功率半导体模块电、热特性分析及应用
功率半导体模块电、热特性分析及应用
功率半导体器件是电力电子变流器的核心部件,本文分析了功率半导体模块封装设计和电路参数对模块寄生电感、散热性能和开关特性的影响,对功率半导体封装设计和电路应用提出改进。本文首先总结了近年来电力电子技术新应用对功率半导体器件提出的需求,并针对本文的研究工作,归纳了功率半导体模块的关键问题及研究现状,包括功率半导体模块低寄生电感设计、模块散热设计、功率模块布局寄生电感和热模型、压接式封装以及混合功率模块的振荡问题。目前传统功率模块结构的IGBT模块仍是主流产品,本文着重分析布局设计对寄生电感和芯片热耦合的影响。目前在模块布局设计中,为评估布局寄生电感和芯片热耦合,采用有限元分析的方法,设计过程较复杂。
本文建立了简化的IGBT模块寄生电感和芯片散热评估方法,并应用于半桥和T型三电平IGBT模块布局设计。通过有限元仿真和样品测试验证了评估方法的有效性。将模块样品应用于多能源应急电源系统,验证了模块在系统中可连续稳定运行。压接式器件在大功率应用场合获得了关注,本文提出一种适用于SiCMOSFET的压接式封装方法。
SiCMOSFET压接式封装存在两点挑战:SiCMOSFET芯片可接触面积较小,因此现有的应用于压接式IGBT的压力接触方法可能不适用于SiCMOSFET;SiC MOSFET 对封装寄生电感十分敏感,压接式封装结构需适应低寄生电感的要求。本文针对以上的挑战提出了解决方案。采用弹性压针实现SiCMOSFET压力接触,并设计了适用于压接式SiCMOSFET的微通道散热器。基于所提出的封装结构分析了布局设计对寄生电感和并联芯片均流的影响。
根据上述的设计方案进行了样品研制和实验验证。为了验证压接式SiC MOSFET内部并联芯片的均流特性,探讨了一种基于PCB罗氏线圈的电流测试方法,对并联芯片均流特性进行了测试,验证了本文提出的封装结构可以实现较好的并联芯片动态均流。SiC肖特基二极管与Si IGBT组成混合功率模块,可大大减小IGBT开通损耗和二极管反向恢复损耗。但在混合模块IGBT开通时,SiC二极管的寄生电容与回路寄生电感会产生振荡,导致电磁干扰问题。
本文建立了混合模块开通过程理论模型,分析了门极驱动和寄生参数对开通振荡的影响。研究了利用阻尼电路抑制振荡的方法,通过开通过程理论模型给出
了阻尼电路参数的最佳范围,并对振荡抑制效果进行了实验验证。另外,研究了一种有源驱动抑制开通电流过冲的方法。实验验证了结合有源驱动和阻尼电路可同时抑制混合模块开通电流过冲和振荡,且不会造成过多的额外损耗。
将混合模块应用在风力发电变流器中,在不同的工作状态下,对器件损耗进行了理论计算,对变流器效率进行了实验测试。最后对本文的工作进行了总结,简述了本文的主要贡献,并对后续工作作出展望。
半导体材料硅的基本性质
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
功率半导体器件在我国的发展现状
功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制，电流可以双向流过，其优点是开关速度很高，通常在几十纳秒到几百纳秒，开关损耗小，适用于各类开关电源。但它也有缺点，那就是在高压环境下压降很高，随着电压的上升，电阻变大，传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展，IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体，兼具二者的优点，都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此，其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今，各个行业的发展几乎电子化，对功率半导体器件的需求越来越大，不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家，自给率仅有10%，严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格，需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看，全球功率半导体市场中，海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求，每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本，提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格，则需要重新返工制造，将会增加了企业的生产成本。
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型半导体材料的设计与性能分析
景德镇陶瓷学院 半导体课程设计报告 设计题目n型半导体材料的设计与性能分析专业班级 姓名 学号 指导教师 完成时间
一﹑杂质半导体的应用背景 半导体中的杂质对电离率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，半导体中掺杂微量杂质时，杂质原子的附近的周期势场的干扰并形成附加的束缚状态，在禁带只能够产生的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。 一、N型半导体在本征半导提硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。 磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。 在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。 二、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占 据晶格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼
