重庆大学，最新Nature大子刊综述！

电力半导体器件回收：迈向循环经济的技术路线与挑战！

电力能源转换是现代电力电子与能源系统的基石，支撑着清洁能源发电与高效能源利用。这一过程依赖于电力半导体器件（PSD）来实现电流、电压或频率的高效开关与控制。2023年，全球用于空调、电动汽车、太阳能逆变器和充电站的PSD出货量已达约7亿个。预计到2050年，PSD处理的电力将超过100,000 GW，相当于5万座传统发电站的规模，而届时每年退役的PSD数量可能达到约335亿个，这给电子废物管理和环境可持续性带来巨大挑战。另一方面，PSD的设计寿命通常远超其宿主设备，导致许多退役器件仍保有可观的可再利用寿命。然而，PSD结构多样、封装形式复杂，且缺乏系统性的退役状态数据，使得其筛选、拆解和剩余性能评估成为当前回收利用的主要难题。当前产业大多仍遵循“获取-制造-废弃”的线性经济模式，亟需向循环经济转型。

鉴于此，重庆大学冉立教授与曾正教授概述了退役电力半导体器件分级回收与二生使用的路线图，旨在推动电力电子领域向循环经济过渡。他们提出，基于剩余性能水平的分级回收策略，以及通过人工智能辅助的多模态筛选技术，可实现退役器件的高效评估与分类。同时，通过结构升级、材料更新或电路拓扑重构等方式进行升级再造，能显著提升回收器件的功能与经济价值。成功的商业化实施需进行涵盖技术、经济、环境与社会多维度的综合评估，而回收器件因降低了对新材料和加工的需求，在减少碳足迹方面潜力巨大。尽管前景广阔，当前PSD回收仍面临设计约束和对回收器件信心的挑战。未来进展取决于面向可回收性的封装设计、数字产品护照以及基于区块链的可追溯技术。相关研究成果以题为“Recycling power semiconductor devices”发表在最新一期《Nature Reviews Electrical Engineering》上。

【退役电力半导体器件的再利用】

分级回收策略通过匹配具有相似健康状态或性能等级的退役PSD，充分利用其剩余功能。该策略对关键参数进行筛选，为每个退役PSD分配最合适的再利用路径。典型的退役PSD损伤模式（如图2a所示）涉及半导体芯片、焊料层、键合线、封装体、基板等多个关键结构部件，长期热循环及材料间热膨胀系数不匹配是主要原因。性能参数层面，常见退化包括阈值电压漂移（尤其是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管）、通态压降增加、漏电流增大以及阻断电压降低、热阻增加等（图1a, b）。这些退化带来了可靠性风险，要求再利用前进行系统筛选。一个稳健的回收策略应从外观、电性能、热性能和结构完整性四类参数进行评估（图2b）。

图 1. 功率半导体器件的回收潜力

【选择合适的回收策略与人工智能辅助评估】

为定量评估退役PSD的剩余寿命，需要基于参数筛选结果的综合模型。文章提出一个理想的集成模型，应权衡所有关键筛选参数以生成一个连续的可用性评分（0-100%）。基于估算的剩余寿命，退役PSD可遵循五条回收路径：翻新、升级再造、降级循环、组件级回收和材料级回收（图2c）。翻新指通过小修或部件更换恢复近乎原始性能；升级再造通过重新封装或结构改造来提升性能，例如用SiC MOSFET替代IGBT以降低损耗；降级循环则是将器件用于性能要求较低的场景。当直接复用不可行时，则进行组件拆解回收功能部件，或最终通过火法、湿法冶金等进行材料级回收。人工智能辅助筛选能同时处理多参数，提升效率与准确性。PSD回收所需信息通常是多模态的，包括文本记录、性能图表、外观或失效图像等。大型多模态模型适合此项任务。定制化的LMM可利用开源框架构建，并在部署前需使用特定任务的多模态数据集进行预训练（图2d）。数据增强技术可用于扩增数据集。训练完成的LMM能集成产品寿命模型、测量参数和任务剖面数据，准确评估剩余性能，从而制定定制化的回收或修复建议。

