新书上架《碳化硅功率模块设计——先进性、鲁棒性和可靠性》(日本)

EETOP 2025-01-19 11:02

来源:创芯大讲堂

◆图书简介◆

《碳化硅功率模块设计——先进性、鲁棒性和可靠性》详细介绍了多芯片SiC MOSFET功率模块设计所面临的物理挑战及相应的工程解决方案,主要内容包括多芯片功率模块、功率模块设计及应用、功率模块优化设计、功率模块寿命评估方法、耐高温功率模块、功率模块先进评估技术、功率模块退化监测技术、功率模块先进热管理方案、功率模块新兴的封装技术等。本书所有章节均旨在提供关于多芯片SiC MOSFET功率模块定制开发相关的系统性指导,兼具理论价值和实际应用价值。本书是半导体学术界和工业界研究人员和专家的宝贵参考资料。

扫描右上侧二维码读书

◆ 目录:◆

前言

第1章 SiC MOSFET功率器件及其应用1

1.1 电力电子中的半导体器件1

1.1.1 基本性能1

1.1.2 热学性能2

1.1.3 SiC与Si对比3

1.1.4 SiC MOSFET功率器件3

1.2 应用中的先进性4

1.2.1 效率4

1.2.2 功率密度5

1.3 应用中的鲁棒性7

1.3.1 短路能力8

1.3.2 雪崩能力9

1.4 主流研究方向11

1.4.1 轻载下的高频性能11

1.4.2 器件参数的分散性11

1.4.3 寿命验证12

1.4.4 封装技术12

1.5 结论13

参考文献13

第2章 多芯片功率模块的剖析17

2.1 封装的功能17

2.1.1 电气连接和功能实现18

2.1.2 电气隔离和环境绝缘18

2.1.3 热-力完整性和稳定性18

2.2 选择标准18

2.2.1 寄生电阻18

2.2.2 寄生电感19

2.2.3 寄生电容19

2.3 材料与工艺19

2.3.1 芯片19

2.3.2 钎焊技术20

2.3.3 引线键合21

2.3.4 衬底22

2.3.5 基板24

2.3.6 端子连接24

2.3.7 灌封25

2.4 发展趋势与SiC定制化开发25

参考文献26

第3章 SiC功率模块的设计及应用28

3.1 SiC MOSFET的应用潜力28

3.2 高速开关振荡和过冲30

3.2.1 关断振荡的频率32

3.2.2 低回路电感设计33

3.3 短路能力35

3.3.1 短路耐受和失效机理36

3.3.2 基于功率模块内部寄生电感的短路检测37

3.4 功率与成本的折中38

3.4.1 Si IGBT与Si PiN二极管方案39

3.4.2 Si IGBT与SiC SBD方案39

3.4.3 基于传统焊接工艺的SiC MOSFET方案41

3.4.4 基于烧结连接工艺的SiC MOSFET方案41

3.5 SiC MOSFET与Si IGBT的量化对比43

3.5.1 发掘SiC竞争力的分析方法43

3.5.2 案例分析:电气化交通应用45

3.5.3 开发潜力47

参考文献50

第4章 SiC MOSFET的温度依赖模型54

4.1 晶体管模型54

4.2 被测器件和实验平台56

4.3 参数提取过程57

4.4 界面陷阱的影响60

参考文献61

第5章 功率模块优化设计I:电热特性63

5.1 电-热仿真方法63

5.1.1 SPICE子电路和被测器件的离散化64

5.1.2 被测器件的有限元模型66

5.1.3 基于FANTASTIC的热反馈模块推导68

5.1.4 构建被测器件的宏电路72

5.2 静态和动态电-热仿真73

参考文献75

第6章 功率模块优化设计Ⅱ:参数分散性影响78

6.1 引言78

6.2 参数分散性对并联器件导通和开关性能的影响79

6.2.1 芯片参数分散性的影响81

6.2.2 功率模块寄生参数分散性的影响85

6.3 SiC MOSFET参数分散性的统计学分析86

6.4 蒙特卡罗辅助功率模块设计方法88

6.4.1 芯片参数分析89

6.4.2 功率模块寄生参数分析91

6.4.3 高可靠功率模块设计指南92

6.5 结论94

参考文献95

第7章 功率模块优化设计Ⅲ:电磁特性99

7.1 功率模块设计99

7.1.1 电气尺寸的设计99

7.1.2 DBC衬底的尺寸100

7.2 功率模块建模100

