世界各國提倡節能減碳，促使綠能產業興起。因應此趨勢，標榜節能的產品相應而起，例如工具機、工業設備、電動車、工業變頻器，與一般常見的家用電器，舉凡冷氣、冰箱、洗衣機等，上述所有應用端之內部核心的結構主要為馬達驅動，而內部使用的功率模組即為節能關鍵零組件。功率模組應用領域雖極廣，但開發技術至今並無明確定義，如何有效率且準確驗證功率模組電性特性也成為議題。
本文將從以下大綱，透過實例的驗證，展示工研院開發的整合型自動測試技術，可有效地改善傳統對於功率模組電性測試繁複且冗長的驗證流程，也導入自動控制概念；並透過此精確地判定靜態(DC)、動態(AC)與電容所有項目之特性，建立具備可試量產的自動化電性測試證驗平台。
‧功率模組應用與發展
‧功率模組自動測試平台技術開發
‧規格制定與治具平台設計
‧測試平台驗證結果
‧結論
【內文精選】
功率模組應用與發展
近年來，由於地球天然資源日益缺乏，因此節能減碳與環保之相關議題也越來越受到重視，世界各國積極推動相關之政策與計畫，促使著綠能產業蓬勃興起。其中功率模組(Power Module; PM)在此產業中扮演著極重要的角色，其應用面像是工具機馬達驅動、工業設備、電動車的馬達驅動、工業變頻器、冷氣壓縮機的驅動都需要用到功率模組，其本身為功率轉換系統的核心，主要用於電力設備的電路控制，也是進行電能系統處理的核心。典型功率處理的功能包括功率管理、變頻、功率放大、變流和變壓。由此可知功率模組的需求將會日益擴大，圖一是Yole Développement評估功率模組市場應用需求，預計到2022年市場將超過50億美元，並以絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)功率模組為主流。而在電力電子系統中成長最顯著的部分則來自於汽車市場，尤其是電動和混合動力車輛(EV/HEV)動力傳動系統的電氣化。2016年EV/HEV其IGBT總收入為8.45億美元，預計到2022年將占整個IGBT市場的40%左右，也代表著電動汽車/混合動力汽車市場前景廣闊。圖二為IGBT功率元件與功率模組相應規格，大多數的IGBT在600 V至1,300 V範圍內，占全球IGBT市場的60%以上。並且只有少數廠商專門從事低壓IGBT，如Microchip或Sanken，而像三菱或日立等幾家廠商，只銷售功率模組。像英飛凌、富士、安森美半導體或東芝這樣的大公司在低壓和中壓IGBT元件與功率模組方面，於1,700 V以下都趨於領先之地位，而三菱則在2,500 V以上占據主導地位。
圖二、IGBT功率元件與功率模組相應規格
功率模組的產出，主要分為設計、封裝與測試驗證。其中測試驗證部分中的電性測試又為首要且最重要的部分，因其掌控了功率模組可使用之規格、把關其可行性，是判定模組為工程樣品、良品或真正產品的重要階段。近年來，工研院不斷精進與累積功率模組研發技術能力，並著重於車用模組與家用電器之關鍵零組件與系統應用。本文重點將會針對如何根據電性測試規範套用於1,200 V/600 A之功率型模組（如圖三所示），並針對建立和設計出整合型系統測試驗證平台來進行探討與分析。
功率模組自動測試平台技術開發
建立自動測試技術之目的，是為了跳脫以往進行電性測試時，流程繁瑣且不易在單一設備下進行測試等原因。表二為整合型測試設備需具備的功能，透過此表可知，因整合型設備整合各個傳統設備所需之功能，所以在進行測試時不需像傳統型設備，每次都需針對待測物做環境架設，因此可省去不必要的時間。
表二、整合型測試設備與傳統型設備比較表
測試平台驗證結果
經由上述整個平台設計後，我們針對此開發平台進行以下驗證。
第二部分則是利用我們所開發的平台，驗證工研院所開發的功率模組產品特性，其結果如圖十四至圖十六所示。由此可發現我們成功地整合靜態、動態與電容測試項，並達到可快速驗證高電性規格功率模組之特性與功能。另外，透過此驗證也發現我們所開發的平台可接受相同P.M.型態不同規格的功率模組在平台進行驗證...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：李衡、曾志銘、林欣翰、張道智／工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」382期，更多資料請見下方附檔。