最新刊期
      2023 年 第 5 期

        综述

      • 盛况,唐苇羽,吴赞
        2023(5): 1-9. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.001
        摘要：碳化硅功率器件具有耐高压、开关速度快和导通损耗低等优点，因此正在逐渐成为电力变换系统的核心器件，尤其在新能源汽车、可再生能源、储能、数据中心、轨道交通和智能电网等领域，器件的应用越来越广泛。然而，碳化硅器件持续的小型化和快速增长的功率密度也给功率模块封装与热管理带来了新的挑战。传统封装结构和散热装置热阻较大，难以满足碳化硅器件高热流密度冷却需求，同时，高功率密度模块散热集成封装需求也日益增长。针对上述挑战，文章对国内外现有的典型功率模块封装结构进行了详细介绍和分类对比；枚举比较了不同功率模块散热方式及其技术特点，如热扩散装置、对流换热和相变散热等；最后，结合以往的碳化硅功率模块热封装研究，对下一代碳化硅模块封装与热管理技术面临的挑战和未来的发展趋势进行了展望。  
        关键词：碳化硅;功率模块;封装;热管理技术   
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        发布时间：2023-10-12
      • 罗海辉,李诚瞻,姚尧,杨松霖
        2023(5): 10-25. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.002
        摘要：第三代宽禁带半导体碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）具备耐高压、耐高温和低损耗等优点，迅速成为行业的研究热点。文章结合SiC功率MOSFET器件发展历史，探讨了从平面栅技术发展到沟槽栅技术的必要性，介绍了SiC沟槽栅MOSFET结构设计、沟槽刻蚀工艺和沟槽栅氧工艺等核心问题的研究进展与技术挑战，并对未来新型SiC沟槽栅MOSFET技术进行了展望。  
        关键词：碳化硅;沟槽栅MOSFET;沟槽工艺;沟槽栅氧;沟槽结构;新型沟槽   
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        发布时间：2023-10-12
      • 罗卓然,何亮,张津玮,刘扬
        2023(5): 26-35. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.003
        摘要：能源生产清洁化和能源消费电气化是我国“双碳”政策的必经之路，功率半导体技术在这2个过程中发挥着重要作用。以氮化镓（GaN）为代表的三族氮化物功率半导体基于其优异的材料物理特性，未来应用前景广阔。历经二十余年产业链上下游技术发展，目前GaN功率半导体的关键共性技术，诸如大尺寸Si衬底上高耐压GaN材料外延、稳定常关型器件的制备以及与CMOS兼容的GaN工艺制备等，已逐步得到解决，产品在消费类电子领域实现了量产应用，但是GaN功率器件仍然面临着“用不起”“用不好”“不敢用”的问题，这限制了其应用领域的拓展。未来GaN功率半导体器件将向着更高功率密度与更高可靠性方向发展，伴随着大功率发展趋势，常开型器件与常关型器件2条技术路线相互竞争，并向着高频化趋势下的功率集成技术、低成本大功率纵向器件技术等方向进一步发展，在车载等更多更高端领域实现规模化应用。文章主要介绍了三族氮化物功率半导体技术发展现状和Si衬底GaN基功率器件的关键共性技术，以及分析目前GaN功率器件的应用瓶颈与未来的发展趋势。  
        关键词：双碳;三族氮化物;GaN;功率半导体   
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        发布时间：2023-10-12
      • 张金平,张琨,陈伟,汪婕,张波
        2023(5): 36-45. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.004
        摘要：碳化硅（SiC）材料由于其出色的物理和化学特性，非常适用于制造高温和大功率半导体器件。虽然SiC功率二极管和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）展示了出色的器件性能，并获得广泛的应用，但是其单极型器件的一维理论极限仍限制了传统器件性能的进一步提升。超结（SJ）作为一种在硅基器件中广泛应用的技术，能明显改善器件击穿电压和比导通电阻之间的折中关系，提升器件的性能。近年来，SiC SJ器件逐渐成为研究的热点，并取得显著进展。文章从SiC SJ器件的设计与仿真模拟、模型研究和SJ工艺制备技术等方面论述了其最新研究现状及发展方向。  
        关键词：碳化硅;超结;二极管;金属-氧化物-半导体场效应晶体管;研究进展   
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        发布时间：2023-10-12

