電力半導(dǎo)體器件回收：邁向循環(huán)經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線與挑戰(zhàn)！

電力能源轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代電力電子與能源系統(tǒng)的基石，支撐著清潔能源發(fā)電與高效能源利用。這一過(guò)程依賴于電力半導(dǎo)體器件（PSD）來(lái)實(shí)現(xiàn)電流、電壓或頻率的高效開關(guān)與控制。2023年，全球用于空調(diào)、電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能逆變器和充電站的PSD出貨量已達(dá)約7億個(gè)。預(yù)計(jì)到2050年，PSD處理的電力將超過(guò)100,000 GW，相當(dāng)于5萬(wàn)座傳統(tǒng)發(fā)電站的規(guī)模，而屆時(shí)每年退役的PSD數(shù)量可能達(dá)到約335億個(gè)，這給電子廢物管理和環(huán)境可持續(xù)性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。另一方面，PSD的設(shè)計(jì)壽命通常遠(yuǎn)超其宿主設(shè)備，導(dǎo)致許多退役器件仍保有可觀的可再利用壽命。然而，PSD結(jié)構(gòu)多樣、封裝形式復(fù)雜，且缺乏系統(tǒng)性的退役狀態(tài)數(shù)據(jù)，使得其篩選、拆解和剩余性能評(píng)估成為當(dāng)前回收利用的主要難題。當(dāng)前產(chǎn)業(yè)大多仍遵循“獲取-制造-廢棄”的線性經(jīng)濟(jì)模式，亟需向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

鑒于此，重慶大學(xué)冉立教授與曾正教授概述了退役電力半導(dǎo)體器件分級(jí)回收與二生使用的路線圖，旨在推動(dòng)電力電子領(lǐng)域向循環(huán)經(jīng)濟(jì)過(guò)渡。他們提出，基于剩余性能水平的分級(jí)回收策略，以及通過(guò)人工智能輔助的多模態(tài)篩選技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)退役器件的高效評(píng)估與分類。同時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)升級(jí)、材料更新或電路拓?fù)渲貥?gòu)等方式進(jìn)行升級(jí)再造，能顯著提升回收器件的功能與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。成功的商業(yè)化實(shí)施需進(jìn)行涵蓋技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會(huì)多維度的綜合評(píng)估，而回收器件因降低了對(duì)新材料和加工的需求，在減少碳足跡方面潛力巨大。盡管前景廣闊，當(dāng)前PSD回收仍面臨設(shè)計(jì)約束和對(duì)回收器件信心的挑戰(zhàn)。未來(lái)進(jìn)展取決于面向可回收性的封裝設(shè)計(jì)、數(shù)字產(chǎn)品護(hù)照以及基于區(qū)塊鏈的可追溯技術(shù)。相關(guān)研究成果以題為“Recycling power semiconductor devices”發(fā)表在最新一期《Nature Reviews Electrical Engineering》上。

【退役電力半導(dǎo)體器件的再利用】

分級(jí)回收策略通過(guò)匹配具有相似健康狀態(tài)或性能等級(jí)的退役PSD，充分利用其剩余功能。該策略對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行篩選，為每個(gè)退役PSD分配最合適的再利用路徑。典型的退役PSD損傷模式（如圖2a所示）涉及半導(dǎo)體芯片、焊料層、鍵合線、封裝體、基板等多個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，長(zhǎng)期熱循環(huán)及材料間熱膨脹系數(shù)不匹配是主要原因。性能參數(shù)層面，常見退化包括閾值電壓漂移（尤其是碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、通態(tài)壓降增加、漏電流增大以及阻斷電壓降低、熱阻增加等（圖1a, b）。這些退化帶來(lái)了可靠性風(fēng)險(xiǎn)，要求再利用前進(jìn)行系統(tǒng)篩選。一個(gè)穩(wěn)健的回收策略應(yīng)從外觀、電性能、熱性能和結(jié)構(gòu)完整性四類參數(shù)進(jìn)行評(píng)估（圖2b）。