功率器件的发展历程
功率器件的发展历程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT…… 2009-12-08 08:49 引言 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。 电力整流管 整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是： 漏电流小、通态压降较高(1 0～1 8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点，但是它的通态压降却很高(1 6～4 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路
功率半导体器件 LDMOS VDMOS
关于功率MOSFET（VDMOS & LDMOS）的报告 ---时间日期：2009.11.12 ---报告完成人：祝靖1．报告概况与思路 报告目的：让研一新同学从广度认识功率器件、了解功率器件的工作原理，起到一个启蒙的作用，重点在“面”，更深层次的知识需要自己完善充实。 报告内容：1）从耐压结构入手，说明耐压原理； 2）从普通MOS结构到功率MOS结构的发展；（功率MOS其实就是普通MOS结构和耐 压结构的结合）； 3）纵向功率MOS（VDMOS）的工作原理； 4）横向功率MOS（LDMOS）的工作原理； 5）功率MOSFET中的其它关键内容；（LDMOS和VDMOS共有的，如输出特性曲线）报告方式：口头兼顾板书，点到即止，如遇到问题、疑惑之处或感兴趣的地方，可以随时打断提问。 2．耐压结构（硅半导体材料） 目前在我们的研究学习中涉及到的常见耐压结构主要有两种：①反向PN结②超结结构(包括)； 2.1 反向PN结（以突变结为例） 图2.1所示的是普通PN结的耐压原理示意图，当这个PN结工作在一定的反向电压下，在PN结内部就会产生耗尽层，P区一侧失去空穴会剩下固定不动的负电中心，N区一侧会失去电子留下固定不动的正电中心，并且正电中心所带的总电量＝负电中心所带的总电量，如图2.1a所示，A区就是所谓耗尽区。 图2.1b所示的是耗尽区中的电场分布情况（需熟悉了解），耗尽区以外的电场强度为零，Em称为峰值电场长度（它的位置在PN，阴影部分的面积就是此时所加在PN P区和N区共同耐压。图2.2所示的是P+N结的情况，耐压原理和图1中的相同，但是在这种情况中我们常说N负区是耐压区域(常说的漂移区) (a) (b) 图2.1 普通PN结耐压示意图（N浓度＝P浓度）图2.2 P＋N结耐压示意图（N浓度< 半導體的基本特性 自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。 電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。 在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。 近導電帶，而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。 1. 導電性介於導體和半導體之間的物體,稱為半導體 2. 此物體需要高溫和高電量才能通電的物體. 3.在溫度是0和電導率是0,當溫度上升後,價能帶內的電子,由於熱激發躍進到導帶,致使導帶內充滿一些電子,導電率隨之增加----------這就是半導體. #半導體的特性: 1. 溫度上升電阻下降的特性 2. 整流效應 3 光伏特效應 4. 光電導效應 半导体材料的特性参数和要求有哪些? 半导体材料-特性参数 LED灯泡半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。 常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。 禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。 电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。 非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。 位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料-特性要求 LED灯泡半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转 功率半导体行业格局和产业趋势（深度） 功率半导体是大国重器，战略地位突出 在半导体产业中，功率半导体产值在 180-200 亿美金。功率半导体是我国汽车工业、高铁、空调洗衣机、电网输电等系统应用的上游核心零部件，战略地位突出。 功率半导体产品形态多种多样，几乎所有与电力能源相关的产品都需要用到功率半导体器件。按照年产值贡献口径，IGBT、MOSFET、二极管及整流桥是功率半导体最主要的三个产品类别，占据功率半导体八成左右市场。 国家大基金秉承支持半导体产业战略使命，功率半导体领域必将鼎力支持集成电路国家大基金承担着支持半导体产业发展的历史使命。 功率半导体是半导体产业中产值高达 200 亿美金的大板块，是关系着高铁动力系统、汽车动力系统、消费 及通讯电子系统等领域能否实现自主可控的核心零部件。功率半导体战略地位突出，国家大基金必将全力支持。 回顾过去 3 年国家大基金的投资历史，集中投资行业细分龙头企业是大基金一贯始终的投资策略。 