        芯片技术

      • 张园览,张清纯
        2023(5): 46-62. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.005
        摘要：新能源汽车与光伏作为SiC器件发展的重要推手，促进国内碳化硅产业链日趋完善，设计和制造进展快速，部分制造商器件特性已达到或接近国际领先水平。然而，由于SiC器件价格偏高，器件成本成为限制SiC器件进一步渗透市场的最主要因素。SiC芯片微型化能够显著降低芯片成本，已成为进一步加快SiC技术在新能源领域的大规模应用的有效途径之一。文章对近年来SiC芯片微型化的发展进行了梳理总结，对芯片微型化的必要性进行了分析，并提出了SiC芯片微型化的解决办法，阐述了国际SiC芯片微型化进展，对国内SiC技术近阶段的快速发展进行了阶段性总结，并揭示了芯片微型化将面临的各种挑战。最后，对国内SiC器件发展的机遇和未来进行了展望，为进一步研发提供思路和参考。  
        关键词：碳化硅;宽禁带半导体;功率器件;微型化;金属-氧化物-半导体场效应晶体管   
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        发布时间：2023-10-12
      • 邱乐山,吴治慷,陈燕,李诚瞻,白云
        2023(5): 63-70. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.006
        摘要：文章针对总剂量效应造成的MOSFET阈值漂移问题，使用1 200 V SiC MOSFET进行辐照试验，对栅极偏压和辐照后高温栅极偏置退火对阈值漂移的影响和原理进行了研究。通过中带电压法分析发现，造成阈值电压负向漂移的主要原因是辐照产生的空穴被近界面陷阱俘获。通过对不同栅极氧化层退火条件制备的SiC MOSFET试验和分析，得出了当使用氮化气体退火进行总剂量效应加固时，需要折中考虑对沟道迁移率的影响；在5%氮化气体体积分数、1 300 ℃下退火60 min的条件下制备出来的SiC MOSFET沟道迁移率较高，并且抗总剂量效应能力较强。  
        关键词：4H-SiC MOSFET;总剂量效应;阈值漂移;栅极偏置;退火   
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      • 曹强,陈芳林,陈勇民,刘雅岚,孙永伟
        2023(5): 71-77. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.007
        摘要：IGCT作为一种高功率等级的全控型压接器件，随着器件直径扩大及应用串压级数增加，紧固力的设计至关重要。文章以6英寸6 000 A/4 500 V逆阻型IGCT器件为例，分析紧固力不均造成的器件性能影响，并优化IGCT阴极梳条局部跨距和采用边缘门极结构设计。试验结果表明，优化设计的器件在额定紧固力范围内不再出现门阴极性能异常，且紧固力适应性提升20%以上。  
        关键词：IGCT;紧固力;阴极梳条;中间门极;边缘门极   
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        发布时间：2023-10-12