图 2. 退役电力半导体器件的分级回收策略

【工程实施】

PSD的分级回收需要设备收集、回收处理和再部署的实践方案。以太阳能发电系统为例（图3a），展示了从回收到再部署的详细流程。收集的功率模块经过系统评估后，根据剩余性能决定进行升级再造、翻新或降级循环。升级再造主要有两种途径：一是封装级升级，采用先进封装技术和材料（如高可靠性封装料、高效热基板）进行改造，甚至替换芯片（图3b, c）；二是拓扑级升级，通过将多个退役模块以串联或并联方式重组，构建具有更高性能的新电路拓扑（图3b展示了两个功率集成模块串联形成三电平中点钳位变流器；图3c展示了三个半桥模块串联构成三电平有源中点钳位变流器）。这种重构提升了电气性能（如更高电压/电流额定值、更低寄生参数）和热性能。翻新适用于性能仅轻微退化的模块，经过清洁、部件修复和性能验证后，可部署于同等要求的应用。降级循环则将模块重新用于要求较低的应用，如家用电器、电动汽车充电桩等。

图 3. 电力半导体器件回收的实施路径

【市场前评估】

回收PSD作为一种新兴概念，需要进行全面的市场前评估，涵盖技术就绪度、经济可行性、环境影响和社会支持四个维度（图4a）。技术与经济平衡是核心工程挑战（图4b）。回收PSD必须证明其在二生应用中的高电热性能和足够剩余寿命以确保可靠性。经济上，初期研发和加工成本可能导致负现金流，但随着规模经济形成，盈利可持续。产品碳足迹评估至关重要（图4c）。生产一个单管功率器件会产生总计87.5 g CO₂e，其中材料（范围3排放）占比57%，仅半导体芯片就占PCF的48%。回收再部署能显著降低总体PCF。社会驱动力方面（图4d），消费者、产业链伙伴和政府的共同参与是关键，政策激励（如税收减免）可创造有利市场环境，长期效益包括创造就业、增强供应链韧性和促进循环经济。

图 4. 再生功率半导体器件的上市前评估

【前景】

PSD回收为减轻电子废物环境负担、提升半导体价值链材料可持续性提供了引人注目的路径。大规模实施仍受技术、工业和政策三方面挑战制约（图5a）。技术层面，PSD的复杂结构阻碍高效拆解。一步法拆解（如使用特殊溶剂，图5c）可能实现无损分离。需严格验证可回收循环次数和每次再利用后的性能退化程度。工业层面，建立稳健、可扩展的回收收集网络至关重要。市场对回收器件的接受度也是一大挑战。未来，下一代封装设计需将可回收性作为关键参数，这可能需要在可回收性与可靠性之间取得平衡（图5b）。数字护照（图5d）和区块链技术（图5e）有望增强追溯性和消费者信心。自动化生产线集成AI技术（如LMM）可实现高效筛选与修复（图5g）。政府政策（图5f）对于加速产业参与、塑造消费者行为和培育循环经济供应链至关重要。尽管器件级回收策略能在短期内减少废弃物和隐含碳，但其长期可持续性依赖于半导体行业更广泛的结构性变革，即通过系统能效提升和政策干预，减少或稳定总产量及原材料总需求。

图 5. 电力半导体器件回收的未来方向

【总结与展望】

PSD回收是实现电力电子领域循环经济转型的关键环节。通过分级策略、AI辅助评估、拓扑重构与多维度评估，能够充分挖掘退役器件的剩余价值，带来显著的环境与经济收益。然而，其产业化道路仍面临拆解技术、规模化收集网络、市场接受度以及政策框架等多重挑战。未来，融合可回收性设计、数字护照、区块链追溯和自动化生产的综合解决方案，耦合协同的政策支持与全产业链合作，将是推动PSD回收大规模发展、最终助力半导体行业迈向净零排放和可持续未来的核心方向。