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目次
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SiC功率器件是電能變換的核心，是下一代電氣裝備的基礎，在消費電子、智能電網、電氣化交通、國防軍工等領域，具有不可替代的作用。SiC功率器件的性能表徵、封裝測試和系統集成，具有重要的研究價值和應用前景。圍繞SiC功率器件的基礎研究和前沿應用，《SiC功率器件的封裝測試與系統集成》系統介紹了SiC功率器件的研究現狀與發展趨勢，分析了器件的電-熱性能表徵方法，闡述了器件的並聯、串聯、級聯等擴容技術，介紹了器件的封裝結構與封裝工藝，給出了器件的多物理場模型和仿真方法，提出了器件的封裝設計方法，總結了器件的封裝失效機理，揭示了器件的並聯電流分配規律，提出了器件的精確穩定測試方法，針對固態變壓器、新能源汽車等新興應用，構建了SiC功率器件的系統集成方法。
作者簡介
曾正，重慶大學電氣工程學院副教授，博士生導師。長期從事電力電子技術方面的研究，研究領域包括新型功率半導體器件封裝集成與應用、新能源並網變流器運行控制與穩定等。主持國家自然科學基金1項、國家重點研發計劃子課題2項，主持完成其他各類科技項目8項，出版專著2部，發表論文120餘篇（包括SCI論文30餘篇、ESI高被引論文1篇、F5000頂尖論文1篇），論文被引1900餘次（H影響因子22），授權發明專利10余項（已轉讓1項）。
目次
目錄
第1章 緒論 1
1.1 功率器件的應用需求 1
1.2 功率器件的產業鏈 2
1.3 功率器件的發展歷史 3
1.3.1 晶圓的發展 4
1.3.2 芯片的發展 6
1.3.3 封裝的發展 8
1.3.4 應用的發展 10
1.4 SiC功率器件及其封裝 14
1.4.1 SiC功率器件的性能概況 14
1.4.2 SiC器件封裝的發展趨勢 15
1.5 本章小結 16
參考文獻 16
第2章 SiC器件的基本特性 19
2.1 SiC器件的基本結構 19
2.1.1 二極管 19
2.1.2 晶體管 20
2.2 SiC器件的靜態特性 21
2.3 SiC器件的動態特性 24
2.4 SiC器件的參數分散性 28
2.5 SiC器件的寄生電參數 30
2.6 本章小結 31
參考文獻 31
第3章 SiC器件的電學特性 33
3.1 SiC器件的驅動特性 33
3.1.1 驅動的隔離方式 33
3.1.2 驅動的性能要求 34
3.1.3 驅動的調節特性 36
3.1.4 驅動的特殊需求 42
3.2 SiC器件的串擾特性 44
3.2.1 串擾的產生機理 44
3.2.2 串擾的抑制方法 45
3.3 SiC器件的短路特性 46
3.3.1 短路的典型分類 46
3.3.2 短路的動態過程 47
3.3.3 短路的影響規律 48
3.3.4 短路的耐受極限 48
3.3.5 短路的保護方法 51
3.4 本章小結 53
參考文獻 54
第4章 SiC器件的熱學特性 56
4.1 熱阻的定義 56
4.1.1 穩態熱阻的定義 56
4.1.2 瞬態熱阻的定義 57
4.2 熱網絡的模型 58
4.3 熱阻的仿真結果 63
4.4 熱阻的測量結果 64
4.5 本章小結 69
參考文獻 69
第5章 SiC器件的擴容 71
5.1 SiC器件的並聯 71
5.1.1 並聯的必要性 71
5.1.2 並聯的不均流現象 72
5.1.3 不平衡電流的產生機理 73
5.1.4 不平衡電流的抑制方法 78
5.2 SiC器件的混合並聯 86
5.2.1 混合功率模塊 86
5.2.2 混合開關 87
5.3 SiC器件的串聯 88
5.4 SiC器件的級聯 89
5.5 本章小結 91
參考文獻 91
第6章 功率器件的封裝結構和封裝工藝 94
6.1 功率器件的封裝結構 94
6.1.1 功率器件封裝的發展歷程 94
6.1.2 功率器件封裝的典型結構 95
6.1.3 功率器件封裝的材料屬性 96
6.2 功率模塊的封裝工藝 97
6.2.1 材料清洗與芯片分組 97
6.2.2 DBC製作 98
6.2.3 焊接 99
6.2.4 引線鍵合 101
6.2.5 基板 103
6.2.6 外殼 104