我们认为在资本助力下，我国功率半导体龙头企业将加速整合海外优质资源，加速向中高端市场迈进的进程。 行业格局解析:高端市场欧美日把控，中低端市场大陆厂商站稳脚跟 IGBT 产业格局 全球功率半导体巨头主要集中美国、欧洲、日本三个地区。大陆、台湾地区厂商主要集中在二极管、晶闸管、低压 MOSFET 等低端功率器件领域，IGBT、中高压MOSFET等高端器件主要由欧美日厂商占据。 全球 IGBT 器件及模块 2015 年销售额 39.44 亿美金，德国英飞凌及赛米控(semikron)，日本三菱及富士电机，美国仙童半导体基本把控了全球 IGBT 市场，前五大厂商占据了 73.2%的市场份额。 MOSFET 产业格局 2015 年功率 MOSFET 市场产值达到 54.84 亿美金，英飞凌、仙童半导体、日本瑞萨电子、欧洲意法半导体、日本东芝等厂商占据了绝大部分市场份额，前五大厂商的市场占有率合计达到了 60.1%。 二极管产业格局 据世界半导体贸易组织数据，全球功率二极管及整流桥市场容量约为 368 亿元人民币。IGBT 及 MOSFET 市 “power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。 2015年功率半导体器件行业简析 一、行业的定义与分类 (2) 二、行业的发展历史和现状 (3) 三、行业规模 (4) 四、行业的周期性 (6) 五、进入本行业的壁垒 (6) 1、技术壁垒 (6) 2、客户服务壁垒 (7) 六、行业风险因素 (7) 1、投入不足 (7) 2、质量意识差 (8) 七、影响行业未来发展趋势的因素 (8) 1、电子元器件微型化 (8) 2、电子元器件集成化 (9) 3、产业政策大力支持 (9) 一、行业的定义与分类 功率半导体器件是进行电能（功率）处理的半导体产品，典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等，是弱电控制与强电运行间的桥梁，其中大部分是既能耐高压也能承受大电流。半导体产业的发展始于分立器件，所谓“分立”，一般是指被封装的半导体器件仅含单一元件(为了产品应用需要，部分分立器件封装实际上包含二个或多个元件或器件)，它必须和其它类型的元件相结合，才能提供类似放大或开关等基本电学功能。 从产品结构来分，功率半导体分立器件可分为二极管、三极管、功率晶体管、功率集成电路等几大类产品，其中功率晶体管包括有MOSFET和IGBT等。从功率处理能力来分，功率半导体分立器件可分为四大类，包括低压小功率分立器件(电压低于200V，电流小于200mA)、中功率分立器件(电压低于200V，电流小于5A)、大功率分立器件(电压低于500V，电流小于40A)、高压特大功率分立器件(电压低于2,000V，电流小于40A)。 每个电子产品均离不开功率半导体技术。功率半导体的目的是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多方便。如通过变频来调速，使变频空调在节能50-70％的同时，更环保、更安静、让人更舒适。人们希望便携式电子产品一次充电后有更长的使用时间，在电池没有革命性进步以前，需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将“粗电”变为“精电”，因此它是 13种常用的功率半导体器件介绍 电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。 1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管 MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点： （1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2； （2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V； （3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s； （4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断； 2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors） IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。 IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~ 3 MW，三电平逆变器1~ 6 MW；若反向二极管分离，不与IGCT 电动汽车功率半导体模块封装的现状与趋势作者：李慧梅 来源：《科学与财富》2020年第23期 摘要：随着碳排放的增加，我国越来越重视环境保护和可再生能源，电动汽车成为了新主流，汽车功率半导体模块近的技术和设计，成为功率半导体产业快增长点，本文讨论了电动汽车功率半导体模块封装的现状并简述了电动汽车功率半导体模块封装的趋势。 关键词：电动汽车;模块封装;功率模块 混合电动汽车是部分由电力驱动的汽车，纯电动汽车是全部由电力驱动的汽车，（混合和纯电动汽车HEV/EV），由于电力属于清洁能源且可以再生，可以通过太阳能或风能转化而成，大大减少了以往汽车的碳排放对环境造成的污染，所以HEV/EV被普遍认可成有益于环境的产品，帮助缓解能源危机和环境恶化，世界各级政府也在支持推广HEV/EV使用，汽车企业也在逐渐开发出性能更高的电动汽车。功率半导体模块是汽车PCU核心部件对HEV/EV的性能功效具有很大影响，通过电力转换对HEV/EV进行电力驱动控制其电力能量。 