功率|曾正：SiC功率器件的封装测试与系统集成_封装|器件|曾正|测试|功率|系统

SiC功率器件是电能变换的核心，是下一代电气装备的基础，在消费电子、智能电网、电气化交通、国防军工等领域，具有不可替代的作用。SiC功率器件的性能表征、封装测试和系统集成，具有重要的研究价值和应用前景。
经过四十多年的开发，基于Si 半导体材料的功率器件，各项性能已经接近物理极限。SiC 半导体材料具有更高的能隙、击穿场强、热导率等优异性能，为高压、高效、高温、高频的功率器件带来了崭新机遇，为高效、高功率密度、高可靠的功率变换器提供了技术可能。然而，SiC 功率器件突破了Si 功率器件的技术体系，在性能表征、封装集成、暂态测试和系统应用等方面，缺乏基础理论和关键技术支撑，面临新的严峻挑战。

文章插图
▲ 功率器件封装的发展趋势
在国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家重点实验室和双一流学科等经费的支持下，我们研究团队从器件、封装、测试和应用的层面，系统研究了SiC 功率器件的封装集成与系统应用，在SiC 功率器件的电-热表征、封装优化设计、多物理场建模、多芯片并联均流、精确稳定测试和系统集成等方面，取得了较为丰硕的研究成果，积累了较为丰富的研究经验。《SiC功率器件的封装测试与系统集成》（曾正著. 北京 : 科学出版社, 2020.9）一书是作者过去六年研究工作的总结与凝练，系统介绍SiC 功率器件的建模、仿真和实验结果，期待能为从事宽禁带器件研发的科研人员和工程师提供参考。
全书内容共12 章。
▋ 第1 章绪论
介绍功率器件的应用背景和技术需求，阐述功率器件的完整产业链，介绍功率器件的发展趋势，简述SiC 器件的电热性能和封装需求。

文章插图
▲ 功率器件的产业链
功率器件是电能变换的核心器件，是国际前沿研究领域与新兴战略方向。功率器件的完整产业链包括晶圆、芯片、封装和应用等多个环节，涉及材料、微电子、热物理、电气等多个学科。随着多学科交叉融合，功率器件的技术工艺日趋成熟，功率器件的电学性能和可靠性不断提升，成本不断降低，在各种严苛的应用领域，发挥着不可替代的作用。
▋ 第2 章 SiC 器件的基本特性
器件结构是器件性能的基础。围绕二极管和晶体管器件，本章介绍各种SiC 器件的基本结构，以及各自的优缺点。此外，围绕伏安特性、跨导特性和温敏特性，介绍SiC 器件的静态特性。以最常见的半桥电路为例，对比分析SiC 器件的动态特性。然后，探索SiC器件的参数分散性，及其对器件并联的影响。最后，介绍SiC 器件的寄生参数，及其测量方法。

文章插图
▲ 晶体管的基本结构
▋ 第3 章 SiC 器件的电学特性
围绕SiC MOSFET 器件，本章主要介绍SiC 器件的驱动、串扰和短路等电学特性。针对SiC器件开关行为难以控制的问题，介绍驱动的隔离方式、技术需求，分析驱动对器件开关行为的调节规律，给出高温驱动、谐振驱动、自适应驱动等特殊驱动电路。针对SiC 器件dv/dt 大，容易发生串扰的问题，介绍串扰的产生机理和抑制方法。最后，针对SiC 器件短路能力弱的问题，阐述短路的产生机理、影响因素、短路耐量和保护方法。

文章插图
▲ SiC MOSFET器件的短路检测方法
▋ 第4 章 SiC 器件的热学特性
热阻是制约器件应用的一个技术瓶颈，本章首先介绍稳态和瞬态热阻的物理意义。然后，以SiC 二极管为例，介绍SiC 器件的热网络模型。随后，给出SiC 器件的热阻仿真结果。最后，针对TO-220 封装SiC 器件，给出热阻的测试方法和实验结果。

文章插图
▲ 典型SiC器件的热网络模型
▋ 第5 章 SiC 器件的扩容
第3、4 章分别介绍了SiC 器件的电学和热学特性。为了满足大功率应用，需要大电流、高电压的SiC 器件，而大容量SiC 芯片的成本非常高。多芯片并联、串联和级联是常用的SiC 器件扩容方法。本章详细分析多芯片并联的电流不均衡问题，以及抑制方法，介绍Si 和SiC 器件的混合并联方法。此外，还阐释SiC 器件串联电压不均衡及抑制方法。最后，还介绍Si MOSFET 和SiC JFET 的级联方法。

文章插图
▲ 2个SiC MOSFET并联的电路
▋ 第6 章功率器件的封装结构和封装工艺
第2～5章介绍了SiC器件的基本结构和性能表征。本章介绍器件封装的基本结构和工艺方法。首先，从电流、尺寸和功率的角度，总结功率器件封装的发展历程。其次，以典型的TO-247封装和EconoPack封装为例，阐述功率器件封装的基本结构。然后，对比分析不同封装材料的典型物理属性。随后，以引线键合式封装为例，介绍封装的工艺流程和关键步骤。再次，归纳SiC 功率模块的现状，并从寄生电感、结-壳热阻和寿命的角度对比Si 和SiC 功率模块的差异，揭示SiC 功率模块在大电流、低热阻和高可靠封装技术方面的技术难题。最后，为了适应低感、低热阻和高可靠的目标，介绍多种改进的SiC功率模块封装技术。