6.2.7 填充劑 104
6.3 功率模塊封裝的技術現狀 105
6.4 功率模塊封裝的改進技術 107
6.4.1 P-Cell和N-Cell技術 107
6.4.2 磁場相消技術 108
6.4.3 雙端技術 109
6.4.4 寬母排技術 110
6.4.5 雙面散熱技術 110
6.4.6 3D封裝技術 110
6.4.7 壓接封裝技術 111
6.5 本章小結 112
參考文獻 112
第7章 功率模塊封裝的多物理場建模與有限元仿真 115
7.1 電磁場模型 115
7.1.1 累加法 115
7.1.2 相消法 116
7.1.3 方法對比 118
7.2 電-熱-力多物理場模型 119
7.2.1 電-熱模型 119
7.2.2 熱-力模型 122
7.3 疲勞壽命模型 123
7.3.1 熱失配效應 123
7.3.2 熱失配導致的蠕變 124
7.3.3 焊料層的疲勞壽命模型 127
7.4 有限元仿真分析實例 127
7.4.1 基於ANSYS Q3D的電磁場仿真 127
7.4.2 基於COMSOL的電-熱-力協同仿真 130
7.4.3 基於COMSOL的疲勞壽命仿真 136
7.5 本章小結 141
參考文獻 142
第8章 功率模塊封裝的優化設計和失效分析 144
8.1 功率模塊封裝的多目標優化設計 144
8.1.1 電學性能模型 146
8.1.2 熱學性能模型 148
8.1.3 力學性能模型 149
8.1.4 多目標優化模型和求解 154
8.1.5 封裝材料對優化結果的影響 157
8.2 功率模塊封裝的實現和評估 159
8.2.1 半橋功率模塊的封裝佈局 159
8.2.2 半橋功率模塊的對比評估 160
8.3 功率模塊封裝的失效分析 163
8.3.1 瞬間過應力失效 163
8.3.2 長期老化失效 168
8.4 本章小結 169
參考文獻 170
第9章 多芯片功率模塊的並聯均流 172
9.1 多芯片並聯功率模塊的不均流現象 172
9.2 DBC佈局的等效電路模型 175
9.3 DBC佈局的數學模型 178
9.4 並聯電流分配的通用模型 182
9.4.1 電流分配的數學模型 182
9.4.2 電流分配的框圖模型 183
9.4.3 電流分配的量化模型 184
9.5 實驗結果與分析 185
9.5.1 實驗平臺 185
9.5.2 評估指標 186
9.5.3 實驗結果 187
9.6 本章小結 194
參考文獻 194
第10章 SiC器件的開關測量建模與分析 195
10.1 測量儀器的特點 195
10.1.1 測量通道的影響機理 196
10.1.2 測量儀器的性能統計 199
10.2 測量的精確性 202
10.2.1 示波器的分散性 203
10.2.2 開關損耗測量誤差建模 206
10.2.3 開關損耗測量誤差評估 214
10.3 測量的穩定性 217
10.3.1 器件和儀器的阻抗模型 219
10.3.2 器件和儀器的耦合模型 228
10.3.3 器件和儀器的交互規律 231
10.3.4 實驗結果 234
10.4 本章小結 238
參考文獻 239
第11章 SiC分立器件在直流固態變壓器中的應用 241
11.1 直流固態變壓器的技術需求 241
11.1.1 直流固態變壓器的概況 241
11.1.2 直流固態變壓器的工作原理 242
11.1.3 直流固態變壓器的仿真結果和實驗結果 244
11.2 分立器件的壽命模型 246
11.2.1 器件結構 246
11.2.2 應力分佈 247
11.2.3 壽命模型 248
11.3 直流固態變壓器的電-熱協同設計 249
11.3.1 損耗計算模型 249
11.3.2 熱網絡模型 250
11.3.3 熱阻仿真結果 253
11.3.4 電-熱聯合仿真結果 254
11.4 直流固態變壓器的壽命評估 256
11.4.1 雨流計數 256
11.4.2 累積損傷 257
11.4.3 評估結果 258
11.5 本章小結 258
參考文獻 259
第12章 SiC功率模塊在車用電機控制器中的應用 261
12.1 車用電機控制器的技術需求 261
12.1.1 車用電機控制器的概況 261
12.1.2 車用電機控制器的現狀 262
