功率模組發展現況近年來，環保與節能的議題越來越受到重視，世界各國政府也積極推動能源政策，促使綠能產業蓬勃發展。 其中功率模組在綠能產業中扮演著重要的角色，像是風力發電系統、電動車的馬達驅動、家用電冰箱與冷氣壓縮機的驅動都需要用到功率模組，提供交流電與直流電之間的能源轉換，因此對於功率模組的市場需求將會越來越大。 圖一為Yole Development預估之全球功率模組封裝市場需求，從2010年的4億美元成長至2020年的17億美元，成長幅度高達四倍之多。 在各國政府持續推動節能減碳政策，及歐盟期望在2020年達到減少20%溫室氣體排放量（相比於1990年）的目標下，工業節能及電動車的發展越來越受到重視，而功率模組在節能減碳上扮演一關鍵角色。 以電動車為例，需要一高效能的變頻器來作為動力系統與電力系統之間的功率轉換。 在功率轉換期間，高壓高流的功率輸出常伴隨著大量的熱能，影響功率模組的驅動效能。
- 高散熱之智慧型功率模組架構如圖六所示，包含功率晶片、二極體、驅動晶片、導線架、高導熱介面材料及銅底板。
- 模組的並行陣列也可通過冗餘實現容錯，在成本增加不大的情況下，顯著提高 DC-DC 電源系統的可靠性和穩定性。
- 改善傳統內燃機引擎燃油效率後，下一步是輕混複合動力車，其次是全複合動力車(Full Hybrid Vehicle)，最後是純電動車。
- 導熱封裝材料隨著功率模組的演進需求，除了追求高導熱係數之外，也開始出現不同的應用規格與變化。
- 其次，可能需要額外的外部控制電路，才能確保遇到故障的模組的關機和重啓行爲不會中斷整個系統。
- 50kW以上的直流充電樁，可能採取一體化或模組化結構設計，預期越大功率的充電樁越有機會採用模組化結構。
如今日本東芝 TOSHIBA 帶來的大面積鈣鈦礦太陽能模組，效率高達 16.6%。 模組的並行陣列也可通過冗餘實現容錯，在成本增加不大的情況下，顯著提高 DC-DC 電源系統的可靠性和穩定性。 系統負載可能有單個模組能夠滿足的電源需求，而系統則可通過並行增加另一個模組，實現 N+1 冗餘。 其次，可能需要額外的外部控制電路，才能確保遇到故障的模組的關機和重啓行爲不會中斷整個系統。 脈衝負載的特點是峰值負載電流短，但非常大，其可帶來不同類型的 DC-DC 系統設計挑戰。
功率模組: 產品介紹
高功率元件可支援鋼廠、電力系統和地鐵中，滾輪的高電壓、高電流及使用環境，有助於提升效率和節能功效。 從整流器二極體到各式各樣的閘流體和堆疊器，三菱電機可提供範圍廣泛的新型高功率元件。 在模組應力分析上，採用有限元素分析法，模擬經過高溫迴焊製程時，因熱膨脹係數不一樣產生之模組翹曲應力(Warpage)，模擬的結果如圖九所示。 與傳統DBC與DPC基板相比，絕緣厚銅基板的翹曲應力可下降80%與85%。 除此之外，也可透過模擬分析功率晶片在冷熱溫度循環的可靠度測試(Temperature Cycling Test; TCT)下，是否會因熱應力而有破裂的風險。
圖一為純電動車與各類油電混合車二氧化碳排放量比較圖，純電動車比插電式油電混合車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV)與全混成電動車(Full Hybrid Electric Vehicle; Full HEV)減少了近40%與60%的碳排放量。 功率模組是未來發展油電混合動力車與電動車發展演進之共同關鍵組件，以目前台灣在車用全球供應體系中Tier 2~3的重要角色及電子、半導體產業優勢，投入此關鍵組件開發，國內有機會在短時間建立相關技術及市場能量。 功率模組產業趨勢與市場現況在未來，功率模組將會有三大重要市場，分別為家用變頻系統、電動車以及工業控制應用。 隨著功率模組的功率密度越來越高，新一代寬能隙(Wide Band Gap; WBG) IGBT功率模組將會是未來發展的趨勢，其晶片將從Si轉變至SiC以及GaN。 以材料本質來說，SiC相較於Si有兩倍的電子飽和速度、三倍多的熱傳導率以及十倍的絕緣破壞強度，因此製備成元件後，其低導通電阻將可以減少元件的功耗，並且可以在200˚C穩定運作，速度將會是Si模組的數倍。 隨著綠色能源議題持續受到關注，功率模組在太陽能、電動車與油電混合車等領域的應用市場也逐漸擴大。
