碳化硅功率模塊設(shè)計：先進性、魯棒性和可靠性

前言
第1章　SiC MOSFET功率器件及其應用1
1.1　電力電子中的半導體器件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功率器件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　器件參數(shù)的分散性11
1.4.3　壽命驗證12
1.4.4　封裝技術(shù)12
1.5　結(jié)論13
參考文獻13
第2章　多芯片功率模塊的剖析17
2.1　封裝的功能17
2.1.1　電氣連接和功能實現(xiàn)18
2.1.2　電氣隔離和環(huán)境絕緣18
2.1.3　熱-力完整性和穩(wěn)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　材料與工藝19
2.3.1　芯片19
2.3.2　釬焊技術(shù)20
2.3.3　引線鍵合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(fā)展趨勢與SiC定制化開發(fā)25
參考文獻26
第3章　SiC功率模塊的設(shè)計及應用28
3.1　SiC MOSFET的應用潛力28
3.2　高速開關(guān)振蕩和過沖30
3.2.1　關(guān)斷振蕩的頻率32
3.2.2　低回路電感設(shè)計33
3.3　短路能力35
3.3.1　短路耐受和失效機理36
3.3.2　基于功率模塊內(nèi)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二極管方案39
3.4.2　Si IGBT與SiC SBD方案39
3.4.3　基于傳統(tǒng)焊接工藝的SiC MOSFET方案41
3.4.4　基于燒結(jié)連接工藝的SiC MOSFET方案41
3.5　SiC MOSFET與Si IGBT的量化對比43
3.5.1　發(fā)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(fā)潛力47
參考文獻50
第4章　SiC MOSFET的溫度依賴模型54
4.1　晶體管模型54
4.2　被測器件和實驗平臺56
4.3　參數(shù)提取過程57
4.4　界面陷阱的影響60
參考文獻61
第5章　功率模塊優(yōu)化設(shè)計I：電熱特性63
5.1　電-熱仿真方法63
5.1.1　SPICE子電路和被測器件的離散化64
5.1.2　被測器件的有限元模型66
5.1.3　基于FANTASTIC的熱反饋模塊推導68
5.1.4　構(gòu)建被測器件的宏電路72
5.2　靜態(tài)和動態(tài)電-熱仿真73
參考文獻75
第6章　功率模塊優(yōu)化設(shè)計Ⅱ：參數(shù)分散性影響78
6.1　引言78
6.2　參數(shù)分散性對并聯(lián)器件導通和開關(guān)性能的影響79
6.2.1　芯片參數(shù)分散性的影響81
6.2.2　功率模塊寄生參數(shù)分散性的影響85
6.3　SiC MOSFET參數(shù)分散性的統(tǒng)計學分析86
6.4　蒙特卡羅輔助功率模塊設(shè)計方法88
6.4.1　芯片參數(shù)分析89
6.4.2　功率模塊寄生參數(shù)分析91
6.4.3　高可靠功率模塊設(shè)計指南92
6.5　結(jié)論94
參考文獻95
第7章　功率模塊優(yōu)化設(shè)計Ⅲ：電磁特性99
7.1　功率模塊設(shè)計99
7.1.1　電氣尺寸的設(shè)計99
7.1.2　DBC襯底的尺寸100
7.2　功率模塊建模100
7.2.1　基于介電視角的建模：利用材料優(yōu)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　基于電磁場的建模：電感和寄生參數(shù)建模106
7.3　結(jié)論115
參考文獻115
第8章　功率模塊壽命的評估方法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　芯片焊料層開裂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　厚度方向上芯片焊料層失效的壽命評估方法134
8.3　功率循環(huán)測試和熱循環(huán)測試135
8.4　研究現(xiàn)狀總結(jié)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(jié)的耐高溫SiC功率模塊149
9.1　引言149
9.2　SiC半導體與功率模塊149
9.3　SiC功率模塊的芯片連接技術(shù)150
9.3.1　高溫焊料連接151
9.3.2　瞬態(tài)液相鍵合151
9.3.3　固態(tài)焊接技術(shù)152
9.3.4　銀燒結(jié)技術(shù)153
9.4　不同金屬表面的銀燒結(jié)155
9.4.1　鈦/銀金屬化層上的銀燒結(jié)連接155
9.4.2　鍍金表面的銀燒結(jié)連接159
9.4.3　直接銅表面的銀燒結(jié)連接166
9.4.4　鋁襯底上的銀燒結(jié)連接169
9.5　結(jié)論172
參考文獻172
第10章　芯片焊料層的先進評估技術(shù)179
10.1　引言179
10.1.1　先進功率模塊對芯片連接材料特性的要求179
10.1.2　先進功率模塊的熱阻評估183
10.2　SiC芯片與銀燒結(jié)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(jié)論196
參考文獻197
第11章　功率模塊的退化監(jiān)測204
11.1　功率模塊的退化204
11.2　功率模塊退化的監(jiān)測方法206
11.2.1　熱阻提取206
11.2.2　結(jié)構(gòu)函數(shù)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(jié)果216
11.4　結(jié)論218
參考文獻218
第12章　先進熱管理方案222
12.1　動態(tài)自適應冷卻方法222
12.1.1　熱管理與可靠性222
12.1.2　動態(tài)自適應冷卻方法223
12.2　熱阻建模和狀態(tài)觀測器設(shè)計224
12.2.1　實驗提取功率模塊熱阻225
12.2.2　熱阻的分析建模228
12.2.3　多變量反饋控制229
12.2.4　溫度觀測229
12.3　冷卻系統(tǒng)設(shè)計對功率模塊退化的影響230
12.4　結(jié)論231
參考文獻232
第13章　新興的封裝概念和技術(shù)233
13.1　高性能散熱器233
13.2　用于SiC功率模塊的高性能襯底236
13.2.1　石墨嵌入式絕緣金屬襯底236
13.2.2　襯底的設(shè)計和制作237
13.2.3　DBC和嵌入石墨襯底之間的分析和比較239
13.2.4　逆變器工況下的熱分析240
13.3　新興的散熱器優(yōu)化技術(shù)242
參考文獻246