法也不同。采用磁集成技术可以将多个磁性元件用一个磁性元件代替，进一步还可以将电路中部分电容与磁性元件集成在一起，构成无源集成模块，进一步减小体积，性能上也有一定的提高。但无源元件集成还未取得突破性的成功，在集成电源中如何处理无源器件，一直是一个关键问题。图8和图9分别是CEPS研制的开关电源用集成EMI滤波器和无源功率模块[11，12]。
虽然新型功率器件对电力电子技术的发展起着决定性的作用，但有的学者认为目前的功率器件不是制约电力电子技术最为主要的因素[12]。

3集成电源模块的开发
从2003年起，作者承担了国家自然科学基金重点项目“电力电子系统集成基础理论与若干关键问题的研究”（和浙江大学钱照明教授等共同承担）。以该项目为载体，研制开发了若干种集成电源模块。其中有通信电源用开关电源模块、铝基板全桥电源模块、采用压接工艺（簧片和金属球）的半桥模块。下面对这些集成电源模块作一简单介绍。
(1)通信电源用开关电源集成模块
图10为2kW通信电源用集成模块，PFC模块集成了整流极二极管、Boost变换器功率器件以及驱动电路和电流采样电阻和驱动电路，DC-DC模块采用移相控制的全桥变换器拓扑。集成模块中采用了Infineon公司的COOLmos和SiC二极管，采用基于TMS320LF2407的数字控制，开关频率为100kHz。
(2)铝基板全桥模块
图11是基于铝基板的全桥电源模块[14]，采用IR的IRFP460LC功率管芯，包含了驱动板和控制板，功率等级为1.5kW。
(3)通用半桥模块
图12是功率等级为5kW的半桥模块，模块采用了600V/100A的IGBT和FRED的功率管芯，集成了驱动保护电路和DSP数字控制电路。
(4)通用全桥模块
对于更大功率范围，功率等级为10kW全桥功率模块，模块采用600V/100A的IGBT和FRED的功率管芯，集成了电流取样电阻、驱动保护电路和数字控制板。
(5)采用压接工艺的半桥模块
为了改进铝丝互连工艺的不足之处，项目组提出了基于簧片和金属球的压接工艺。图14给出基于簧片压接工艺的半桥模块，采用1200V/75A的IGBT和1200V/100A的FRED管芯，图15采用金属球压接工艺的半桥模块，采用500V/20A IRFP460LC管芯。
对以上的集成模块进行实验研究表明，采用混合封装的功率集成模块设计电源装置，明显提高了功率密度，减小了寄生参数，简化了设计安装过程。采用压接工艺的集成模块能进一步提高功率密度、减小寄生参数，同时实现了双向散热。

4结语
从以上分析中可以看出：集成电源是电源技术发展的必由之路。除在小功率、低电压场合应用单片集成技术之外，在功率稍大、电压稍高的场合下，混合封装技术仍是最主要的途径。如何解决好其中的关键技术，是当前电源界和电力电子学术界面临的一个重大课题。

参考文献
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