[正版书籍]SiC功率器件的封装测试与系统集成

功率半导体器件

目录

第1章 绪论 1

1.1 功率器件的应用需求 1

1.2 功率器件的产业链 2

1.3 功率器件的发展历史 3

1.3.1 晶圆的发展 4

1.3.2 芯片的发展 6

1.3.3 封装的发展 8

1.3.4 应用的发展 10

1.4 SiC功率器件及其封装 14

1.4.1 SiC功率器件的性能概况 14

1.4.2 SiC器件封装的发展趋势 15

1.5 本章小结 16

参考文献 16

第2章 SiC器件的基本特性 19

2.1 SiC器件的基本结构 19

2.1.1 二极管 19

2.1.2 晶体管 20

2.2 SiC器件的静态特性 21

2.3 SiC器件的动态特性 24

2.4 SiC器件的参数分散性 28

2.5 SiC器件的寄生电参数 30

2.6 本章小结 31

参考文献 31

第3章 SiC器件的电学特性 33

3.1 SiC器件的驱动特性 33

3.1.1 驱动的隔离方式 33

3.1.2 驱动的性能要求 34

3.1.3 驱动的调节特性 36

3.1.4 驱动的特殊需求 42

3.2 SiC器件的串扰特性 44

3.2.1 串扰的产生机理 44

3.2.2 串扰的抑制方法 45

3.3 SiC器件的短路特性 46

3.3.1 短路的典型分类 46

3.3.2 短路的动态过程 47

3.3.3 短路的影响规律 48

3.3.4 短路的耐受极限 48

3.3.5 短路的保护方法 51

3.4 本章小结 53

参考文献 54

第4章 SiC器件的热学特性 56

4.1 热阻的定义 56

4.1.1 稳态热阻的定义 56

4.1.2 瞬态热阻的定义 57

4.2 热网络的模型 58

4.3 热阻的仿真结果 63

4.4 热阻的测量结果 64

4.5 本章小结 69

参考文献 69

第5章 SiC器件的扩容 71

5.1 SiC器件的并联 71

5.1.1 并联的必要性 71

5.1.2 并联的不均流现象 72

5.1.3 不平衡电流的产生机理 73

5.1.4 不平衡电流的抑制方法 78

5.2 SiC器件的混合并联 86

5.2.1 混合功率模块 86

5.2.2 混合开关 87

5.3 SiC器件的串联 88

5.4 SiC器件的级联 89

5.5 本章小结 91

参考文献 91

第6章 功率器件的封装结构和封装工艺 94

6.1 功率器件的封装结构 94

6.1.1 功率器件封装的发展历程 94

6.1.2 功率器件封装的典型结构 95

6.1.3 功率器件封装的材料属性 96

6.2 功率模块的封装工艺 97

6.2.1 材料清洗与芯片分组 97

6.2.2 DBC制作 98

6.2.3 焊接 99

6.2.4 引线键合 101

6.2.5 基板 103

6.2.6 外壳 104

6.2.7 填充剂 104

6.3 功率模块封装的技术现状 105

6.4 功率模块封装的改进技术 107

6.4.1 P-Cell和N-Cell技术 107

6.4.2 磁场相消技术 108

6.4.3 双端技术 109

6.4.4 宽母排技术 110

6.4.5 双面散热技术 110

6.4.6 3D封装技术 110

6.4.7 压接封装技术 111

6.5 本章小结 112

参考文献 112

第7章 功率模块封装的多物理场建模与有限元仿真 115

7.1 电磁场模型 115

7.1.1 累加法 115

7.1.2 相消法 116

7.1.3 方法对比 118

7.2 电-热-力多物理场模型 119

7.2.1 电-热模型 119

7.2.2 热-力模型 122

7.3 疲劳寿命模型 123

7.3.1 热失配效应 123

7.3.2 热失配导致的蠕变 124

7.3.3 焊料层的疲劳寿命模型 127

7.4 有限元仿真分析实例 127

7.4.1 基于ANSYS Q3D的电磁场仿真 127

7.4.2 基于COMSOL的电-热-力协同仿真 130

7.4.3 基于COMSOL的疲劳寿命仿真 136

7.5 本章小结 141

参考文献 142

第8章 功率模块封装的优化设计和失效分析 144

8.1 功率模块封装的多目标优化设计 144

8.1.1 电学性能模型 146

8.1.2 热学性能模型 148