当前的汽车功率模块半导体是绝缘栅双极型晶体管和相应续流二极管，电动汽车相比传统型的汽车性能和成本都要高要求所以测试功率模块标准要比工业级别高，不同的汽车厂商门也会推出先进的绝缘栅双极型晶体管模块，例如平面转模模块、双面冷却模块等等，但功率半导体一直在汽车系统开关频率、重量、成本、效率等方面压力下具有器件封装的困难。 1、电动汽车功率半导体模块 汽车的空间有限，并且设计要考虑到重量和成本，功率模块和逆变器系统要减少重量、用封装结构、减少成本，并且绝缘栅双极型晶体管模块工作时的环境通常是高温湿、机械振动、化学污染强的，所以对其的标准更加严格确保电动汽车可靠运作，也是满足电动汽车能够使用的要求。目前电动汽车功率模块封装在电学、热力、机械和可靠度上都具有着难题和挑战，解决需要着手于两方面，功率半导体和模块封装，对器件的优化设计;制造工艺上改善，提高功率密度开关频率，改善功率的损耗和结温，但由于受到功率模块性能和封装技术限制导致功率模块及系统性能并不能达到优越保证，我们需要更先进的封装结构和技术才能解决难题。 2、最新汽车功率模块 原始的汽车模块开发结构和技术是包含平面基板，采用的真空回流焊接和引线键合技术，传统的技术如今已经不能满足电动汽车对电学和热学的要求，需要推出新的汽车应用功率模块。 功率半导体模块电、热特性分析及应用 功率半导体器件是电力电子变流器的核心部件,本文分析了功率半导体模块封装设计和电路参数对模块寄生电感、散热性能和开关特性的影响,对功率半导体封装设计和电路应用提出改进。本文首先总结了近年来电力电子技术新应用对功率半导体器件提出的需求,并针对本文的研究工作,归纳了功率半导体模块的关键问题及研究现状,包括功率半导体模块低寄生电感设计、模块散热设计、功率模块布局寄生电感和热模型、压接式封装以及混合功率模块的振荡问题。目前传统功率模块结构的IGBT模块仍是主流产品,本文着重分析布局设计对寄生电感和芯片热耦合的影响。目前在模块布局设计中,为评估布局寄生电感和芯片热耦合,采用有限元分析的方法,设计过程较复杂。 本文建立了简化的IGBT模块寄生电感和芯片散热评估方法,并应用于半桥和T型三电平IGBT模块布局设计。通过有限元仿真和样品测试验证了评估方法的有效性。将模块样品应用于多能源应急电源系统,验证了模块在系统中可连续稳定运行。压接式器件在大功率应用场合获得了关注,本文提出一种适用于SiCMOSFET的压接式封装方法。 SiCMOSFET压接式封装存在两点挑战:SiCMOSFET芯片可接触面积较小,因此现有的应用于压接式IGBT的压力接触方法可能不适用于SiCMOSFET;SiC MOSFET 对封装寄生电感十分敏感,压接式封装结构需适应低寄生电感的要求。本文针对以上的挑战提出了解决方案。采用弹性压针实现SiCMOSFET压力接触,并设计了适用于压接式SiCMOSFET的微通道散热器。基于所提出的封装结构分析了布局设计对寄生电感和并联芯片均流的影响。 根据上述的设计方案进行了样品研制和实验验证。为了验证压接式SiC MOSFET内部并联芯片的均流特性,探讨了一种基于PCB罗氏线圈的电流测试方法,对并联芯片均流特性进行了测试,验证了本文提出的封装结构可以实现较好的并联芯片动态均流。SiC肖特基二极管与Si IGBT组成混合功率模块,可大大减小IGBT开通损耗和二极管反向恢复损耗。但在混合模块IGBT开通时,SiC二极管的寄生电容与回路寄生电感会产生振荡,导致电磁干扰问题。 本文建立了混合模块开通过程理论模型,分析了门极驱动和寄生参数对开通振荡的影响。研究了利用阻尼电路抑制振荡的方法,通过开通过程理论模型给出 SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景 近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景，其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题，最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。 SiC功率半导体器件技术发展现状1、碳化硅功率二极管 碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。因此，SBD具有低正向电压的优势。SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。同时，其高温特性好，从室温到由管壳限定的175℃，反向漏电流几乎没有增加。在3 kV以上的整流器应用领域，SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。 2、单极型功率晶体管，碳化硅功率MOSFET器件 硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域，是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV 的SiC MOSFET。研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难，具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。 另外，有报道介绍，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。 3、碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor） 最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比，SiC 双极型晶体管具有低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT主要分为外延发 半导体功率器件的散热计算 佛山职业技术学院陈荣光 【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。 