        封装技术

      • 王彦刚,罗海辉,肖强
        2023(5): 78-91. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.008
        摘要：大功率半导体模块的发展进化是电力电子系统升级和产业发展的最关键因素。文章根据功率模块的主要应用领域分类，综述了其产品和封装技术的最新进展，分析了新型模块产品的结构和技术特点；然后提出了当前模块封装面临的技术、成本以及新型应用系统要求等方面的挑战，讨论了向高频、高温、高可靠性、模块化等方向发展的挑战；最后对大功率半导体模块的互连及连接技术、集成化和灌封材料、紧凑封装结构的中长期趋势进行了探讨和展望。  
        关键词：大功率半导体模块;绝缘栅双极晶体管;宽禁带器件;新型封装;先进技术   
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      • 华文博,邓二平,刘鹏,牛皓,杨少华,丁立健
        2023(5): 92-100. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.009
        摘要：功率循环测试是考核功率半导体器件封装可靠性最重要的可靠性测试。键合线失效约占功率循环失效模式的70%。TO（Transistor Outline，晶体管外形）器件采用环氧树脂进行封装，在相同的条件下，因为高弹性模量被证明比硅胶具有高约3倍的功率循环寿命，后被广泛应用到电动汽车的双面散热半桥功率模块，但环氧树脂在高温情况下性能并不稳定，进而影响键合线寿命。为充分了解环氧树脂对功率器件键合线寿命的影响规律，文章首先通过功率循环测试分析了两种不同玻璃化转化温度(Glass transition temperature, Tg) 的环氧树脂功率器件在同一条件下的寿命，发现更高的Tg可以有效抑制键合线的抬起并提高其寿命；然后针对试验用的1 200 V、25 A的TO器件，基于COMSOL仿真软件建立电-热-应力多物理场耦合有限元模型，探究环氧树脂在达到玻璃转化温度Tg前后不同的热膨胀系数以及环氧树脂不同的厚度参数对键合线应力应变的影响，并结合疲劳模型预测键合线寿命；最后通过线性回归拟合对仿真参变量进行定量分析，为功率器件环氧树脂塑封材料的设计优化和可靠性提升提供参考。  
        关键词：功率循环;键合线;环氧树脂;玻璃化转化温度;COMSOL   
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        发布时间：2023-10-12
      • 廖林杰,范益,梅晓洋,汪炼成
        2023(5): 101-106. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.010
        摘要：传统的功率半导体器件封装结构通常会采用铝（Al）线键合，这就导致了器件电路寄生电感大和可靠性问题，限制了碳化硅（SiC）功率器件的发展。有研究人员提出了一种新型的铜夹互连工艺，可实现双面散热和提高器件的功率密度，但目前的研究主要集中在其热性能和可靠性方面，缺少对结构设计的优化研究。因此，有必要对多芯片铜夹互连的结构优化设计开展进一步研究。文章针对铜夹功率器件重要的结构参数对芯片应力集中的影响进行了仿真研究。结果表明，铜夹厚度对芯片应力集中影响最大，而铜夹跨度影响最小。对比采用焊料层应力最小的结构参数建立铜夹器件模型与对应的引线模块，可发现在功率循环下，铜夹器件的铜夹和焊料层的疲劳寿命相比于引线模块提升了10倍以上，并且卸荷槽对提升铜夹器件疲劳寿命有显著影响。  
        关键词：铜夹;应力集中;SiC;有限元仿真;功率循环   
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        发布时间：2023-10-12
      • 黄世东,王顾峰,沈轶聪,常桂钦,刘成臣
        2023(5): 107-112. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.011
        摘要：功率半导体器件的快速发展，特别是SiC功率模块的广泛应用对模块中的陶瓷覆铜衬板提出了更高要求，模块封装中陶瓷覆铜衬板的翘曲将影响其可靠性。文章研究了陶瓷覆铜衬板的应力状态以及应力与衬板翘曲的关系，并提供了包括延长冷却时间、降低峰值温度、调整铜体积比在内的减小翘曲度的改善方案，使衬板与SiC模块匹配性得到提升，从而提升了模块可靠性。  
        关键词：SiC模块;陶瓷覆铜衬板;应力;翘曲度;可靠性   
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      • 胡雅丽,何凯,葛兴来
        2023(5): 113-118. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.012
        摘要：新兴的无基板模块广泛应用于新能源领域，其对热界面材料的涂敷要求较高，但相关的研究目前较少。文章针对热界面材料（Thermal Interface Material，TIM）层空洞率不同时，对有、无基板IGBT模块上的芯片结温变化规律进行了仿真研究。通过建立精确数值模型进行稳态热仿真试验，根据试验结果定量分析有、无基板模块上的芯片结温受TIM空洞影响程度。结果表明，相比无基板模块，有基板模块上的芯片结温低，试验芯片分别低8.578 K和9.544 K左右；在TIM层空洞率上升时，对于结温升高速率，无基板模块比有基板模块大，无基板模块的大芯片和小芯片的升温速率分别约为对应的有基板模块大、小芯片的32.190倍和240.875倍；大芯片结温上升速率均比小芯片低，对于有、无基板的模块而言，前者分别约为后者的23倍和3倍。无基板模块对TIM层状态更敏感，要求更高。  
        关键词：无基板功率器件;有限元;稳态热仿真;热界面材料;空洞率;结温   
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        发布时间：2023-10-12

        可靠性技术

      • 邓二平,杨颖,王延浩,常桂钦,黄永章,丁立健
        2023(5): 119-129. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.013
        摘要：采用结构函数法是获得功率器件Cauer热网络模型的重要手段，然而在其反卷积步骤中，不同的计算方法对结果存在较大影响，影响了热网络模型的准确性。各算法的根本机理、不同算法对噪声的放大效果以及算法的合理选取方法等十分重要，且目前亟待解决。文章通过研究结构函数法中反卷积这一核心环节，对3种反卷积计算方法从算法输入、算法核心、误差分析这3个方面进行理论分析，从迭代次数、计算时间、采样频率、算法准确性、算法选择、实际应用这6个方面进行数据分析。针对3种方法计算特点分别总结了其适合的数据特点，为不同类型输入数据选择合适热网络模型的快速计算方法提供了参考和指导。  
        关键词：功率器件;结构函数法;热网络模型;反卷积;贝叶斯算法;傅里叶算法   
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      • 刘鹏,邓二平,周望君,陈杰,黄永章
        2023(5): 130-138. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.014
        摘要：焊料空洞作为焊接层缺陷，对IGBT模块功率循环寿命影响尚且未知，研究焊料寿命影响因素对于提高IGBT模块可靠性具有重要意义。考虑到IGBT模块制造过程中出现的工艺空洞具有随机大小和随机未知的特征，文章针对不同空洞率的双面散热IGBT模块开展同一试验条件下的功率循环试验。试验结果发现，空洞率越高，待测器件的功率循环寿命越短。为了揭示其影响原理，文章建立了具有不同空洞率的IGBT模块三维有限元模型，并且构建的空洞具有与实际工艺造成的空洞相符合的随机大小和随机位置的特征。通过有限元仿真发现，空洞率越高，焊料层和芯片的最高温度越高，引起的黏塑性应变越大，因此其功率循环寿命越短。基于功率循环试验和疲劳仿真结果，IGBT模块焊接层空洞率极限推荐值为3%，该研究成果可为IGBT模块焊料空洞筛选步骤提供参考。  
        关键词：功率循环寿命;焊料空洞;空洞率;有限元仿真;随机大小;随机位置   
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        发布时间：2023-10-12