7.2.1 基于介电视角的建模:利用材料优化电应力100

7.2.2 阻性材料102

7.2.3 容性材料和阻性材料的比较103

7.2.4 基于电磁场的建模:电感和寄生参数建模106

7.3 结论115

参考文献115

第8章 功率模块寿命的评估方法118

8.1 键合线失效119

8.1.1 键合线跟部开裂119

8.1.2 键合线脱落120

8.2 芯片焊料层开裂127

8.2.1 不考虑裂纹扩展的寿命评估方法127

8.2.2 考虑裂纹扩展的寿命评估方法129

8.2.3 其他寿命评估方法133

8.2.4 厚度方向上芯片焊料层失效的寿命评估方法134

8.3 功率循环测试和热循环测试135

8.4 研究现状总结136

8.5 未来研究方向137

参考文献138

第9章 金属界面银烧结的耐高温SiC功率模块149

9.1 引言149

9.2 SiC半导体与功率模块149

9.3 SiC功率模块的芯片连接技术150

9.3.1 高温焊料连接151

9.3.2 瞬态液相键合151

9.3.3 固态焊接技术152

9.3.4 银烧结技术153

9.4 不同金属表面的银烧结155

9.4.1 钛/银金属化层上的银烧结连接155

9.4.2 镀金表面的银烧结连接159

9.4.3 直接铜表面的银烧结连接166

9.4.4 铝衬底上的银烧结连接169

9.5 结论172

参考文献172

第10章 芯片焊料层的先进评估技术179

10.1 引言179

10.1.1 先进功率模块对芯片连接材料特性的要求179

10.1.2 先进功率模块的热阻评估183

10.2 SiC芯片与银烧结连接层的热可靠性测试184

10.3 薄膜材料的力学特性分析186

10.4 连接层的强度测量与薄膜的拉伸力学特性分析193

10.5 结论196

参考文献197

第11章 功率模块的退化监测204

11.1 功率模块的退化204

11.2 功率模块退化的监测方法206

11.2.1 热阻提取206

11.2.2 结构函数208

11.3 典型案例:牵引逆变器211

11.3.1 加热方法211

11.3.2 提取冷却曲线214

11.3.3 测试结果216

11.4 结论218

参考文献218

第12章 先进热管理方案222

12.1 动态自适应冷却方法222

12.1.1 热管理与可靠性222

12.1.2 动态自适应冷却方法223

12.2 热阻建模和状态观测器设计224

12.2.1 实验提取功率模块热阻225

12.2.2 热阻的分析建模228

12.2.3 多变量反馈控制229

12.2.4 温度观测229

12.3 冷却系统设计对功率模块退化的影响230

12.4 结论231

参考文献232

第13章 新兴的封装概念和技术233

13.1 高性能散热器233

13.2 用于SiC功率模块的高性能衬底236

13.2.1 石墨嵌入式绝缘金属衬底236

13.2.2 衬底的设计和制作237

13.2.3 DBC和嵌入石墨衬底之间的分析和比较239

13.2.4 逆变器工况下的热分析240

13.3 新兴的散热器优化技术242

参考文献246

◆ 前言:◆

宽禁带半导体器件已经成为众多新兴应用领域的首选,这些领域对我们当前和未来的社会基础设施至关重要,典型案例包括:多电/全电交通、可再生能源和无线电能传输。在所有技术方案和晶体管类型中,碳化硅(Silicon Carbide,SiC)功率MOSFET无疑是最成熟的解决方案,并覆盖最广泛的应用需求,650V ~ 6.5kV电压等级的高性能器件已经得到很好的示范,多家供应商能够提供650V-1.7kV电压等级的商业化器件。

虽然已有大量专业文献详细讨论并证明了碳化硅材料在功率变换应用中的优异特性,但是多芯片并联SiC MOSFET模块的开发仍需要特别的关注。实际上,为了推广SiC技术,早期的做法是将其设计为硅(Silicon,Si)产品的直接替代,因此SiC模块主要采用主流的、标准化的模块封装。然而,由于SiC和Si材料的固有差异以及不同的技术成熟度,为了充分发挥SiC的优异特性和潜力,SiC功率模块迫切需要定制化的解决方案。具体来说,与Si功率模块相比,设计多芯片SiC MOSFET模块需要考虑以下电-热、电-磁和热-力方面的问题:

