功率半導體器件：封裝、測試和可靠性

第1章功率半導體器件 1
1.1器件的應用和發展1
1.2材料特性分析4
1.2.1硅材料5
1.2.2碳化硅材料6
1.2.3氮化鎵材料7
1.2.4砷化鎵材料8
1.2.5其他半導體材料8
1.3功率半導體器件分類10
1.4器件工作原理11
1.4.1PiN二極管11
1.4.2MOS器件15
1.4.3IGBT器件23
1.4.4GaN器件26
1.4.5GaAs二極管31
1.5半導體仿真分析32
1.5.1TCAD仿真概述33
1.5.2仿真結構33
1.5.3物理模型34
1.5.4準靜態掃描35
1.5.5瞬態掃描36
1.6晶圓級測試38
1.7小結41
參考文獻42

第2章功率器件的封裝 43
2.1封裝的目的和意義43
2.2分立式封裝44
2.2.1分立式封裝的特點44
2.2.2分立式封裝的材料45
2.2.3分立式封裝的工藝47
2.2.4分立式封裝的設備50
2.3模塊式封裝52
2.3.1模塊式封裝的特點52
2.3.2模塊式封裝的材料54
2.3.3模塊式封裝的工藝56
2.3.4模塊式封裝的設備57
2.4壓接型封裝58
2.4.1壓接型封裝的特點58
2.4.2壓接型封裝的材料62
2.4.3壓接型封裝的工藝64
2.4.4壓接型封裝的設備65
2.5器件數據表的解讀67
2.5.1穩態額定值67
2.5.2靜態參數69
2.5.3動態參數70
2.5.4熱學參數解讀71
2.5.5極限能力參數解讀72
2.6柵極驅動技術73
2.6.1柵極驅動的必要性及難點73
2.6.2柵極驅動的保護功能79
2.7器件封裝的仿真分析82
2.7.1電流均衡仿真技術83
2.7.2結溫及分布仿真技術87
2.7.3熱應力仿真技術88
2.8小結90
參考文獻90

第3章器件特性測試 92
3.1器件靜態參數測試92
3.1.1測試標準分析92
3.1.2測試技術和設備93
3.1.3正向壓降測試94
3.1.4柵極漏電流測試95
3.1.5集射極阻斷特性測試95
3.1.6閾值電壓測試96
3.2器件動態參數測試97
3.2.1測試標準分析97
3.2.2測試技術和設備97
3.2.3測試參數分析98
3.2.4測試難點分析103
3.3器件熱學參數測試104
3.3.1熱阻的定義104
3.3.2熱阻測試標準和方法107
3.3.3熱電偶法112
3.3.4瞬態雙界面法121
3.3.5結構函數法123
3.4小結127
參考文獻127

第4章器件結溫測量 128
4.1結溫的定義128
4.2結溫測量方法129
4.2.1物理接觸法129
4.2.2光學測量法130
4.2.3溫敏電參數法131
4.2.4其他方法132
4.3基於通態特性的測試方法134
4.3.1大電流飽和壓降法134
4.3.2小電流飽和壓降法138
4.3.3閾值電壓法139
4.4基於動態特性的測試方法141
4.4.1時間測量141
4.4.2斜率測量141
4.5基於封裝特性的測試方法142
4.5.1寄生電感142
4.5.2柵極內部電阻142
4.6結溫分布測量143
4.6.1多芯片並聯結溫分布143
4.6.2單芯片溫度分布146
4.7小結149
參考文獻149

