本書是國外學者們對寬禁帶半導體封裝技術和趨勢的及時總結。首先，對寬禁帶功率器件的發展趨勢做了總結和預演判斷，講述寬禁帶功率半導體的基本原理和特性，包括其獨特的物理和化學屬性，以及它們在極端環境下的潛在優勢。接著介紹封裝材料的選擇和特性，分別就互連技術和襯底展開論述，同時，介紹了磁性材料，并對不同材料結構的熱性能，以及冷卻技術和散熱器設計進行了介紹。然后，考慮到功率器件的質量必須通過各種測試和可靠性驗證方法來評估，還介紹了瞬態熱測試的原理和方法，同時闡述了各種可靠性測試的機理和選擇動機。最后，就計算機輔助工程模擬方法列舉了許多經典案例。
通過本書的學習，讀者可以建立起寬禁帶功率半導體器件封裝的全面概念，為進一步深入研究打下基礎。本書可作為封裝或微電子等專業的高年級本科生和研究生的課程教材或課外閱讀材料，也可作為封裝開發和設計人員的參考書。
第三代寬禁帶功率半導體，是指以碳化硅（SiC)和氮化鎵(GaN)為材料的半導體，由于其高耐壓、高電子遷移率、耐高溫等特性，在許多場合體現出比上一代硅（Si）基半導體器件更大的優勢。封裝是器件運用（商用）必不可少的一環，尤其是封裝的可靠性，對于集成電路（IC）的性能幾乎起到了決定性作用，新型封裝技術的能力制約著器件運用。研究封裝，尤其在高溫、高壓、高頻的場合，各種新型封裝技術是寬禁帶功率半導體器件應用推廣的關鍵。本書是國外技術專家學者對第三代寬禁帶功率半導體封裝技術的一次總結，結合實際應用的理論分析和思路其實對于封裝技術的推動和發展有著很好的借鑒作用。
通過閱讀本書內容，可以快速建立起關于整個寬禁帶功率半導體器件封裝技術的全貌，理解封裝的本質是一個多物理場耦合的結果，也是一個多學科交叉的綜合體。首先，對寬禁帶功率器件的發展趨勢做了總結和預演判斷，講述寬禁帶功率半導體的基本原理和特性，包括其獨特的物理和化學屬性，以及它們在極端環境下的潛在優勢。接著介紹封裝材料的選擇和特性，分別就互連技術和基板展開論述，同時，介紹了磁性材料，并對不同材料結構的熱性能，以及冷卻技術和散熱器設計進行了介紹。然后，考慮到功率器件的質量必須通過各種測試和可靠性驗證方法來評估，還介紹了瞬態熱測試的原理和方法，同時闡述了各種可靠性測試的機理和選擇動機。最后，就計算機輔助工程模擬方法列舉了許多經典案例。
貢獻者列表
托馬斯·艾辛格,英飛凌科技公司，維拉奇，奧地利
阿祖瑪大一,日立金屬有限公司，東京,日本
阿米爾·薩賈德·巴赫曼,奧爾堡大學能源技術部，電力電子可靠性研究中心（CORPE），奧爾堡，丹麥
托拜厄斯·埃爾巴赫,弗勞恩霍夫集成系統和元器件技術研究所（IISB），埃爾蘭根,德國
加博爾·法爾卡斯,Mentor Graphics機械分析部門，布達佩斯，匈牙利
羽池古川,昭和電工株式會社，東京,日本
托木藤崎,Mentor Graphics日本分公司機械分析部門，東京，日本
奧利弗·希爾特,費迪南德-布勞恩研究所、萊布尼茨高頻技術研究所(FBH)，柏林,德國
平雄清,日本產業技術綜合研究所（AIST），名古屋，日本
弗朗西斯科·伊安努佐,奧爾堡大學能源技術部，電力電子可靠性研究中心（CORPE），奧爾堡，丹麥
利奧·洛倫茨,歐洲電力電子中心（ECPE）/英飛凌科技公司，慕尼黑，德國
約瑟夫·盧茨,開姆尼茨理工大學，開姆尼茨，德國
宮崎駿,日本產業技術綜合研究所（AIST），名古屋,日本
瑪爾塔·倫茨,Mentor Graphics機械分析部門，布達佩斯，匈牙利
羅蘭·拉普,英飛凌科技公司，埃爾蘭根,德國
菅沼克昭,大阪大學產業科學研究所，大阪，日本
山內信，昭和電工株式會社，東京，日本
周由，日本產業技術綜合研究所（AIST），名古屋，日本
譯者序
貢獻者列表
第一部分未來的前景
第1章未來技術趨勢3
1.1電力電子系統的發展趨勢對下一代功率器件的影響3
1.1.1Si基材料的功率器件的發展趨勢7
1.1.2總結和展望11
1.2未來的器件概念：基于SiC的功率器件12
1.2.1在4H-SiC上的單極功率半導體器件的研究進展12
1.2.2在4H-SiC上的雙極功率半導體器件的研究進展21
1.3基于GaN的功率器件26
1.3.1AlGaN/GaN-HFET作為一個GaN晶體管器件的概念26
1.3.2垂直GaN晶體管的概念28
1.3.3GaN-HFET器件對電力電子開關晶體管的好處29
1.3.4正常關斷GaN HFET31
1.3.5Si基GaN的外延和垂直隔離33
1.3.6橫向電壓關斷35
1.3.7色散效應和電壓關斷37
1.3.8開關速度38
1.3.9芯片集成39
1.3.10雙向晶體管40
1.3.11快速柵極驅動41
1.3.12在硬開關或軟開關拓撲中使用GaN41
1.3.13開關頻率超過1MHz42