1)具有更高的热流密度和最大瞬态温度。

2)开关期间的dv/dt和di/dt是典型Si器件的10倍以上。

3)器件关键参数(如阈值电压、跨导和导通电阻)的分散性较大,且随时间/应用的退化程度更加明显。

4)随着工作温度的升高,在基于阿伦尼乌斯定律的技术验证测试中,可实现的加速因子显著降低。

5)具有一些完全不同的机械和结构特性。

6)制造成本更高。

为了满足预期的先进性、鲁棒性和可靠性要求,《碳化硅功率模块设计——先进性、鲁棒性和可靠性》全面回顾了多芯片SiC MOSFET功率模块设计所面临的物理挑战及相应的工程解决方案。就宽禁带半导体及其在功率变换中的应用而言,相关最新技术一直在快速的迭代发展。《碳化硅功率模块设计——先进性、鲁棒性和可靠性》所有章节均旨在提供关于多芯片SiC MOSFET功率模块定制开发相关的系统性指导,兼具理论价值和实际应用价值,供工程师和业内人士参考。《碳化硅功率模块设计——先进性、鲁棒性和可靠性》所提供的方法和工具的有效性都已被实践证明,这些方法和工具将会为SiC功率模块的发展奠定一定的基础。

对我们来说,“SiC之旅”始于10年前的日本京都,那里是最早研究采用SiC材料制造功率半导体的地方。《碳化硅功率模块设计——先进性、鲁棒性和可靠性》旨在见证他们不断取得的杰出成就,以及我们对这项技术,以及众多热情的科学家、研究人员、合作伙伴和朋友努力的赞誉。我们要感谢所有为本书做出贡献的同事,包括制作和出版的工作人员。我们希望学生和从业人员都会觉得本书有趣且有用。

Alberto Castellazzi  

日本京都  

Andrea Irace  

意大利那不勒斯

◆ 作者简介:◆

Alberto Castellazzi是日本京都先端科学大学的教授,他的研究集中在先进固态功率处理技术,包括宽禁带半导体器件的表征和应用。他在工业界和学术界拥有20年的电力电子研发经历,包括英国诺丁汉大学、德国西门子公司、瑞士苏黎世联邦理工学院和法国阿尔斯通公司。他是国际能源署旗下的电力电子变换技术部门(PECTA)的成员。

Andrea Irace是意大利那不勒斯费德里科二世大学的电子学教授,他的研究集中在宽禁带电力电子器件的建模和仿真。他之前在代尔夫特微电子和亚微米技术研究所工作过。他在国际刊物上发表了超过120篇论文。

◆ 译者简介:◆

曾正,重庆大学电气工程学院教授、博士生导师,研究领域为新型电力电子器件封装集成及应用,新能源并网变流器运行控制与可靠性。主持1*3计划技术领域基金1项、国家自然科学基金2项、国家重点研发计划子课题2项、省部级项目3项、横向及其他项目10项;出版学术专著2部,在IEEE汇刊、中国电机工程学报发表论文40余篇,授权发明专利14项(已转让3项)。