【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却 一、半导体功率器件的类型和功耗特点 一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。 按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。 1、半导体功率放大器件 半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时则只有30%左右；乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%，实际运用时则只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。 也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去，其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。 半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流： P D =U ce ·I c （式1—1） 式中P D 为半导体功率放大器件的功耗（单位W）。 U ce 为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降（单位V）。 I c 为半导体功率放大器件的集电极电流（单位A）。 线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端—输出端电压差乘以输出电流。 2、半导体功率开关器件 半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。它们的工作状态只有两个：关断（截止）或导通（饱和）。 理想的开关器件在关断（截止）时，其两端的电压较高，但电流为零，所 功率半导体的发展 摘要：回顾了现代电力电子器件的发展历史，涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改进型的IGBT 以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景，应用碳化硅和氮化镓材料的功率器件正在迅速地发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，进入电力电子技术市场。 关键词：电力电子器件；碳化硅；氮化镓；发展；展望 Development of Power Semiconductor Device Abstract:The developing history of modern power electronic device is reviewed, which includes thyristor, GTO, IGCT, MTO, IGBT,improved IGBT and CoolMOS. The development and perspective of power electronic device with novel materials are proposed. The powerdevice applying SiC and GaN is in a speedy growing, some of which will realize commercialization in the near future and enter into thetechnology market of power electronics. Key words: power electronic device; SiC; GaN; development; prospective 率半导体器件是进行功率处理的半导体器件，它包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心，它是微电子技术与电力电子技术的结合。新型电力电子器件的主要代表是场型控功率器件和智能功率集成电路（Smart Power IC-SPIC）。最早的功率器件是由少数载流子（少子）参与输运的电流控制型器件。由于少子存储效应，工作频率一般小于1MHZ，且其输入阻抗低、驱动电流大。而且由于是正电流温度系数，故有二次击穿现象；随着多晶硅和平面工艺的发展，出现多数载流子（多子）参与输运的电压控制型器件，即场控功率器件。它可以分为两大类：主要的一类是MOS型功率器件，如垂直扩散MOS（VDMOS）,绝缘栅双极晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）等；另一类是静电感应器件，如静电感应晶体管（SIT），双极型静电感应晶体管（BSIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路（SPIC）和高压集成电路（HVIC）两类。但随着PIC的不断发展，两者在工作电压和器件结构上（垂直或横向）都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能功率集成电路是集成电路的重要分支，是功率SoC（System on Chip）的核心技术，它将信息采集、处理与功率控制合一，是引发第二次电子革命的关键技术[1]。 