本書是國外學(xué)者們對寬禁帶半導(dǎo)體封裝技術(shù)和趨勢的及時(shí)總結(jié)。首先，對寬禁帶功率器件的發(fā)展趨勢做了總結(jié)和預(yù)演判斷，講述寬禁帶功率半導(dǎo)體的基本原理和特性，包括其獨(dú)特的物理和化學(xué)屬性，以及它們在極端環(huán)境下的潛在優(yōu)勢。接著介紹封裝材料的選擇和特性，分別就互連技術(shù)和襯底展開論述，同時(shí)，介紹了磁性材料，并對不同材料結(jié)構(gòu)的熱性能，以及冷卻技術(shù)和散熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。然后，考慮到功率器件的質(zhì)量必須通過各種測試和可靠性驗(yàn)證方法來評估，還介紹了瞬態(tài)熱測試的原理和方法，同時(shí)闡述了各種可靠性測試的機(jī)理和選擇動(dòng)機(jī)。最后，就計(jì)算機(jī)輔助工程模擬方法列舉了許多經(jīng)典案例。
通過本書的學(xué)習(xí)，讀者可以建立起寬禁帶功率半導(dǎo)體器件封裝的全面概念，為進(jìn)一步深入研究打下基礎(chǔ)。本書可作為封裝或微電子等專業(yè)的高年級本科生和研究生的課程教材或課外閱讀材料，也可作為封裝開發(fā)和設(shè)計(jì)人員的參考書。
第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體，是指以碳化硅（SiC)和氮化鎵(GaN)為材料的半導(dǎo)體，由于其高耐壓、高電子遷移率、耐高溫等特性，在許多場合體現(xiàn)出比上一代硅（Si）基半導(dǎo)體器件更大的優(yōu)勢。封裝是器件運(yùn)用（商用）必不可少的一環(huán)，尤其是封裝的可靠性，對于集成電路（IC）的性能幾乎起到了決定性作用，新型封裝技術(shù)的能力制約著器件運(yùn)用。研究封裝，尤其在高溫、高壓、高頻的場合，各種新型封裝技術(shù)是寬禁帶功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。本書是國外技術(shù)專家學(xué)者對第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)的一次總結(jié)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的理論分析和思路其實(shí)對于封裝技術(shù)的推動(dòng)和發(fā)展有著很好的借鑒作用。
通過閱讀本書內(nèi)容，可以快速建立起關(guān)于整個(gè)寬禁帶功率半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)的全貌，理解封裝的本質(zhì)是一個(gè)多物理場耦合的結(jié)果，也是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合體。首先，對寬禁帶功率器件的發(fā)展趨勢做了總結(jié)和預(yù)演判斷，講述寬禁帶功率半導(dǎo)體的基本原理和特性，包括其獨(dú)特的物理和化學(xué)屬性，以及它們在極端環(huán)境下的潛在優(yōu)勢。接著介紹封裝材料的選擇和特性，分別就互連技術(shù)和基板展開論述，同時(shí)，介紹了磁性材料，并對不同材料結(jié)構(gòu)的熱性能，以及冷卻技術(shù)和散熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。然后，考慮到功率器件的質(zhì)量必須通過各種測試和可靠性驗(yàn)證方法來評估，還介紹了瞬態(tài)熱測試的原理和方法，同時(shí)闡述了各種可靠性測試的機(jī)理和選擇動(dòng)機(jī)。最后，就計(jì)算機(jī)輔助工程模擬方法列舉了許多經(jīng)典案例。
貢獻(xiàn)者列表
托馬斯·艾辛格,英飛凌科技公司，維拉奇，奧地利
阿祖瑪大一,日立金屬有限公司，東京,日本
阿米爾·薩賈德·巴赫曼,奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)部，電力電子可靠性研究中心（CORPE），奧爾堡，丹麥
托拜厄斯·埃爾巴赫,弗勞恩霍夫集成系統(tǒng)和元器件技術(shù)研究所（IISB），埃爾蘭根,德國
加博爾·法爾卡斯,Mentor Graphics機(jī)械分析部門，布達(dá)佩斯，匈牙利
羽池古川,昭和電工株式會(huì)社，東京,日本
托木藤崎,Mentor Graphics日本分公司機(jī)械分析部門，東京，日本
奧利弗·希爾特,費(fèi)迪南德-布勞恩研究所、萊布尼茨高頻技術(shù)研究所(FBH)，柏林,德國
平雄清,日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST），名古屋，日本
弗朗西斯科·伊安努佐,奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)部，電力電子可靠性研究中心（CORPE），奧爾堡，丹麥
利奧·洛倫茨,歐洲電力電子中心（ECPE）/英飛凌科技公司，慕尼黑，德國
約瑟夫·盧茨,開姆尼茨理工大學(xué)，開姆尼茨，德國
宮崎駿,日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST），名古屋,日本
瑪爾塔·倫茨,Mentor Graphics機(jī)械分析部門，布達(dá)佩斯，匈牙利
羅蘭·拉普,英飛凌科技公司，埃爾蘭根,德國
菅沼克昭,大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所，大阪，日本
山內(nèi)信，昭和電工株式會(huì)社，東京，日本
周由，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST），名古屋，日本
譯者序
貢獻(xiàn)者列表
第一部分未來的前景
第1章未來技術(shù)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(jié)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(dǎo)體器件的研究進(jìn)展12
1.2.2在4H-SiC上的雙極功率半導(dǎo)體器件的研究進(jìn)展21