1.4WBG功率器件及其應用43
致謝44
參考文獻44
進一步閱讀49
第二部分基礎和材料
第2章互連技術53
2.1簡介53
2.2芯片焊接技術54
2.2.1高溫焊料54
2.2.2TLP鍵合59
2.2.3燒結連接60
2.3布線67
2.3.1Al和Cu線67
2.3.2Al和Cu帶鍵合68
2.4平面和三維互連70
參考文獻73
第3章基板74
3.1簡介74
3.2功率模塊的陶瓷基板75
3.2.1陶瓷基板的種類75
3.2.2高熱導率Si3N4陶瓷的研制76
3.3金屬化陶瓷基板78
3.4金屬化陶瓷基板中存在的問題79
3.4.1金屬化陶瓷基板中的殘余熱應力79
3.4.2金屬化陶瓷基板的可靠性80
3.5結論84
參考文獻85
第三部分元件
第4章磁性材料89
4.1簡介89
4.2磁性材料的磁性特性89
4.2.1磁化強度和磁感應強度89
4.2.2磁滯90
4.2.3磁心損耗91
4.2.4磁晶各向異性和磁致伸縮91
4.3軟磁材料的分類以及磁性特性的比較91
4.3.1金屬軟磁材料和軟磁鐵氧體的特點92
4.3.2結晶軟磁材料93
4.3.3軟磁鐵氧體94
4.3.4非晶合金94
4.3.5納米晶合金95
4.4應用示例和比較95
4.4.1高頻電抗器95
4.4.2高頻變壓器96
4.5未來趨勢97
參考文獻98
第四部分性能測試和可靠性評估
第5章功率半導體器件的冷卻技術101
5.1簡介101
5.2SiC/GaN功率半導體的特性及冷卻問題101
5.2.1高溫運行的響應102
5.2.2對高產熱密度的響應103
5.2.3半導體冷卻的三個問題104
5.3常用設計104
5.4功率半導體冷卻的預期技術105
5.4.1熱傳導路徑的演進：直接冷卻［3］105
5.4.2高級傳熱技術：用于液體冷卻的高性能散熱片107
5.5冷卻板和散熱器的材料110
5.5.1下一代功率半導體冷卻板材料的問題110
5.5.2熱變形和應力的結構和材料方法112
5.5.3對新材料的期望113
參考文獻114
第6章熱瞬態測試115
6.1熱瞬態測試的概述和介紹115
6.2熱瞬態測試116
6.3線性理論：Zth曲線和結構函數119
6.3.1Zth曲線119
6.3.2熱時間常數120
6.3.3結構函數122
6.4三個終端器件的熱測試125
6.5使用結構函數進行熱分析的進一步示例128
6.5.1芯片焊接質量分析128
6.5.2TIM分析129
6.5.3對流冷卻分析129
6.5.4散熱器比較130
6.6寬禁帶半導體的熱瞬態測試132
6.6.1SiC器件測試132
6.6.2GaN器件測試134
6.7結論138
參考文獻138
第7章可靠性評估140
7.1簡介140
7.2SiC MOS結構的柵極氧化物的可靠性141
7.2.1柵極氧化物在開關狀態下的可靠性141
7.2.2內在和外在氧化物分解143
7.2.3威布爾統計和氧化物減薄模型145
7.2.4臨界外在物的定義和減少147
7.2.5篩選后的失效率和失效概率149
7.2.6RON和dox的權衡151
7.2.7 逐步增大柵極電壓的測試過程和測試結果152
7.2.8結論154
7.3高溫反向偏置測試155
7.4高溫高濕反向偏置測試157
7.5溫度循環158
7.6功率循環159
7.6.1測試設置和結溫測定159
7.6.2熱模擬結果163
7.6.3通過SiC MOSFET的電氣參數進行主動加熱和溫度傳感164
7.6.4推薦測試方法：正向加載，反向檢測Vj166
7.6.5SiC二極管和MOSFET的測試結果168
7.7重復性雙極工作測試171
7.8進一步的可靠性方面171
7.9GaN可靠性評估知識狀態173
7.10寬禁帶器件可靠性研究的綜述176
參考文獻176
進一步閱讀180
第8章計算機輔助模擬181
8.1簡介181
8.1.1計算機輔助工程模擬181
8.1.2電力電子應用中的CAE182
8.2功率半導體的熱模擬183
8.2.1熱堆183
8.2.2電力電子學中對流體動力學的計算184
8.3電熱優化185
8.3.1功率模塊的熱耦合185
8.3.2功率模塊中的寄生電感186
8.4案例研究188
8.4.1在SiC功率模塊中的熱應力188
8.4.2基于任務場景的分析方法之一188
8.4.3基于任務場景的分析方法之二190
8.4.4統計分析模型192
8.4.5電熱分析模型192
8.4.6熱機械模型193
8.4.7雨流計數方法197
8.4.8減少寄生電感200
8.5結論201
參考文獻201
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