功率模組: 大功率DC-DC 轉換器電源模組
當中的功率模組主要用於馬達驅動器、變頻器、轉換器、電源供應器等組件中，提供電力能源在傳輸及運作過程中的變換和控制所需，是機械動力的核心；像是工研院在高功率電子電力模組的整合開發，就已陸續協助應用於高鐵、台鐵、捷運等交通系統中，以提升相關系統的穩定性及可靠度。 經濟部工業局和技術處支持工研院成立亞洲首座通過具國際認證的「功率模組測試實驗室」，提供業者進行測試與檢驗，將產品以高技術優勢，推向世界市場。 功率模組2023 所謂智慧型功率模組(Intelligent Power Module; IPM)是將功率晶片、驅動晶片及相關被動元件封裝在一個結構體中，透過打線互連技術連接功率晶片、電路板及驅動晶片。 其最主要的架構是採用導線架搭配陶瓷覆銅基板(Direct Bonded Copper; DBC)，再透過模封製程將其密封，防止元件因水氣氧化失效，提升模組壽命。 目前智慧型功率模組的領導廠商包含Infineon Technologies（英飛凌）、Mitsubishi Electric（三菱電機）、Fuji Electric（富士電機）、Semikron（賽米控）等都持續研發車用功率模組技術，以下將概略分析這些國際大廠之功率模組產品封裝架構與基本性能。
但隨着時間的推移，負載變得越來越複雜，如今它們具有許多與供電網絡 (PDN) 相關的特徵。 因此，電源系統設計人員必須非常詳細地瞭解負載行爲，才能確定它是否會影響 DC-DC 模組的性能。 例如，負載可能會影響模組的控制環路響應，從而影響其穩定調節與執行的功能。 模封製程為此模組之關鍵製程之一，利用模封時高壓與模具內部頂真的設計，使得導線架與散熱銅底板能緊密接合，若導線架與高導熱介面材料之間產生脫層的現象，模組便無法承受高壓的交流訊號衝擊，導致整體的可靠度壽命降低。 首先，將已預貼高導熱介面材料的銅底板放置於下模穴，再將已完成固晶之導線架放置於高導熱介面材料之上，由於模穴的溫度高達170˚C，此步驟時間得控制於10~20秒之間，超過此一時間高導熱介面材料會因…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。 以最新的電子和其他技術、結合新開發的高性能材料所製造的產品，使我們保有市場的領先地位。
功率模組: 技術發展趨勢
此外，在一體化設計下功率元件，一般50kW以下會採離散式元件、50kW以上產品採用電源模組形式；但若改採模組化結構設計，因為單一個模組功率小，故即使是50kW以上的直流充電樁，亦可採取離散式元件設計。 在電動車直流充電樁等大功率電子電路中，高擊穿電壓可簡化設計並提高效率，寬能隙元件的擊穿電壓高，且導通電阻低，導通電阻值降低可減少開關損耗與功率損耗，從而實現特別精簡的封裝。 針對高壓應用電路，SiC元件可承受高溫200℃，傳統Si元件最高只能承受150℃，充電樁使用寬能隙元件，可實現更高的開關速率與更高的能源效率，進而訴求更精簡、更簡單的冷卻模組。
Epson心率感測模組，使用特殊濾鏡提升LED光效率，實現極小尺寸、低功耗、高精度模組。 有三個主要考慮因素會影響針對在 PDN 功率模組 中設計的大容量存儲選擇適當的電容器。 其次，選擇具有適當溫度分佈的電容器，以便涉及大量熱量的環境條件不會對系統可靠性產生負面影響。 石油危機、地球暖化等節能與環境保護的議題受到全球矚目，因應經濟成長趨緩、汽車銷售成長率逐漸下降與隨著高齡化社會的到來、對應高齡人口及交通弱勢者問題，連帶地影響汽車產業發展。
功率模組: 電源設計的技術資料
導熱封裝材料隨著功率模組的演進需求，除了追求高導熱係數之外，也開始出現不同的應用規格與變化。 在電動車與馬達應用中，如何提高嚴苛環境下的可靠度，包含耐熱性以及耐腐蝕性，將會是未來車載功率模組應用的重要議題。 電性、應力、熱傳模擬分析技術工研院自行開發之絕緣厚銅基板模組規格為1,200 V/600 A，單一模組可用來驅動電動車馬達或工業用伺服馬達，晶片規格採用1,200 功率模組 V/200 A之IGBT晶片，模組實際內部結構如圖七所示。 此模組搭配銅片橋接(Copper 功率模組 Clip)技術，使用點錫膏製程(Solder Dispenser)將Copper Clip與晶片接合作為模組承載高電流，並透過電性、應力與熱傳模擬分析得到最佳化的模組結構。