12.1.3 車用電機控制器的熱管理 264
12.1.4 典型車用電機控制器剖析 266
12.2 功率模塊的優化設計 267
12.2.1 功率模塊的設計對象 267
12.2.2 功率模塊的工作原理和損耗計算 268
12.2.3 功率模塊的多物理場仿真與改進封裝 271
12.3 母線電容的選擇 274
12.3.1 電容的基本特性 274
12.3.2 電容的優化設計 276
12.4 散熱器的設計 278
12.4.1 逆變器的熱阻 278
12.4.2 散熱器熱阻的影響規律 280
12.4.3 逆變器的電-熱仿真結果 281
12.5 樣機與實驗結果 282
12.6 本章小結 284
參考文獻 284
第1章 緒論 1
1.1 功率器件的應用需求 1
1.2 功率器件的產業鏈 2
1.3 功率器件的發展歷史 3
1.3.1 晶圓的發展 4
1.3.2 芯片的發展 6
1.3.3 封裝的發展 8
1.3.4 應用的發展 10
1.4 SiC功率器件及其封裝 14
1.4.1 SiC功率器件的性能概況 14
1.4.2 SiC器件封裝的發展趨勢 15
1.5 本章小結 16
參考文獻 16
第2章 SiC器件的基本特性 19
2.1 SiC器件的基本結構 19
2.1.1 二極管 19
2.1.2 晶體管 20
2.2 SiC器件的靜態特性 21
2.3 SiC器件的動態特性 24
2.4 SiC器件的參數分散性 28
2.5 SiC器件的寄生電參數 30
2.6 本章小結 31
參考文獻 31
第3章 SiC器件的電學特性 33
3.1 SiC器件的驅動特性 33
3.1.1 驅動的隔離方式 33
3.1.2 驅動的性能要求 34
3.1.3 驅動的調節特性 36
3.1.4 驅動的特殊需求 42
3.2 SiC器件的串擾特性 44
3.2.1 串擾的產生機理 44
3.2.2 串擾的抑制方法 45
3.3 SiC器件的短路特性 46
3.3.1 短路的典型分類 46
3.3.2 短路的動態過程 47
3.3.3 短路的影響規律 48
3.3.4 短路的耐受極限 48
3.3.5 短路的保護方法 51
3.4 本章小結 53
參考文獻 54
第4章 SiC器件的熱學特性 56
4.1 熱阻的定義 56
4.1.1 穩態熱阻的定義 56
4.1.2 瞬態熱阻的定義 57
4.2 熱網絡的模型 58
4.3 熱阻的仿真結果 63
4.4 熱阻的測量結果 64
4.5 本章小結 69
參考文獻 69
第5章 SiC器件的擴容 71
5.1 SiC器件的並聯 71
5.1.1 並聯的必要性 71
5.1.2 並聯的不均流現象 72
5.1.3 不平衡電流的產生機理 73
5.1.4 不平衡電流的抑制方法 78
5.2 SiC器件的混合並聯 86
5.2.1 混合功率模塊 86
5.2.2 混合開關 87
5.3 SiC器件的串聯 88
5.4 SiC器件的級聯 89
5.5 本章小結 91
參考文獻 91
第6章 功率器件的封裝結構和封裝工藝 94
6.1 功率器件的封裝結構 94
6.1.1 功率器件封裝的發展歷程 94
6.1.2 功率器件封裝的典型結構 95
6.1.3 功率器件封裝的材料屬性 96
6.2 功率模塊的封裝工藝 97
6.2.1 材料清洗與芯片分組 97
6.2.2 DBC製作 98
6.2.3 焊接 99
6.2.4 引線鍵合 101
6.2.5 基板 103
6.2.6 外殼 104
6.2.7 填充劑 104
6.3 功率模塊封裝的技術現狀 105
6.4 功率模塊封裝的改進技術 107
6.4.1 P-Cell和N-Cell技術 107
6.4.2 磁場相消技術 108
6.4.3 雙端技術 109
6.4.4 寬母排技術 110
6.4.5 雙面散熱技術 110
6.4.6 3D封裝技術 110
6.4.7 壓接封裝技術 111
6.5 本章小結 112
參考文獻 112
第7章 功率模塊封裝的多物理場建模與有限元仿真 115
7.1 電磁場模型 115
7.1.1 累加法 115
7.1.2 相消法 116
7.1.3 方法對比 118
7.2 電-熱-力多物理場模型 119
7.2.1 電-熱模型 119
7.2.2 熱-力模型 122
7.3 疲勞壽命模型 123