1、功率半导体器件的简介 20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件 地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体： 四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的 化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。 半导体材料 ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族 用于电动汽车的功率半导体模块设计 汽车行业目前正在经历一个重大的技术变革时期，这已经是个不争的事实。过去100多年里，内燃机引擎中都在使用燃油泵和活塞，而现在正在被锂离子电池、逆变器和IGBT所取代。简言之，汽车正在变得更加电子化。汽车的第一次电子化可能仅仅被看作是增加其电子含量的演练，或在适应现有的非汽车系统(如高压工业驱动器)，最终适应汽车中的应用。然后，采用这种方法将会大大低估可能面临的挑战。在功率和电压等级方面，就目前的相似度而言，它们都与相关的工业离线应用类似。在汽车世界里，空间和重量都受到限制，而且环境也很恶劣，0ppm(ppm=不合格品个数*1000000/批量)质量至关重要，而让问题变得更加严重的是，纯电动车(EV)中的能源供应是有限的，因此效率就成为关键所在。所以，我们还不能忽略对于低成本系统的需求，要与内燃机引擎(在过去几十年里，这一技术在鲁棒性、可靠性和出色的功率密度方面进行了优化)进行竞争。这是一个新兴的市场，需要专门基于这一因素开发半导体解决方案! 在众多电动汽车中，需求最多的便是主逆变器，在这里，采用专门针对应用进行开发的芯片和封装解决方案至关重要。在(H)EV发展早期，普遍采用工业砖型模块(这些最初是设计用于工业离线应用)，因此对于汽车的功率密度以及有限结构因数的限制基本没有考虑。它们一般包括IGBT和二极管，额定电压为600V或1200V，结温最高达到150℃。在室温范围内，短路保护性能限制在6μs.在汽车世界中，一个重要的因数是工作温度范围，其最低可以达到-40℃，在更低的温度下，IGBT和二极管的BV(击穿电压)下降，器件处理电压峰值时，潜在的会带来一些问题。为此，采用具有更高BV的功率元件将会受益，CooliRIGBT Gen 2平台便是一个示例。 CVD 晶圆制造厂非常昂贵的原因之一，是需要一个无尘室，为何需要无尘室 答：由于微小的粒子就能引起电子组件与电路的缺陷 何谓半导体? 答：半导体材料的电传特性介于良导体如金属(铜、铝，以及钨等)和绝缘和橡胶、塑料与干木头之间。最常用的半导体材料是硅及锗。半导体最重要的性质之一就是能够藉由一种叫做掺杂的步骤刻意加入某种杂质并应用电场来控制其之导电性。 常用的半导体材料为何 答：硅(Si)、锗(Ge)和砷化家(AsGa) 何谓VLSI 答：VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模集成电路 在半导体工业中，作为绝缘层材料通常称什幺 答：介电质(Dielectric) 薄膜区机台主要的功能为何 答：沉积介电质层及金属层 何谓CVD(Chemical Vapor Dep.) 答：CVD是一种利用气态的化学源材料在晶圆表面产生化学沉积的制程 CVD分那几种? 答：PE-CVD(电浆增强型)及Thermal-CVD(热耦式) 为什幺要用铝铜(AlCu)合金作导线? 答：良好的导体仅次于铜 介电材料的作用为何? 答：做为金属层之间的隔离 何谓PMD(Pre-Metal Dielectric) 答：称为金属沉积前的介电质层，其界于多晶硅与第一个金属层的介电质 何谓IMD(Inter-Metal Dielectric) 答：金属层间介电质层。 何谓USG? 答：未掺杂的硅玻璃(Undoped Silicate Glass) 何谓FSG? 答：掺杂氟的硅玻璃(Fluorinated Silicate Glass) 何谓BPSG? 答：掺杂硼磷的硅玻璃(Borophosphosilicate glass) 何谓TEOS? 答：Tetraethoxysilane用途为沉积二氧化硅 TEOS在常温时是以何种形态存在? 答：液体 二氧化硅其K值为3.9表示何义 答：表示二氧化硅的介电质常数为真空的3.9倍 氟在CVD的工艺上，有何应用 答：作为清洁反应室(Chamber)用之化学气体 简述Endpoint detector之作用原理. 答：clean制程时,利用生成物或反应物浓度的变化,因其特定波长光线被detector 侦测到强度变强或变弱,当超过某一设定强度时,即定义制程结束而该点为endpoint. 功率半导体器件 “power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。 自从50年代，硅晶闸管问世以后，50多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到理想化的目标做出了不懈的努力，并以取得了使世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到 1KHZ以上。70年代中期，大功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现半导体的基本特性
半导体材料的特性参数和要求
功率半导体行业格局和产业趋势(深度)
功率半导体器件是什么
2015年功率半导体器件行业简析
13种常用的功率半导体器件介绍
电动汽车功率半导体模块封装的现状与趋势
功率半导体模块电、热特性分析及应用
SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景
半导体功率器件的散热计算
功率半导体的发展
(完整版)半导体材料及特性
用于电动汽车的功率半导体模块设计
半导体FAB里基本的常识简介
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