文章插图
▲ SiC MOSFET功率模块的基本性能
▋ 第7 章功率模块封装的多物理场建模与有限元仿真
以功率模块为例，本章介绍封装的建模和仿真方法。针对功率模块的电磁场模型，建立寄生电感的解析模型和经验模型。针对功率模块的电-热-力耦合效应，建立封装的电-热、热-力模型。针对功率模块的老化机理，建立焊料层的疲劳寿命模型。最后，基于有限元分析方法，采用ANSYS Q3D 和COMSOL仿真软件，给出功率模块的多物理场求解过程。

文章插图
▲ 基于ANSYS Q3D 的电磁场仿真结果：磁场分布
▋ 第8 章功率模块封装的优化设计和失效分析
功率模块内的电-热-力多物理场耦合，影响封装的优化设计和失效分析。本章首先建立功率模块封装的电学、热学、力学性能表征模型，揭示封装材料、封装尺寸对封装性能的影响规律。然后，针对电-热-力的协同优化，建立封装的多目标优化设计模型，并分析封装材料对优化设计的影响规律。在封装优化设计的基础上，针对半桥功率模块，研制相同封装的全Si、混合和全SiC 功率模块，并给出各种功率模块的评估结果。最后，围绕瞬间过应力失效和长期老化失效，分析功率模块封装的失效机理和失效现象。
▲ 功率模块封装的电-热-力协同设计框架
▋ 第9 章多芯片功率模块的并联均流
大容量功率模块普遍采用多芯片并联的结构，降低成本。多芯片并联的电流分配，影响功率模块的电-热应力均衡。本章介绍多芯片并联功率模块的电流不均衡现象，阐述功率模块的寄生参数电网络建模方法，构建功率模块内电流分配的通用数学模型。最后，针对两种不同的DBC 布局方法，给出对比评估的实验结果。

文章插图
▲ 多芯片并联功率模块的示意图
▋ 第10章 SiC 器件的开关测量建模与分析
SiC 器件开关速度非常快，给测量仪器和测试方法提出了严峻挑战。测量仪器的带宽、延迟时间、分散性等会导致测量结果的不精确性和不确定性。此外，测量仪器的输出阻抗会干扰SiC器件的正常开关行为，导致测量结果的不稳定性。本章介绍测量通道的构成、测量仪器的特点和技术现状。针对测量的不确定性，分析不同示波器、不同通道之间的分散性。针对测量的不精确性，评估不同探头带宽和延迟时间对测量结果的影响。针对测量的不稳定性，建立器件和测量仪器的综合阻抗模型，分析测量探头对SiC器件开关行为的影响规律。

文章插图
▲ 探头和示波器对测量波形的影响
▋ 第11章 SiC 分立器件在直流固态变压器中的应用
以直流固态变压器为例，本章介绍SiC 分立器件的应用。首先，介绍直流固态变压器的技术需求和工作原理。然后，以焊料层疲劳寿命模型为基础，分析SiC 分立器件的寿命模型。基于双有源桥电路的工作原理，建立直流固态变压器的损耗模型，以及分立SiC 器件的热耦合模型。最后，基于配电网的年负荷曲线，评估直流固态变压器的寿命。

文章插图
▲ 3kW的DAB样机
▋ 第12章 SiC 功率模块在车用电机控制器中的应用
以车用电机控制器为例，本章介绍SiC 功率模块的应用。首先，围绕峰值功率和功率密度，介绍车用电机控制器的技术现状和发展趋势。针对水冷和风冷系统，介绍车用电机控制器的热管理方法。以典型车用电机控制器为例，分析其内部结构，以及体积、重量分布规律。然后，针对EconoPack 封装的SiC 功率模块，分析SiC 芯片的损耗分布，采用多物理场仿真方法，揭示模块内部的电-热-力分布规律，并给出功率模块的改进封装设计。此外，结合电力电子常用的电容器，以纹波电流和纹波电压为对象，阐述母线电容的设计方法。围绕电机控制器的热设计，探讨散热器的设计方法。最后，利用样机的实验结果，验证模型和方法的有效性。

文章插图
▲ 电动汽车的关键部件
围绕SiC功率器件的基础研究和前沿应用，本书系统介绍了SiC功率器件的研究现状与发展趋势，分析了器件的电-热性能表征方法，阐述了器件的并联、串联、级联等扩容技术，介绍了器件的封装结构与封装工艺，给出了器件的多物理场模型和仿真方法，提出了器件的封装设计方法，总结了器件的封装失效机理，揭示了器件的并联电流分配规律，提出了器件的精确稳定测试方法，针对固态变压器、新能源汽车等新兴应用，构建了SiC功率器件的系统集成方法。

文章插图
曾正，重庆大学电气工程学院副教授，博士生导师。长期从事电力电子技术方面的研究，研究领域包括新型功率半导体器件封装集成与应用、新能源并网变流器运行控制与稳定等。主持国家自然科学基金1项、国家重点研发计划子课题2项，主持完成其他各类科技项目8项，出版专著2部，发表论文120余篇（包括SCI论文30余篇、ESI高被引论文1篇、F5000顶尖论文1篇），论文被引1900余次（H影响因子22），授权发明专利10余项（已转让1项）。
【功率|曾正：SiC功率器件的封装测试与系统集成】本文摘编自《SiC功率器件的封装测试与系统集成》（曾正著. 北京 : 科学出版社, 2020.9）一书“前言”，以及各章概要，有删减，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-065700-8
责任编辑：莫永国陈杰
本书是一本理论基础和工程实践相结合的专著，可作为高校电力电子技术及相关专业本科生、研究生和教师的参考书，也可供从事宽禁带器件研究的工程技术人员参考使用。

文章插图

文章插图