圖 1. 功率半導(dǎo)體器件的回收潛力

【選擇合適的回收策略與人工智能輔助評(píng)估】

為定量評(píng)估退役PSD的剩余壽命，需要基于參數(shù)篩選結(jié)果的綜合模型。文章提出一個(gè)理想的集成模型，應(yīng)權(quán)衡所有關(guān)鍵篩選參數(shù)以生成一個(gè)連續(xù)的可用性評(píng)分（0-100%）。基于估算的剩余壽命，退役PSD可遵循五條回收路徑：翻新、升級(jí)再造、降級(jí)循環(huán)、組件級(jí)回收和材料級(jí)回收（圖2c）。翻新指通過(guò)小修或部件更換恢復(fù)近乎原始性能；升級(jí)再造通過(guò)重新封裝或結(jié)構(gòu)改造來(lái)提升性能，例如用SiC MOSFET替代IGBT以降低損耗；降級(jí)循環(huán)則是將器件用于性能要求較低的場(chǎng)景。當(dāng)直接復(fù)用不可行時(shí)，則進(jìn)行組件拆解回收功能部件，或最終通過(guò)火法、濕法冶金等進(jìn)行材料級(jí)回收。人工智能輔助篩選能同時(shí)處理多參數(shù)，提升效率與準(zhǔn)確性。PSD回收所需信息通常是多模態(tài)的，包括文本記錄、性能圖表、外觀或失效圖像等。大型多模態(tài)模型適合此項(xiàng)任務(wù)。定制化的LMM可利用開源框架構(gòu)建，并在部署前需使用特定任務(wù)的多模態(tài)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練（圖2d）。數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)可用于擴(kuò)增數(shù)據(jù)集。訓(xùn)練完成的LMM能集成產(chǎn)品壽命模型、測(cè)量參數(shù)和任務(wù)剖面數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確評(píng)估剩余性能，從而制定定制化的回收或修復(fù)建議。

圖 2. 退役電力半導(dǎo)體器件的分級(jí)回收策略

【工程實(shí)施】

PSD的分級(jí)回收需要設(shè)備收集、回收處理和再部署的實(shí)踐方案。以太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)為例（圖3a），展示了從回收到再部署的詳細(xì)流程。收集的功率模塊經(jīng)過(guò)系統(tǒng)評(píng)估后，根據(jù)剩余性能決定進(jìn)行升級(jí)再造、翻新或降級(jí)循環(huán)。升級(jí)再造主要有兩種途徑：一是封裝級(jí)升級(jí)，采用先進(jìn)封裝技術(shù)和材料（如高可靠性封裝料、高效熱基板）進(jìn)行改造，甚至替換芯片（圖3b, c）；二是拓?fù)浼?jí)升級(jí)，通過(guò)將多個(gè)退役模塊以串聯(lián)或并聯(lián)方式重組，構(gòu)建具有更高性能的新電路拓?fù)洌▓D3b展示了兩個(gè)功率集成模塊串聯(lián)形成三電平中點(diǎn)鉗位變流器；圖3c展示了三個(gè)半橋模塊串聯(lián)構(gòu)成三電平有源中點(diǎn)鉗位變流器）。這種重構(gòu)提升了電氣性能（如更高電壓/電流額定值、更低寄生參數(shù)）和熱性能。翻新適用于性能僅輕微退化的模塊，經(jīng)過(guò)清潔、部件修復(fù)和性能驗(yàn)證后，可部署于同等要求的應(yīng)用。降級(jí)循環(huán)則將模塊重新用于要求較低的應(yīng)用，如家用電器、電動(dòng)汽車充電樁等。

