碳化矽功率模組設計 先進性 穩健性 穩健性及可靠性

前言
第1章　SiC MOSFET功率元件及其應用1
1.1　電力電子中的半導體裝置1
1.1.1　基本性能1
1.1.2　熱學性能2
1.1.3　SiC與Si對比3
1.1.4　SiC MOSFET功率元件3
1.2　應用中的先進性4
1.2.1　效率4
1.2.2　功率密度5
1.3　應用中的魯棒性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　輕載下的高頻性能11
1.4.2　裝置參數的分散性11
1.4.3　壽命驗證12
1.4.4　封裝技術12
1.5　結論13
參考文獻13
第2章　多晶片功率模組的剖析17
2.1　封裝的功能17
2.1.1　電氣連接與功能實現18
2.1.2　電氣隔離與環境絕緣18
2.1.3　熱-力完整性與穩定性18
2.2　選擇標準18
2.2.1　寄生電阻18
2.2.2　寄生電感19
2.2.3　寄生電容19
2.3　材料與製程19
2.3.1　晶片19
2.3.2　釬焊技術20
2.3.3　引線鍵結21
2.3.4　襯底22
2.3.5　基板24
2.3.6　端子連接24
2.3.7　灌封25
2.4　發展趨勢與SiC客製化開發25
參考文獻26
第3章　SiC功率模組的設計與應用28
3.1　SiC MOSFET的應用潛力28
3.2　高速開關振盪與過衝30
3.2.1　關斷振蕩的頻率32
3.2.2　低迴路電感設計33
3.3　短路能力35
3.3.1　短路耐受與失效機制36
3.3.2　基於功率模組內部寄生電感的短路檢測37
3.4　功率與成本的折中38
3.4.1　Si IGBT與Si PiN二極體方案39
3.4.2　Si IGBT與SiC SBD方案39
3.4.3　基於傳統焊接製程的SiC MOSFET方案41
3.4.4　基於燒結連接製程的SiC MOSFET方案41
3.5　SiC MOSFET與Si IGBT的量化對比43
3.5.1　發掘SiC競爭力的分析方法43
3.5.2　案例分析：電氣化交通應用45
3.5.3　開發潛力47
參考文獻50
第4章　SiC MOSFET的溫度依賴模型54
4.1　電晶體模型54
4.2　被測器件和實驗平台56
4.3　參數擷取過程57
4.4　界面陷阱的影響60
參考文獻61
第5章　功率模組最佳化設計I：電熱特性63
5.1　電-熱模擬方法63
5.1.1　SPICE子電路與被測元件的離散化64
5.1.2　被測器件的有限元素模型66
5.1.3　基於FANTASTIC的熱回饋模組推導68
5.1.4　建構被測器件的宏電路72
5.2　靜態與動態電-熱模擬73
參考文獻75
第6章　功率模組最佳化設計Ⅱ：參數分散性影響78
6.1　引言78
6.2　參數分散性對並聯元件導通與開關性能的影響79
6.2.1　晶片參數分散性的影響81
6.2.2　功率模組寄生參數分散性的影響85
6.3　SiC MOSFET參數分散性的統計分析86
6.4　蒙特卡羅輔助功率模組設計方法88
6.4.1　晶片參數分析89
6.4.2　功率模組寄生參數分析91
6.4.3　高可靠功率模組設計指南92
6.5　結論94
參考文獻95
第7章　功率模組最佳化設計Ⅲ：電磁特性99
7.1　功率模組設計99
7.1.1　電氣尺寸的設計99
7.1.2　DBC襯底的尺寸100
7.2　功率模組建模100
7.2.1　基於介電視角的建模：利用材料優化電應力100
7.2.2　阻性材料102
7.2.3　容性材料和阻性材料的比較103
7.2.4　基於電磁場的建模：電感與寄生參數建模106
7.3　結論115
參考文獻115
第8章　功率模組壽命的評估方法118
8.1　鍵合線失效119
8.1.1　鍵合線跟部開裂119
8.1.2　鍵合線脫落120
8.2　晶片焊料層開裂127
8.2.1　不考慮裂紋擴展的壽命評估方法127
8.2.2　考慮裂紋擴展的壽命評估方法129
8.2.3　其他壽命評估方法133
8.2.4　厚度方向上晶片焊料層失效的壽命評估方法134
8.3　功率循環測試和熱循環測試135
8.4　研究現況總結136
8.5　未來研究方向137
參考文獻138
第9章　金屬界面銀燒結的耐高溫SiC功率模組149
9.1　引言149
9.2　SiC半導體與功率模組149
9.3　SiC功率模組的晶片連接技術150
9.3.1　高溫焊料連接151
9.3.2　瞬態液相鍵結151
9.3.3　固態焊接技術152
9.3.4　銀燒結技術153
9.4　不同金屬表面的銀燒結155
9.4.1　鈦/銀金屬化層上的銀燒結連接155
9.4.2　鍍金表面的銀燒結連接159
9.4.3　直接銅表面的銀燒結連接166
9.4.4　鋁基板上的銀燒結連接169
9.5　結論172
參考文獻172
第10章　晶片​​焊料層的先進評估技術179
10.1　引言179
10.1.1　先進功率模組對晶片連接材料特性的要求179
10.1.2　先進功率模組的熱阻評估183
10.2　SiC晶片與銀燒結連接層的熱可靠性測試184
10.3　薄膜材料的力學特性分析186
10.4　連接層的強度測量與薄膜的拉伸力學特性分析193
10.5　結論196
參考文獻197
第11章　功率模組的退化監測204
11.1　功率模組的退化204
11.2　功率模組退化的監測方法206
11.2.1　熱阻提取206
11.2.2　結構函數208
11.3　典型案例：牽引逆變器211
11.3.1　加熱方法211
11.3.2　提取冷卻曲線214
11.3.3　測試結果216
11.4　結論218
參考文獻218
第12章　先進熱管理方案222
12.1　動態自適應冷卻方法222
12.1.1　熱管理與可靠性222
12.1.2　動態自適應冷卻方法223
12.2　熱阻建模與狀態觀測器設計224
12.2.1　實驗擷取功率模組熱阻225
12.2.2　熱阻的分析建模228
12.2.3　多變量回饋控制229
12.2.4　溫度觀測229
12.3　冷卻系統設計對功率模組退化的影響230
12.4　結論231
參考文獻232
第13章　新興的封裝概念與技術233
13.1　高性能散熱器233
13.2　用於SiC功率模組的高性能襯底236
13.2.1　石墨嵌入式絕緣金屬基板236
13.2.2　襯底的設計與製作237
13.2.3　DBC和嵌入石墨基板之間的分析與比較239
13.2.4　逆變器工況下的熱分析240
13.3　新興的散熱器優化技術242
參考文獻246