1.3基于GaN的功率器件26
1.3.1AlGaN/GaN-HFET作為一個(gè)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(guān)晶體管的好處29
1.3.4正常關(guān)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(guān)斷35
1.3.7色散效應(yīng)和電壓關(guān)斷37
1.3.8開關(guān)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(qū)動(dòng)41
1.3.12在硬開關(guān)或軟開關(guān)拓?fù)渲惺褂肎aN41
1.3.13開關(guān)頻率超過1MHz42
1.4WBG功率器件及其應(yīng)用43
致謝44
參考文獻(xiàn)44
進(jìn)一步閱讀49
第二部分基礎(chǔ)和材料
第2章互連技術(shù)53
2.1簡介53
2.2芯片焊接技術(shù)54
2.2.1高溫焊料54
2.2.2TLP鍵合59
2.2.3燒結(jié)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(xiàn)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(dǎo)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(yīng)力79
3.4.2金屬化陶瓷基板的可靠性80
3.5結(jié)論84
參考文獻(xiàn)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(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)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(diǎn)92
4.3.2結(jié)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(yīng)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(xiàn)98
第四部分性能測試和可靠性評估
第5章功率半導(dǎo)體器件的冷卻技術(shù)101
5.1簡介101
5.2SiC/GaN功率半導(dǎo)體的特性及冷卻問題101
5.2.1高溫運(yùn)行的響應(yīng)102
5.2.2對高產(chǎn)熱密度的響應(yīng)103
5.2.3半導(dǎo)體冷卻的三個(gè)問題104
5.3常用設(shè)計(jì)104
5.4功率半導(dǎo)體冷卻的預(yù)期技術(shù)105
5.4.1熱傳導(dǎo)路徑的演進(jìn)：直接冷卻［3］105
5.4.2高級傳熱技術(shù)：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(dǎo)體冷卻板材料的問題110
5.5.2熱變形和應(yīng)力的結(jié)構(gòu)和材料方法112
5.5.3對新材料的期望113
參考文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)函數(shù)119
6.3.1Zth曲線119
6.3.2熱時(shí)間常數(shù)120
6.3.3結(jié)構(gòu)函數(shù)122
6.4三個(gè)終端器件的熱測試125
6.5使用結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行熱分析的進(jìn)一步示例128
6.5.1芯片焊接質(zhì)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(dǎo)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(jié)論138
參考文獻(xiàn)138
第7章可靠性評估140
7.1簡介140
7.2SiC MOS結(jié)構(gòu)的柵極氧化物的可靠性141
7.2.1柵極氧化物在開關(guān)狀態(tài)下的可靠性141
7.2.2內(nèi)在和外在氧化物分解143
7.2.3威布爾統(tǒng)計(jì)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(quán)衡151
7.2.7 逐步增大柵極電壓的測試過程和測試結(jié)果152
7.2.8結(jié)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(shè)置和結(jié)溫測定159
7.6.2熱模擬結(jié)果163
7.6.3通過SiC MOSFET的電氣參數(shù)進(jìn)行主動(dòng)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(jié)果168
7.7重復(fù)性雙極工作測試171
7.8進(jìn)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(xiàn)176
進(jìn)一步閱讀180
第8章計(jì)算機(jī)輔助模擬181
8.1簡介181
8.1.1計(jì)算機(jī)輔助工程模擬181
8.1.2電力電子應(yīng)用中的CAE182
8.2功率半導(dǎo)體的熱模擬183
8.2.1熱堆183
8.2.2電力電子學(xué)中對流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)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(yīng)力188
8.4.2基于任務(wù)場景的分析方法之一188
8.4.3基于任務(wù)場景的分析方法之二190
8.4.4統(tǒng)計(jì)分析模型192
8.4.5電熱分析模型192
8.4.6熱機(jī)械模型193
8.4.7雨流計(jì)數(shù)方法197
8.4.8減少寄生電感200
8.5結(jié)論201
參考文獻(xiàn)201
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