7.3.1 熱失配效應 123
7.3.2 熱失配導致的蠕變 124
7.3.3 焊料層的疲勞壽命模型 127
7.4 有限元仿真分析實例 127
7.4.1 基於ANSYS Q3D的電磁場仿真 127
7.4.2 基於COMSOL的電-熱-力協同仿真 130
7.4.3 基於COMSOL的疲勞壽命仿真 136
7.5 本章小結 141
參考文獻 142
第8章 功率模塊封裝的優化設計和失效分析 144
8.1 功率模塊封裝的多目標優化設計 144
8.1.1 電學性能模型 146
8.1.2 熱學性能模型 148
8.1.3 力學性能模型 149
8.1.4 多目標優化模型和求解 154
8.1.5 封裝材料對優化結果的影響 157
8.2 功率模塊封裝的實現和評估 159
8.2.1 半橋功率模塊的封裝佈局 159
8.2.2 半橋功率模塊的對比評估 160
8.3 功率模塊封裝的失效分析 163
8.3.1 瞬間過應力失效 163
8.3.2 長期老化失效 168
8.4 本章小結 169
參考文獻 170
第9章 多芯片功率模塊的並聯均流 172
9.1 多芯片並聯功率模塊的不均流現象 172
9.2 DBC佈局的等效電路模型 175
9.3 DBC佈局的數學模型 178
9.4 並聯電流分配的通用模型 182
9.4.1 電流分配的數學模型 182
9.4.2 電流分配的框圖模型 183
9.4.3 電流分配的量化模型 184
9.5 實驗結果與分析 185
9.5.1 實驗平臺 185
9.5.2 評估指標 186
9.5.3 實驗結果 187
9.6 本章小結 194
參考文獻 194
第10章 SiC器件的開關測量建模與分析 195
10.1 測量儀器的特點 195
10.1.1 測量通道的影響機理 196
10.1.2 測量儀器的性能統計 199
10.2 測量的精確性 202
10.2.1 示波器的分散性 203
10.2.2 開關損耗測量誤差建模 206
10.2.3 開關損耗測量誤差評估 214
10.3 測量的穩定性 217
10.3.1 器件和儀器的阻抗模型 219
10.3.2 器件和儀器的耦合模型 228
10.3.3 器件和儀器的交互規律 231
10.3.4 實驗結果 234
10.4 本章小結 238
參考文獻 239
第11章 SiC分立器件在直流固態變壓器中的應用 241
11.1 直流固態變壓器的技術需求 241
11.1.1 直流固態變壓器的概況 241
11.1.2 直流固態變壓器的工作原理 242
11.1.3 直流固態變壓器的仿真結果和實驗結果 244
11.2 分立器件的壽命模型 246
11.2.1 器件結構 246
11.2.2 應力分佈 247
11.2.3 壽命模型 248
11.3 直流固態變壓器的電-熱協同設計 249
11.3.1 損耗計算模型 249
11.3.2 熱網絡模型 250
11.3.3 熱阻仿真結果 253
11.3.4 電-熱聯合仿真結果 254
11.4 直流固態變壓器的壽命評估 256
11.4.1 雨流計數 256
11.4.2 累積損傷 257
11.4.3 評估結果 258
11.5 本章小結 258
參考文獻 259
第12章 SiC功率模塊在車用電機控制器中的應用 261
12.1 車用電機控制器的技術需求 261
12.1.1 車用電機控制器的概況 261
12.1.2 車用電機控制器的現狀 262
12.1.3 車用電機控制器的熱管理 264
12.1.4 典型車用電機控制器剖析 266
12.2 功率模塊的優化設計 267
12.2.1 功率模塊的設計對象 267
12.2.2 功率模塊的工作原理和損耗計算 268
12.2.3 功率模塊的多物理場仿真與改進封裝 271
12.3 母線電容的選擇 274
12.3.1 電容的基本特性 274
12.3.2 電容的優化設計 276
12.4 散熱器的設計 278
12.4.1 逆變器的熱阻 278
12.4.2 散熱器熱阻的影響規律 280
12.4.3 逆變器的電-熱仿真結果 281
12.5 樣機與實驗結果 282
12.6 本章小結 284
參考文獻 284
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