圖 3. 電力半導(dǎo)體器件回收的實(shí)施路徑

【市場(chǎng)前評(píng)估】

回收PSD作為一種新興概念，需要進(jìn)行全面的市場(chǎng)前評(píng)估，涵蓋技術(shù)就緒度、經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境影響和社會(huì)支持四個(gè)維度（圖4a）。技術(shù)與經(jīng)濟(jì)平衡是核心工程挑戰(zhàn)（圖4b）?；厥誔SD必須證明其在二生應(yīng)用中的高電熱性能和足夠剩余壽命以確?？煽啃?。經(jīng)濟(jì)上，初期研發(fā)和加工成本可能導(dǎo)致負(fù)現(xiàn)金流，但隨著規(guī)模經(jīng)濟(jì)形成，盈利可持續(xù)。產(chǎn)品碳足跡評(píng)估至關(guān)重要（圖4c）。生產(chǎn)一個(gè)單管功率器件會(huì)產(chǎn)生總計(jì)87.5 g CO?e，其中材料（范圍3排放）占比57%，僅半導(dǎo)體芯片就占PCF的48%?；厥赵俨渴鹉茱@著降低總體PCF。社會(huì)驅(qū)動(dòng)力方面（圖4d），消費(fèi)者、產(chǎn)業(yè)鏈伙伴和政府的共同參與是關(guān)鍵，政策激勵(lì)（如稅收減免）可創(chuàng)造有利市場(chǎng)環(huán)境，長(zhǎng)期效益包括創(chuàng)造就業(yè)、增強(qiáng)供應(yīng)鏈韌性和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

圖 4. 再生功率半導(dǎo)體器件的上市前評(píng)估

【前景】

PSD回收為減輕電子廢物環(huán)境負(fù)擔(dān)、提升半導(dǎo)體價(jià)值鏈材料可持續(xù)性提供了引人注目的路徑。大規(guī)模實(shí)施仍受技術(shù)、工業(yè)和政策三方面挑戰(zhàn)制約（圖5a）。技術(shù)層面，PSD的復(fù)雜結(jié)構(gòu)阻礙高效拆解。一步法拆解（如使用特殊溶劑，圖5c）可能實(shí)現(xiàn)無(wú)損分離。需嚴(yán)格驗(yàn)證可回收循環(huán)次數(shù)和每次再利用后的性能退化程度。工業(yè)層面，建立穩(wěn)健、可擴(kuò)展的回收收集網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。市場(chǎng)對(duì)回收器件的接受度也是一大挑戰(zhàn)。未來(lái)，下一代封裝設(shè)計(jì)需將可回收性作為關(guān)鍵參數(shù)，這可能需要在可回收性與可靠性之間取得平衡（圖5b）。數(shù)字護(hù)照（圖5d）和區(qū)塊鏈技術(shù)（圖5e）有望增強(qiáng)追溯性和消費(fèi)者信心。自動(dòng)化生產(chǎn)線集成AI技術(shù)（如LMM）可實(shí)現(xiàn)高效篩選與修復(fù)（圖5g）。政府政策（圖5f）對(duì)于加速產(chǎn)業(yè)參與、塑造消費(fèi)者行為和培育循環(huán)經(jīng)濟(jì)供應(yīng)鏈至關(guān)重要。盡管器件級(jí)回收策略能在短期內(nèi)減少?gòu)U棄物和隱含碳，但其長(zhǎng)期可持續(xù)性依賴于半導(dǎo)體行業(yè)更廣泛的結(jié)構(gòu)性變革，即通過(guò)系統(tǒng)能效提升和政策干預(yù)，減少或穩(wěn)定總產(chǎn)量及原材料總需求。

圖 5. 電力半導(dǎo)體器件回收的未來(lái)方向

【總結(jié)與展望】

PSD回收是實(shí)現(xiàn)電力電子領(lǐng)域循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)分級(jí)策略、AI輔助評(píng)估、拓?fù)渲貥?gòu)與多維度評(píng)估，能夠充分挖掘退役器件的剩余價(jià)值，帶來(lái)顯著的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)收益。然而，其產(chǎn)業(yè)化道路仍面臨拆解技術(shù)、規(guī)?；占W(wǎng)絡(luò)、市場(chǎng)接受度以及政策框架等多重挑戰(zhàn)。未來(lái)，融合可回收性設(shè)計(jì)、數(shù)字護(hù)照、區(qū)塊鏈追溯和自動(dòng)化生產(chǎn)的綜合解決方案，耦合協(xié)同的政策支持與全產(chǎn)業(yè)鏈合作，將是推動(dòng)PSD回收大規(guī)模發(fā)展、最終助力半導(dǎo)體行業(yè)邁向凈零排放和可持續(xù)未來(lái)的核心方向。