碳化硅功率模塊設(shè)計(jì)：先進(jìn)性、魯棒性和可靠性

前言
第1章　SiC MOSFET功率器件及其應(yīng)用1
1.1　電力電子中的半導(dǎo)體器件1
1.1.1　基本性能1
1.1.2　熱學(xué)性能2
1.1.3　SiC與Si對(duì)比3
1.1.4　SiC MOSFET功率器件3
1.2　應(yīng)用中的先進(jìn)性4
1.2.1　效率4
1.2.2　功率密度5
1.3　應(yīng)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(yàn)證12
1.4.4　封裝技術(shù)12
1.5　結(jié)論13
參考文獻(xiàn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shì)與SiC定制化開(kāi)發(fā)25
參考文獻(xiàn)26
第3章　SiC功率模塊的設(shè)計(jì)及應(yīng)用28
3.1　SiC MOSFET的應(yīng)用潛力28
3.2　高速開(kāi)關(guān)振蕩和過(guò)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(jì)33
3.3　短路能力35
3.3.1　短路耐受和失效機(jī)理36
3.3.2　基于功率模塊內(nèi)部寄生電感的短路檢測(cè)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(duì)比43
3.5.1　發(fā)掘SiC競(jìng)爭(zhēng)力的分析方法43
3.5.2　案例分析：電氣化交通應(yīng)用45
3.5.3　開(kāi)發(fā)潛力47
參考文獻(xiàn)50
第4章　SiC MOSFET的溫度依賴(lài)模型54
4.1　晶體管模型54
4.2　被測(cè)器件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)56
4.3　參數(shù)提取過(guò)程57
4.4　界面陷阱的影響60
參考文獻(xiàn)61
第5章　功率模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)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(cè)器件的離散化64
5.1.2　被測(cè)器件的有限元模型66
5.1.3　基于FANTASTIC的熱反饋模塊推導(dǎo)68
5.1.4　構(gòu)建被測(cè)器件的宏電路72
5.2　靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電-熱仿真73
參考文獻(xiàn)75
第6章　功率模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)Ⅱ：參數(shù)分散性影響78
6.1　引言78
6.2　參數(shù)分散性對(duì)并聯(lián)器件導(dǎo)通和開(kāi)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(jì)學(xué)分析86
6.4　蒙特卡羅輔助功率模塊設(shè)計(jì)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(jì)指南92
6.5　結(jié)論94
參考文獻(xiàn)95
第7章　功率模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)Ⅲ：電磁特性99
7.1　功率模塊設(shè)計(jì)99
7.1.1　電氣尺寸的設(shè)計(jì)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(yīng)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(chǎng)的建模：電感和寄生參數(shù)建模106
7.3　結(jié)論115
參考文獻(xiàn)115
第8章　功率模塊壽命的評(píng)估方法118
8.1　鍵合線失效119
8.1.1　鍵合線跟部開(kāi)裂119
8.1.2　鍵合線脫落120
8.2　芯片焊料層開(kāi)裂127
8.2.1　不考慮裂紋擴(kuò)展的壽命評(píng)估方法127
8.2.2　考慮裂紋擴(kuò)展的壽命評(píng)估方法129
8.2.3　其他壽命評(píng)估方法133
8.2.4　厚度方向上芯片焊料層失效的壽命評(píng)估方法134
8.3　功率循環(huán)測(cè)試和熱循環(huán)測(cè)試135
8.4　研究現(xiàn)狀總結(jié)136
8.5　未來(lái)研究方向137
參考文獻(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)172
第10章　芯片焊料層的先進(jìn)評(píng)估技術(shù)179
10.1　引言179
10.1.1　先進(jìn)功率模塊對(duì)芯片連接材料特性的要求179
10.1.2　先進(jìn)功率模塊的熱阻評(píng)估183
10.2　SiC芯片與銀燒結(jié)連接層的熱可靠性測(cè)試184
10.3　薄膜材料的力學(xué)特性分析186
10.4　連接層的強(qiáng)度測(cè)量與薄膜的拉伸力學(xué)特性分析193
10.5　結(jié)論196
參考文獻(xiàn)197
第11章　功率模塊的退化監(jiān)測(cè)204
11.1　功率模塊的退化204
11.2　功率模塊退化的監(jiān)測(cè)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(cè)試結(jié)果216
11.4　結(jié)論218
參考文獻(xiàn)218
第12章　先進(jìn)熱管理方案222
12.1　動(dòng)態(tài)自適應(yīng)冷卻方法222
12.1.1　熱管理與可靠性222
12.1.2　動(dòng)態(tài)自適應(yīng)冷卻方法223
12.2　熱阻建模和狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)224
12.2.1　實(shí)驗(yàn)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(cè)229
12.3　冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)功率模塊退化的影響230
12.4　結(jié)論231
參考文獻(xiàn)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(jì)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(xiàn)246