繼SiC概要、SiC-SBD（蕭特基二極體）、SiC-MOSFET之後，來介紹一下完全由SiC功率元件組成的“全SiC功率模組”。 本文作為第一篇，想讓大家瞭解全SiC功率模組具體是什麼樣的產品，都有哪些機型。 三菱電機的接觸式影像感測器配備高靈敏度和高 S/N CMOS 影像感測器，以及結合專用的影像處理單元和高精密 A/D 轉換器的 ASIC，可提供同類產品中最快的掃描速度，以及具有最高可用性的數位輸出。
功率模組: 產業技術評析
產品分為SiC MOSFET+SiC SBD型及僅SiC MOSFET之類型，可視用途選購。 元晶在台灣潮間帶與鹽灘的模組銷售實績已接近1GW (10億瓦)，副總江郅豪表示在特殊氣候環境下使用的模組，除了要量身訂做外，更要考慮天災後的緊急維修能力，元晶屏東廠是台灣最大模組廠，年產能達1.5GW，具有隨時供應全台「颱風過後」的模組維修及運補能力。 太陽能廠元晶（6443）今宣布接獲大型模組訂單，金額約達30億元，自8月下旬開始出貨，預計在3個季度內完成所有交貨，可望為未來營運提供穩定動能。
智慧型功率模組(Intelligent Power Module; IPM)是將多顆功率晶片、驅動IC以及被動元件集合於一體之高效能、高可靠度封裝技術。 其常用於冷氣、冰箱、洗衣機等驅動，模組透過內部的控制IC，實現高速的電源切換，有效的控制馬達運轉，避免馬達長時間處於高速運轉的狀態，進而達到節能之目的。 賽米控公司的模組架構採用軟性電路板(Flexible Circuit Board)取代傳統打線製程，並使用銀燒結(Silver 功率模組2023 Sintering)技術將軟性電路板、功率晶片、DBC陶瓷基板與Heat Sink垂直整合，如圖六所示。 此封裝架構的優點在於可使模組輕量縮小化，易於整合應用於電動車；同時模組也具備低熱阻與高功率循環測試(Power Cycling 功率模組 Test)壽命。
功率模組: 電感負載帶來 EMI 及性能挑戰
元晶太陽能（6443）（6443）宣布接獲大型模組訂單，金額約達30億元，自8月下旬開始出貨，預計在三個季度內完成所有交貨，可望為未來營運提供穩定動能。 法人評估，近期因選舉攻防，綠電成為朝野討論焦點，造成上下游太陽能產業極大的困擾，元晶在此時宣佈取得30億元國內訂單，除了對元晶營運有相當助益外，也在業界起了鼓舞作用。 元晶太陽能（6443）宣布接獲大型模組訂單，金額約達30億元，自8月下旬開始出貨，預計在三個季度內完成所有交貨，可望為未...
在並行陣列中對每個模組的輸入輸出進行濾波，可防止拍頻（用綠色及藍色箭頭表示）在整個陣列中循環，從而導致系統不穩定。 而IPM，下面給出了由6個IGBT和三相閘極驅動器組成的逆變器結構的IGBT 功率模組 IPM的電路方塊圖以及封裝範例，這是最常見的IPM。 在該範例中，還內建了用來驅動高側N通道IGBT的自舉二極體和續流用的快速恢復二極體。 此款紅外線感應器結合了三菱電機所原創研發之熱二極體紅外線感應器科技，以達到更高像素與高溫解析度效能。 此款感應器能擷取人員、物體等等的精細熱影像，並提升識別人員/物體及人員移動的效能，是防範犯罪、監控系統、人流計數系統，以及空調系統的理想選擇。
功率模組: 半導體保險絲（IPD）
東芝發言表示，團隊提供大型薄膜鈣鈦礦太陽能當作橫濱青葉站的演示實驗材料，其中還包括分析在室內的表現。 元晶透過新聞稿表示，客戶採購高效能大尺寸M10規格的太陽能模組，主要用以建置嘉義和台南兩地漁電共生型的太陽能電廠，兩廠規模約450百萬瓦（MW）。 有兩種選項，可爲冗餘陣列的模組提供 O 型環，以確保一個模組的故障不會導致整個系統癱瘓：串聯二極管和主動控制 MOSFETS。 開關噪聲影響系統穩定性的一種方式是在系統的整體開關頻率噪聲剖面中增加一個低頻率噪聲分量。 像這樣的拍頻是由甚至存在於相同類型、相同型號的模組中的固有變異性引起的，在現實世界裏更加複雜，理想情況下爲單個較高振幅的紋波，由陣列中所有模塊的開關噪聲共同產生。