扫描右上侧二维码读书

EETOP EETOP半导体社区-国内知名的半导体行业媒体、半导体论坛、IC论坛、集成电路论坛、电子工程师博客、工程师BBS。
评论
  • 《哪吒2》票房破百亿背后的科技密码:解码中国动画产业的技术跃迁与制造底气2024年夏季,国产动画电影《哪吒2》以雷霆之势席卷全球院线,不仅成为中国影史第二部票房突破百亿的现象级作品,更以多项技术突破刷新行业纪录。这些成就背后,不仅是中国动画工业的崛起,更是中国科技创新与高端制造业协同突破的缩影。作为深耕PCB行业多年的捷多邦小编,今天带您从技术视角,解读这场银幕奇迹背后的制造密码。一、从“数字造神”到“算力革命”:动画技术背后的硬核突破《哪吒2》的视觉革命始于AI工业化管道的深度应用。影片中大量
    捷多邦 2025-02-15 17:57 428浏览
  • 2025,新一轮汽车行业“战争”开始,但这一次不是过往的“价格战”,而是新一轮的“智驾战”。近期,比亚迪董事长兼总裁王传福在比亚迪智能化战略发布会上表示:“比亚迪将全系搭载“天神之眼”高阶智驾系统,其中首批21款车型将陆续上市,包括秦家族、元家族、宋家族、海豹家族等。”具体来看,20万元以上、15万元至20万元、10万元至15万元级别的车型将全系标配“天神之眼”。10万元以下的车型多数将搭载“天神之眼”,包括海鸥、海豹05DM-i和第二代秦PLUS DM-i。智驾不是什么新鲜技术,但是在比亚迪之
    刘旷 2025-02-18 10:19 22浏览
  • 电磁铁通电时会产生磁场,磁力随电流增强而增强,表现出吸引铁磁性物质的特性。电磁铁是一种能够产生磁场的装置,其特性在于可以通过通电来控制磁场的产生和消失。那么,当电磁铁通电时,它具体会表现出哪些特性和现象呢?一、产生磁场通电是电磁铁产生磁场的关键。当电流通过电磁铁的线圈时,线圈周围就会产生磁场。这个磁场与电流的大小和方向密切相关,电流越大,产生的磁场也越强。同时,磁场的方向可以通过改变电流的方向来改变,这是电磁铁灵活性的重要体现。二、磁力变化随着电流的增强,电磁铁产生的磁力也会相应增强。这种磁力的
    锦正茂科技 2025-02-15 09:59 108浏览
  •  电磁铁的磁芯材质:软铁还是硬铁电磁铁的磁芯通常采用软铁材质,因其具有高磁导率和低矫顽力,使得电磁铁能够在通电时迅速产生强磁场,断电后磁场又能迅速消失。一、电磁铁与磁芯材质电磁铁是一种利用电流产生磁场的装置。其核心部件——磁芯,对电磁铁的性能有着至关重要的影响。在选择磁芯材质时,需要考虑多种因素,如磁导率、矫顽力、饱和磁化强度等。这些因素直接关系到电磁铁的工作效率、响应速度和能耗等方面。二、软铁与硬铁的特性软铁和硬铁是两种常见的磁性材料。软铁具有高磁导率和低矫顽力的特点,这意味着它容易
    锦正茂科技 2025-02-18 10:32 20浏览
  • 导读:2025年1月6日,在 ChatGPT 诞生两周年之际,OpenAI 的核心人物 Sam Altman 回顾了一段波澜壮阔且充满挑战的历程。九年前,怀揣着对通用人工智能(AGI)的坚定信念,OpenAI 踏上征程。彼时,质疑声不绝于耳,多数人认为这毫无成功的可能。但他们未曾动摇,毅然投身这一充满未知的领域。直至 2022 年 ChatGPT 的推出,如同在科技领域投入巨石,引发轩然大波,开启了前所未有的发展态势。然而,荣耀背后是难以想象的艰难。围绕新技术构建公司,犹如在黑暗中摸索前行,每一
    用户1739588245528 2025-02-15 11:03 145浏览
  •  探针台是半导体测试领域的重要设备,用于支撑和固定待测芯片,以便进行jing确的电气测试。在使用过程中,探针台可能会出现位置偏移,这时就需要进行复位操作。下面,我们将详细介绍探针台复位的zui简单三个步骤。  一、确定复位基准点复位操作的di一步是确定复位基准点。通常,探针台会配备有明确的复位标记或感应点。用户需要仔细查找并确认这些标记,确保复位操作的准确性。找到基准点后,将探针台移动到该位置附近,准备进行下一步操作。二、执行复位动作在确认基准点后,接下来需要执行复
    锦正茂科技 2025-02-15 09:36 93浏览
  •         电磁铁作为一种能够利用电流产生磁性的装置,在现代社会的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。其应用范围广泛,不仅局限于工业制造领域,还深入到交通运输、医疗健康以及我们的日常生活之中。一、电磁铁在工业制造中的应用       在工业制造领域,电磁铁的应用可谓是举足轻重。它们被广泛应用于各种机械设备和生产线中,起着自动化控制、物料搬运等关键作用。例如,在重型机械中,电磁铁用于吸附和移动大型金属构件
    锦正茂科技 2025-02-18 10:05 20浏览