第5章器件極限能力測試 151
5.1極限能力的定義151
5.1.1反偏安全工作區（RBSOA）153
5.1.2短路安全工作區（SCSOA）154
5.1.3正偏安全工作區（FBSOA）156
5.2短路能力測試158
5.2.1短路測試標準158
5.2.2短路特性介紹160
5.2.3短路測試原理162
5.2.4短路測試設備167
5.2.5短路保護技術170
5.2.6短路對封裝的影響172
5.2.7短路能力提升技術174
5.3極限關斷能力測試175
5.3.1極限關斷能力的定義175
5.3.2極限關斷能力表征177
5.3.3IGBT極限關斷能力提升179
5.4浪涌能力測試180
5.4.1浪涌能力測試標準181
5.4.2浪涌能力測試技術和設備181
5.4.3外置反並聯二極管浪涌能力184
5.4.4SiC MOSFET體二極管浪涌能力191
5.4.5浪涌能力提升技術193
5.5小結195
參考文獻196

第6章環境可靠性測試 197
6.1可靠性測試理論197
6.2環境可靠性測試分類201
6.3機械振動202
6.3.1測試技術202
6.3.2測試設備203
6.3.3失效機理205
6.4機械衝擊205
6.4.1測試技術205
6.4.2測試設備206
6.4.3失效機理206
6.5溫度衝擊207
6.5.1測試技術207
6.5.2測試設備208
6.5.3失效機理209
6.6高低溫存儲210
6.6.1測試技術210
6.6.2測試設備210
6.6.3失效機理211
6.7小結212
參考文獻213

第7章電應力可靠性測試 214
7.1壽命可靠性測試分類214
7.2測試技術和設備215
7.3高溫柵偏測試216
7.3.1測試原理和方法216
7.3.2失效機理和判定218
7.3.3可靠性提升技術222
7.4高溫反偏測試223
7.4.1測試原理和方法223
7.4.2失效機理和判定225
7.4.3可靠性提升技術231
7.5高溫高濕反偏測試233
7.5.1測試原理和方法233
7.5.2失效機理和判定236
7.5.3可靠性提升技術240
7.6仿真分析技術242
7.6.1環境溫度的仿真243
7.6.2偏置電壓的仿真243
7.6.3環境濕度的仿真244
7.7未來發展方向249
參考文獻249

第8章功率循環測試 252
8.1測試標準和技術252
8.1.1IEC標準252
8.1.2MIL標準254
8.1.3JESD標準254
8.1.4AQG 324255
8.2測試方法分類260
8.2.1DC功率循環261
8.2.2帶開關損耗的DC功率循環263
8.2.3PWM（AC）功率循環265
8.2.4對比分析270
8.3失效形式和機理分析271
8.3.1鍵合線失效274
8.3.2焊料失效290
8.3.3表面鋁層金屬化306
8.3.4其他失效309
8.3.5數值分析312
8.4功率循環測試方法313
8.4.1測試技術313
8.4.2測試方法318
8.4.3測試設備323
8.5壽命模型分析334
8.5.1經驗壽命模型334
8.5.2物理壽命模型337
8.5.3關鍵參數影響機理344
8.5.4壽命預測技術348
8.6數理統計理論351
8.6.1樣本選擇原則352
8.6.2可靠性數理統計354
8.7有限元仿真技術357
8.7.1仿真模型的校準技術357
8.7.2純熱仿真技術359
8.7.3電熱耦合仿真技術361
8.7.4電熱力耦合仿真技術363
8.7.5疲勞和壽命仿真技術363
8.8寬禁帶器件功率循環測試364
8.8.1SiC MOSFET功率循環測試364
8.8.2GaN HEMT功率循環測試368
8.9小結372
參考文獻372

第9章宇宙射線失效 376
9.1宇宙射線失效定義376
9.1.1宇宙射線來源376
9.1.2宇宙射線失效驗證377
9.1.3宇宙射線失效形式379
9.2宇宙射線失效機理380
9.2.1宇宙射線失效模型380
9.2.2器件的基本設計規則381
9.2.3失效率模型382
9.3不同器件的失效特點385
9.3.1Si MOSFET385
9.3.2SiC MOSFET388
9.3.3IGBT389
9.4抗宇宙射線提升技術390
9.5小結392
參考文獻392

第10章未來發展趨勢 394