目前功率模組的技術發展趨勢是降低成本，提昇功率密度、提昇可靠度以及減少雜散元件的影響。 雜散元件是在電路之間不想要的電容（雜散電容）或是導線之間不想要的電感（雜散電感）。 因此，製造商會設法減少雜散元件，並且維持低成本，而且和其他廠商的元件保持高度的相容性，以便成為替代料源 更進一步功率模組最佳化的主題是從熱源（裸晶）到散熱片之間的散熱途徑。 熱需要通過許多不同的材質，例如焊錫、導熱絕緣基板、基板、散熱膏以及散熱片本體，最後才傳到像是空氣、或是水或油等液態介質中。
功率模組: 電動車 IGBT 功率模組歐日主導，台廠急起直追
法人評估，近期因選舉攻防，綠電成為朝野討論焦點，造成上下游太陽能產業極大的困擾，元晶在此時宣布取得30億元國內訂單，除對元晶營運有相當助益外，也在業界起了鼓舞作用。 作者：余泰君、高國書、張景堯、林欣翰、邱柏凱 、呂芳俊、張道智／工研院電光系統所★本文節錄自「工業材料雜誌」371期，更多資料請見下方附檔。 作者：余泰君、邱柏凱、高國書、張景堯、吳昇財、林欣翰、韓偉國、徐世豐、曾志銘、呂芳俊、張道智／工研院電光系統所★本文節錄自「工業材料雜誌」380期，更多資料請見下方附檔。
SiC基板具有更高的電場強度，可使用更輕薄的基礎結構，厚度可能僅為Si外延層的十分之一，此外SiC的摻雜濃度較Si高出2倍，元件的表面電阻降低，傳導損耗顯著減少。 許多電源模組與電動馬達驅控器廠商已在未來產品藍圖(Roadmap)中規劃使用SiC元件，寬能隙元件或模組能大幅降低特定負載下的開關損耗與傳導損耗，改善散熱管理，確保高能量密度，同時縮小電路尺寸。 SiC技術適用於功率較高的產品應用，例如電動馬達、驅動器與驅控器，廠商研發適用的驅動電路，以滿足轉換器對更高開關頻率的需求，並採用更複雜巧妙的拓撲結構減低電磁干擾。 由於效率更高、外形尺寸更小、重量更輕，智慧設計的冷卻要求也相應降低，有利於電動車輛動力系統的熱管理(Thermal Management)。 寬能隙功率元件的應用例子越來越多，與傳統的Si元件比較，SiC與GaN顯現卓越性能，使功率元件能夠在電動車輛大電壓、大電流，尤其是高溫環境與高開關頻率下工作。
功率模組: 功能
不過產業人士指出，電動車用 IGBT 晶片製造以 12 吋晶圓為主，英飛凌和 Cree 等大廠已量產，台廠 IGBT 晶圓以 6 吋晶背產能為主，應用在電冰箱等商用領域，至於台廠在 IGBT 晶片發展進度，還需要 1~1.5 年才可浮出檯面。 江郅豪表示，在緊急狀況時，我們也很願意支持使用東南亞模組的太陽能電廠，但前提是進口模組必須符合台灣經濟部訂定的基本規格，譬如鋁框厚度及孔位等，目前這些進口模組都不符合我國規格。 供應鏈人士表示，受限於台積電CoWoS先進封裝產能嚴重不足，導致輝達AI晶片產能遲遲無法放大，不過，第3季底到第4季台積電CoWoS新產能將逐步開出，屆時鴻海AI晶片模組出貨量可望快速放大，獲利將跟著提升。 法人認為，AI晶片模組是整個伺服器供應鏈當中，毛利最高的產品，鴻海又有輝達新訂單到手，可望明顯提升毛利率。 能發揮電源產品的小型化、降低功耗、提昇效率優勢的SiC碳化矽的基本物理性質，及其二極體，電晶體的使用範例。
在這種情況下，上游模組的控制環路穩定性和瞬態響應取決於下游模組的控制環路特徵。 HVICs 是具有各種內建保護功能的高電壓 IC；它使用來自微電腦或其他設備的輸入訊號，直接驅動功率 MOSFET 或 IGBT 中的閘門電路。 三菱電機提供多種半導體元件，包括能高效控制電力的功率元件、可提供光纖通訊設備所需效能的光元件、涵蓋無線電至衛星通訊的高頻元件，以及可藉由溫度感測來觀察物體行為變化的紅外線感測器產品系列。 由圖八的電性模擬結果可知，絕緣厚銅基板搭配Copper Clip技術相比於傳統DBC陶瓷基板搭配鋁打線技術，可提升75%的電流密度、模組阻抗也可降低7%，代表此模組在高壓高流的驅動下，能降低功率的損耗並提升模組的可靠度。 導線架廠界霖已切入電動車和油電混合車用 IGBT 模組，客戶包括日系和歐系車廠，應用在車用和充電樁領域；艾姆勒車電（2241）也積極開發電動車 IGBT 晶片散熱模組；保護元件廠聚鼎（6224）子公司聚燁科技也布局電動車 IGBT 模組散熱應用。
