寬禁帶功率半導體封裝 材料、元件和可靠性

譯者序
貢獻者列表
第一部分未來的前景
第1章未來技術趨勢3
1.1電力電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢——對下一代功率器件的影響3
1.1.1Si基材料的功率器件的發(fā)展趨勢7
1.1.2總結和展望11
1.2未來的器件概念：基于SiC的功率器件12
1.2.1在4H-SiC上的單極功率半導體器件的研究進展12
1.2.2在4H-SiC上的雙極功率半導體器件的研究進展21
1.3基于GaN的功率器件26
1.3.1AlGaN/GaN-HFET作為一個GaN晶體管器件的概念26
1.3.2垂直GaN晶體管的概念28
1.3.3GaN-HFET器件對電力電子開關晶體管的好處29
1.3.4正常關斷GaN HFET31
1.3.5Si基GaN的外延和垂直隔離33
1.3.6橫向電壓關斷35
1.3.7色散效應和電壓關斷37
1.3.8開關速度38
1.3.9芯片集成39
1.3.10雙向晶體管40
1.3.11快速柵極驅動41
1.3.12在硬開關或軟開關拓撲中使用GaN41
1.3.13開關頻率超過1MHz42
1.4WBG功率器件及其應用43
致謝44
參考文獻44
進一步閱讀49
第二部分基礎和材料
第2章互連技術53
2.1簡介53
2.2芯片焊接技術54
2.2.1高溫焊料54
2.2.2TLP鍵合59
2.2.3燒結連接60
2.3布線67
2.3.1Al和Cu線67
2.3.2Al和Cu帶鍵合68
2.4平面和三維互連70
參考文獻73
第3章基板74
3.1簡介74
3.2功率模塊的陶瓷基板75
3.2.1陶瓷基板的種類75
3.2.2高熱導率Si3N4陶瓷的研制76
3.3金屬化陶瓷基板78
3.4金屬化陶瓷基板中存在的問題79
3.4.1金屬化陶瓷基板中的殘余熱應力79
3.4.2金屬化陶瓷基板的可靠性80
3.5結論84
參考文獻85
第三部分元件
第4章磁性材料89
4.1簡介89
4.2磁性材料的磁性特性89
4.2.1磁化強度和磁感應強度89
4.2.2磁滯90
4.2.3磁心損耗91
4.2.4磁晶各向異性和磁致伸縮91
4.3軟磁材料的分類以及磁性特性的比較91
4.3.1金屬軟磁材料和軟磁鐵氧體的特點92
4.3.2結晶軟磁材料93
4.3.3軟磁鐵氧體94
4.3.4非晶合金94
4.3.5納米晶合金95
4.4應用示例和比較95
4.4.1高頻電抗器95
4.4.2高頻變壓器96
4.5未來趨勢97
參考文獻98
第四部分性能測試和可靠性評估
第5章功率半導體器件的冷卻技術101
5.1簡介101
5.2SiC/GaN功率半導體的特性及冷卻問題101
5.2.1高溫運行的響應102
5.2.2對高產(chǎn)熱密度的響應103
5.2.3半導體冷卻的三個問題104
5.3常用設計104
5.4功率半導體冷卻的預期技術105
5.4.1熱傳導路徑的演進：直接冷卻［3］105
5.4.2高級傳熱技術：用于液體冷卻的高性能散熱片107
5.5冷卻板和散熱器的材料110
5.5.1下一代功率半導體冷卻板材料的問題110
5.5.2熱變形和應力的結構和材料方法112
5.5.3對新材料的期望113
參考文獻114
第6章熱瞬態(tài)測試115
6.1熱瞬態(tài)測試的概述和介紹115
6.2熱瞬態(tài)測試116
6.3線性理論：Zth曲線和結構函數(shù)119
6.3.1Zth曲線119
6.3.2熱時間常數(shù)120
6.3.3結構函數(shù)122
6.4三個終端器件的熱測試125
6.5使用結構函數(shù)進行熱分析的進一步示例128
6.5.1芯片焊接質量分析128
6.5.2TIM分析129
6.5.3對流冷卻分析129
6.5.4散熱器比較130
6.6寬禁帶半導體的熱瞬態(tài)測試132
6.6.1SiC器件測試132
6.6.2GaN器件測試134
6.7結論138
參考文獻138
第7章可靠性評估140
7.1簡介140
7.2SiC MOS結構的柵極氧化物的可靠性141
7.2.1柵極氧化物在開關狀態(tài)下的可靠性141
7.2.2內在和外在氧化物分解143
7.2.3威布爾統(tǒng)計和氧化物減薄模型145
7.2.4臨界外在物的定義和減少147
7.2.5篩選后的失效率和失效概率149
7.2.6RON和dox的權衡151
7.2.7 逐步增大柵極電壓的測試過程和測試結果152
7.2.8結論154
7.3高溫反向偏置測試155
7.4高溫高濕反向偏置測試157
7.5溫度循環(huán)158
7.6功率循環(huán)159
7.6.1測試設置和結溫測定159
7.6.2熱模擬結果163
7.6.3通過SiC MOSFET的電氣參數(shù)進行主動加熱和溫度傳感164
7.6.4推薦測試方法：正向加載，反向檢測Vj166
7.6.5SiC二極管和MOSFET的測試結果168
7.7重復性雙極工作測試171
7.8進一步的可靠性方面171
7.9GaN可靠性評估知識狀態(tài)173
7.10寬禁帶器件可靠性研究的綜述176
參考文獻176
進一步閱讀180
第8章計算機輔助模擬181
8.1簡介181
8.1.1計算機輔助工程模擬181
8.1.2電力電子應用中的CAE182
8.2功率半導體的熱模擬183
8.2.1熱堆183
8.2.2電力電子學中對流體動力學的計算184
8.3電熱優(yōu)化185
8.3.1功率模塊的熱耦合185
8.3.2功率模塊中的寄生電感186
8.4案例研究188
8.4.1在SiC功率模塊中的熱應力188
8.4.2基于任務場景的分析方法之一188
8.4.3基于任務場景的分析方法之二190
8.4.4統(tǒng)計分析模型192
8.4.5電熱分析模型192
8.4.6熱機械模型193
8.4.7雨流計數(shù)方法197
8.4.8減少寄生電感200
8.5結論201
參考文獻201