        检测测试技术

      • 余伟,郑宇,袁涛,任亚东
        2023(5): 139-144. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.015
        摘要：在IGBT关断过程中，当芯片内部产生巨大的电场时会发生动态雪崩现象。文章通过设计试验方案并加以验证，探究了不同试验变量对IGBT动态雪崩以及雪崩耐量的影响。结果表明，电流和电感会对模块动态雪崩产生极大的影响，栅极电阻能够延缓模块内部动态雪崩的发生并提升模块雪崩耐量，母线电压也会对模块雪崩耐量的提升产生巨大影响，常温和高温下模块的雪崩耐量差距大。  
        关键词：IGBT模块;动态雪崩;电流;电感;栅极电阻;电压;温度   
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        发布时间：2023-10-12
      • 周维,王勇志,魏晓慧,郭维立,何勇
        2023(5): 145-151. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.016
        摘要：准确监测功率器件结温一直是器件厂商及应用端非常重要的一项工作。主流的温敏电参数法由于响应速度快、测量准确，被广泛地应用于各个领域。目前在硅基器件应用上已相对成熟，然而由于碳化硅器件的高开关特性及栅极氧化层缺陷，采用电参数法会产生更强烈的寄生振荡与高频EMI噪声，这对于测量器件初始温度会带来很大的误差，因此文章提出一种栅压延时关断的改进电参数法测试方案，抑制器件关断阶段的VDS振荡，通过仿真及电路应用验证，以及热阻测试对比分析，验证了这种栅压延时方案能够有效抑制波形振荡，达到准确测量器件结温的目的。  
        关键词：栅极电压延时;温敏电参数;结构函数;碳化硅MOSFET;热阻   
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        发布时间：2023-10-12
      • 张文亮,余伟,杨飞,崔雷,廖辰玮,李文江
        2023(5): 152-161. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.017
        摘要：为更好地开展功率半导体器件的双脉冲测试，文章系统性地研究了开通脉宽对功率半导体器件双脉冲测试的影响。通过理论分析结合仿真验证的方式分别研究了IGBT器件和MOSFET器件开关特性与开通脉宽之间的关系，研究发现，IGBT器件和MOSFET器件都会受到关断延时电流偏差和测量自热效应的影响：如果开通脉宽太小，关断延时电流偏差会影响双脉冲测试结果；如果开通脉宽太大，测量自热效应会显著影响双脉冲测试结果；同时，当开通脉宽太小时，IGBT器件的双脉冲测试结果还会额外受到非稳态开关效应影响，而非稳态开关效应会导致测试波形振荡严重，可能损坏器件，但MOSFET器件不会受到非稳态开关效应的影响。研究结果表明，IGBT器件和MOSFET器件都存在一个合理的开通脉宽（或负载电感电感值）范围，在该范围内器件的开关特性几乎不受开通脉宽的影响，而上限临界脉宽建议通过产品手册的热阻抗曲线进行估算，下限临界脉宽建议通过双脉冲实测的方式来确认。  
        关键词：功率半导体器件;双脉冲测试;测量自热效应;非稳态开关效应;关断延时电流偏差   
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      • 马瑶,徐丽宾,余伟,刘敏安,任亚东
        2023(5): 162-169. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.018
        摘要：IGBT作为功率开关器件，具有载流密度大、饱和压降低等许多优点，广泛应用于各类电力工程领域，但其也是功率变流器系统最主要的失效部分。当IGBT模块发生短路时，短路电流急剧增大，使得IGBT芯片发热剧烈，当短路能量足够高时，将会引发芯片失效，从而产生大量高温高压的爆生气体。爆生气体经过初始膨胀后将以冲击波能和气体能的形式作用于管壳，当模块管壳无法束缚失效能量时，将会造成模块管壳炸损。如何评估失效能量冲击，文章提出了5种评估方法，即管壳损坏程度评估法、高速摄影法、冲击传感器测量法、电参数测试法、电容能量释放法。通过试验验证发现，管壳损坏程度评估法较为有效，可以使短路能量对管壳的影响变成一个可以定量计算的问题，从而指导管壳结构优化、评价管壳材料强度、限制失效能量对其他子系统的次生伤害。  
        关键词：IGBT;失效能量;短路试验;爆轰波;管壳损坏程度评估法   
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        发布时间：2023-10-12
      • 王泽群,田小宇,宋致儒,宋文胜
        2023(5): 170-176. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.019
        摘要：绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模块的结温与工作性能、寿命及其可靠性密切相关，实现IGBT结温在线监测对电力电子系统可靠性提升与服役寿命的延长有着重要意义。文章基于IGBT的导通压降，分别构建了小电流和大电流饱和压降法结温监测模型和测量电路，实现IGBT结温的精确在线监测。首先，结合IGBT的工作原理，推导了导通压降的表达式；然后，根据小电流和大电流饱和压降的特点，分别建立了其结温监测模型；最后，设计了小电流恒流源电路和导通压降采样电路，并进行试验验证。试验结果表明：小电流饱和压降与IGBT结温呈线性关系，大电流饱和压降与结温呈非线性关系，并且二者实现结温监测的误差分别为1.29%和4.91%。  
        关键词：IGBT模块;导通压降;结温测量;小电流下的饱和压降法;大电流下的饱和压降法   
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        发布时间：2023-10-12

