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）

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。

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◆ 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）。