碳化硅功率模块设计——先进性、鲁棒性和可靠性

《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。

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。

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