        器件应用技术

      • 甘韦韦,欧阳顺,刘斐,刘泉呈,张洪浩
        2023(5): 177-183. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.020
        摘要：针对1 500 V电压等级的组串光伏逆变器升压环节，文章开展基于飞跨Boost电路的最优参数计算研究。基于主流光伏电池板的规格要求，确定所设计飞跨Boost电路的输入输出参数。根据飞跨Boost工作原理，首先开展功率半导体模块的选型与校核计算；然后在电路工作极限点分别计算最小输入滤波电感、输入滤波电容和飞跨电容等参数，并提出动态控制策略；最后通过仿真表明基于飞跨Boost主电路参数设计方法的有效性和准确性，为1 500 V电压等级的组串式逆变器提供了一种升压电路的设计方法。  
        关键词：参数设计;光伏组串;飞跨Boost;飞跨电容;功率半导体模块   
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        发布时间：2023-10-12
      • 杨柳,饶宏,袁智勇,周月宾,徐义良,熊岩
        2023(5): 184-190. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.021
        摘要：柔性直流输电是以新能源为主体的新型电力系统的核心技术，具有有功无功独立控制、响应快速灵活、扩展性强、无换相失败等优点，广泛应用于新能源送出、异步电网互联、孤岛供电和远距离大容量输电等场景。电力电子器件在柔性直流输电中起着交直流变换的重要作用，目前国内外的柔性直流输电工程普遍采用3.3 kV和4.5 kV等级的功率器件（IGBT），为满足“双碳”目标下大型新能源远距离大容量直流输电送出工程和远海风电场大规模开发利用的需求，功率器件也向着更高电压、更大电流的方向发展。文章对柔性直流输电技术中电力电子器件的发展现状和趋势进行梳理，以国内多个有代表性的柔性直流输电工程为例，系统地阐述了电力电子器件在柔性直流工程中的应用现状，重点介绍了应用于柔性直流的电力电子器件主要技术特点。最后，展望了高压大功率电力电子器件的应用方向与发展趋势。  
        关键词：柔性直流输电;柔性直流换流阀;电力电子器件;高电压;大电流   
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        发布时间：2023-10-12

        设备技术

      • 袁福顺,邓晓军,李庆岩,王石
        2023(5): 191-197. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.05.022
        摘要：碳化硅外延技术是采用化学气相沉积设备在N型4H-SiC衬底上进行同质外延生长，而外延生长设备所具有的温度场和气流场的状态决定了外延生长的成膜质量。文章以水平热壁技术路线为例，通过对反应腔室的温度场和气流场进行研究，获得最优的反应腔室结构；并通过对外延工艺的研究，获得优异的工艺控制效果；实现外延生长速度大于60 μm/h，不同外延膜厚均匀性小于1.2%，不同掺杂浓度均匀性小于3%，缺陷密度小于0.2 ea/cm2，外延层表面方均根粗糙度小于0.15 nm，并且实现连续30炉次外延工艺控制的结果稳定。  
        关键词：碳化硅;外延设备;温场;气流场   
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        发布时间：2023-10-12
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