8.1.3 力学性能模型 149

8.1.4 多目标优化模型和求解 154

8.1.5 封装材料对优化结果的影响 157

8.2 功率模块封装的实现和评估 159

8.2.1 半桥功率模块的封装布局 159

8.2.2 半桥功率模块的对比评估 160

8.3 功率模块封装的失效分析 163

8.3.1 瞬间过应力失效 163

8.3.2 长期老化失效 168

8.4 本章小结 169

参考文献 170

第9章 多芯片功率模块的并联均流 172

9.1 多芯片并联功率模块的不均流现象 172

9.2 DBC布局的等效电路模型 175

9.3 DBC布局的数学模型 178

9.4 并联电流分配的通用模型 182

9.4.1 电流分配的数学模型 182

9.4.2 电流分配的框图模型 183

9.4.3 电流分配的量化模型 184

9.5 实验结果与分析 185

9.5.1 实验平台 185

9.5.2 评估指标 186

9.5.3 实验结果 187

9.6 本章小结 194

参考文献 194

第10章 SiC器件的开关测量建模与分析 195

10.1 测量仪器的特点 195

10.1.1 测量通道的影响机理 196

10.1.2 测量仪器的性能统计 199

10.2 测量的精确性 202

10.2.1 示波器的分散性 203

10.2.2 开关损耗测量误差建模 206

10.2.3 开关损耗测量误差评估 214

10.3 测量的稳定性 217

10.3.1 器件和仪器的阻抗模型 219

10.3.2 器件和仪器的耦合模型 228

10.3.3 器件和仪器的交互规律 231

10.3.4 实验结果 234

10.4 本章小结 238

参考文献 239

第11章 SiC分立器件在直流固态变压器中的应用 241

11.1 直流固态变压器的技术需求 241

11.1.1 直流固态变压器的概况 241

11.1.2 直流固态变压器的工作原理 242

11.1.3 直流固态变压器的仿真结果和实验结果 244

11.2 分立器件的寿命模型 246

11.2.1 器件结构 246

11.2.2 应力分布 247

11.2.3 寿命模型 248

11.3 直流固态变压器的电-热协同设计 249

11.3.1 损耗计算模型 249

11.3.2 热网络模型 250

11.3.3 热阻仿真结果 253

11.3.4 电-热联合仿真结果 254

11.4 直流固态变压器的寿命评估 256

11.4.1 雨流计数 256

11.4.2 累积损伤 257

11.4.3 评估结果 258

11.5 本章小结 258

参考文献 259

第12章 SiC功率模块在车用电机控制器中的应用 261

12.1 车用电机控制器的技术需求 261

12.1.1 车用电机控制器的概况 261

12.1.2 车用电机控制器的现状 262

12.1.3 车用电机控制器的热管理 264

12.1.4 典型车用电机控制器剖析 266

12.2 功率模块的优化设计 267

12.2.1 功率模块的设计对象 267

12.2.2 功率模块的工作原理和损耗计算 268

12.2.3 功率模块的多物理场仿真与改进封装 271

12.3 母线电容的选择 274

12.3.1 电容的基本特性 274

12.3.2 电容的优化设计 276

12.4 散热器的设计 278

12.4.1 逆变器的热阻 278

12.4.2 散热器热阻的影响规律 280

12.4.3 逆变器的电-热仿真结果 281

12.5 样机与实验结果 282

12.6 本章小结 284

参考文献 284

SiC功率器件是电能变换的核心，是下一代电气装备的基础，在消费电子、智能电网、电气化交通、国防军工等领域，具有不可替代的作用。SiC功率器件的性能表征、封装测试和系统集成，具有重要的研究价值和应用前景。围绕SiC功率器件的基础研究和前沿应用，《SiC功率器件的封装测试与系统集成》系统介绍了SiC功率器件的研究现状与发展趋势，分析了器件的电-热性能表征方法，阐述了器件的并联、串联、级联等扩容技术，介绍了器件的封装结构与封装工艺，给出了器件的多物理场模型和仿真方法，提出了器件的封装设计方法，总结了器件的封装失效机理，揭示了器件的并联电流分配规律，提出了器件的精确稳定测试方法，针对固态变压器、新能源汽车等新兴应用，构建了SiC功率器件的系统集成方法。