  • 概述        TC10 为OPEN Alliance 中的一个技术委员会小组,专注于研究基于车载以太网的休眠唤醒机制,旨在为汽车应用场景提供灵活的休眠唤醒解决方案。该小组提出的休眠唤醒规范(《TC10 Sleep/Wake-up Specification》,以下简称TC10规范)作为对IEEE 802.3系列规范的补充,详细定义了以太网PHY的休眠唤醒过程、新增服务原语和接口、时间参数、指令描述等内容。目前,TC10已经发布了适配10Ba
    经纬恒润 2025-02-18 14:30 29浏览
  • 清晨,闹钟准时响起,窗帘自动拉开,床灯随之亮起,音箱中则自动传出每日的早间新闻,从而唤醒熟睡中的你,而这只是智能家居中的冰山一角。作为人类群体追求更高生活品质的居住空间,智能家居正飞速普及至我们的日常生活之中,极大地提升了生活的便利性与舒适度。然而,随着单品智能向全屋智能的快速发展,不同智能家居设备的工作电压与通信频率等运行参数存在差异,它们共同运行在一个智能家居系统之中,其所产生的电气噪声与电磁干扰会互相影响,并形成潜在的安全隐患。例如,电气噪声可能导致线路过热,增加电气火灾的发生风险;电磁干
    华普微HOPERF 2025-02-18 10:48 22浏览
  •                           春天来了,我们中国的传统节日--春节到了,随着国家富强,人们民族文化自信心的增强,这个中国年过的还挺热闹,挺红火。一段山村过新年的快乐时光,即兴而发赋了两首新诗。《渔家乐·山村新春》白发垂髫同喜乐,新春佳节意情奢。烟花璀璨腾空起,山村美景醉心涯。晓雾轻笼林野静,晚云淡抹岫峰斜。自然恩赐千般好,福满人间岁月嘉
    广州铁金刚 2025-02-17 15:59 97浏览
  • 在设备间通信日益增长的需求中,对于十几米甚至更长距离的高速外设数据传输变得尤为重要。RS-232C接口,凭借其仅需简单的接收、发送及地线配置,以及成本效益高的双绞线连接,凭借其卓越性能,成为了连接通信接口芯片的关键纽带。为了在这种长距离高速通信场景下实现线路的可靠隔离,并有效抵御外部噪声对通信信号的干扰,虽然上一期介绍的晶体管类型输出系列光耦能够满足100kbps速率的隔离传输需求,但面对更高的速率稳定性和性能要求,业界更倾向于采用速率可达300Kbps的KL6N138和KL6N139达林顿高速
    晶台光耦 2025-02-14 13:40 59浏览
  • 随着国内市场的逐渐稳固,华为将目光投向了广阔的海外市场,开启了一段充满挑战与机遇的国际化征程。然而,华为在拓展海外市场时,遭遇了重重困难。文化差异带来的挑战不同国家和地区有着不同的文化背景、商业习惯和价值观,这使得华为在与当地客户、合作伙伴沟通和合作时面临诸多障碍。在欧洲,一些客户对产品的认证标准和售后服务有着非常严格的要求,并且注重商务活动中的礼仪和沟通方式。在机上欧洲通信市场竞争激烈,爱立信、诺基亚等本土企业在技术、品牌和市场份额上具有优势。而且欧洲各国的通信标准和监管政策不同,华为需要满足
    韭菜财经 2025-02-18 14:11 42浏览
  • 近日,紫光展锐蜂窝物联网芯片V8850荣获国密一级认证,标志着展锐V8850在安全能力方面获得权威认可,位居行业领先水平。这是紫光展锐继短距物联网芯片V5663在2020获得ARM PSA Level 2认证,蜂窝物联网芯片V8811在2021年获得ARM PSA Level 1 认证后,第三次荣获安全行业权威认证。荣获国密一级安全认证,意味着紫光展锐V8850能支持智能支付、共享经济、定位追踪、安防监控、智能表计、工业DTU、公网对讲,以及车载通信终端设备上的国密升级改造,可为移动支付、短信
    紫光展锐 2025-02-14 19:26 75浏览
  • 文心一言免费对于创业来说是一个很大的机遇,加油!虽然是一个很大的挑战,但是好处还是很大的。文心一言的免费开放为创业者提供了一个低成本甚至零成本使用先进人工智能技术的机会。在以往,创业者若想在项目中融入AI技术,往往需要支付高昂的研发或授权费用。而现在,他们可以直接利用文心一言的强大功能,如语言理解、生成能力、深度搜索等,来构建自己的产品或服务,从而显著降低创业成本。文心一言的全面免费开放为创业者提供了广阔的创新空间。创业者可以基于文心一言开发出各种创新的应用和服务,满足市场的多样化需求。例如,利
    curton 2025-02-14 13:37 306浏览
  • 嘿,大家好!在高压电子世界里摸爬滚打的朋友们,你们有没有遇到过这样的难题?那就是,如何选择适合高压环境的光颉精密电阻? 这可不是一个简单的问题,毕竟在高压环境下,电阻不仅要顶得住电压的“压力”,还得保证精度和稳定性,这要求可真不低。想想看,如果选错了电阻,就像给跑车装了个自行车轮,那能行吗?肯定不行!轻则电路性能大打折扣,重则电阻直接“罢工”,甚至引发更严重的后果。所以说,在高压应用中,选择一款靠谱的光颉精密电阻,那可是至关重要的。别担心,今天咱们就来好好聊聊,如何选择适合高压环境的光
    贞光科技 2025-02-18 17:28 27浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