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SIC/GaN功率半导体封装合可靠性评估技术

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作者菅沼

出版社机械工业出版社

ISBN9787111669531

出版时间2021-12

装帧平装

开本16开

定价89元

货号29204928

上书时间2024-10-26

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商品详情

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商品描述: 前言
原书前言
原书前言经过功率半导体的长期发展，硅产品已经开始显现其应用的局限性。随着硅器件技术的不断改进，其功率转换损耗的降低已经接近极限，而小型化、更高频率和更高功率的趋势，使得其性能很难进一步提高。另一方面，全球电力设备的数量还在不断增加，日本约有1亿台电动机正在运行中，其所需功率约占日本总功率消耗的60％。如果能够降低功率半导体的能耗，就可以节省巨量的能源并减少CO2排放。此外，在从发电厂传输到各个家庭的多次转换中有大约60％的电力损耗。另外，由于物联网引起的信息网络的流量直线上升，终端设备以及包括通信基站之类的基础设施设备也造成巨大的能量损耗，在发达国家和发展中国家都是如此。解决此类全球能源问题的一个实际解决方案是广泛使用功率半导体，以及用宽禁带功率半导体来替代硅。全球功率半导体市场巨大，年增长率接近10％，在日本，预计该产业将持续稳定增长。幸运的是，功率半导体是需要“磨合”集成各个技术的“模拟半导体”类型的技术。它不可能像半导体存储器之类的成熟产业一样，可以在世界任何地方通过购买昂贵的设备实现数字化生产。同时，今天的日本电子和电气工业在世界前列，拥有该领域需要的制造体系、材料和工艺，在今后很长时间内都可以保持较为先进的技术。另一方面，关注这一技术领域的国家并不只有日本。美国和欧洲也都已启动了大规模的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带功率半导体项目，作为节能技术。随着晶圆制造工艺的不断完善，以及扩大实际生产的强烈愿望，人们对耐热封装技术产生了前所未有的兴趣。毋庸置疑，封装是电子器件制造的后挑战。在功率半导体的封装中，除了充分实现器件的性能外，还必须进行设计以实现其他领域未有的器件安全与可靠性。对于碳化硅和氮化镓器件的封装，需要一种可承受250~300℃的热冲击的高度可靠的无铅芯片贴装技术，以及一种新的能够承受大电流和热耗散并抑制高频传输损耗的新的引线技术。能够有机会提笔撰写本书，重点介绍全球功率半导体行业发展潮流中的宽禁带功率半导体封装的基本原理和可靠性，所有作者都深感荣幸。本书以封装为核心，由熟悉各个领域前沿的专家详细解释当前的状况和问题。主要章节为宽禁带功率半导体的现状和封装、模块结构和可靠性问题、引线键合技术，芯片贴装技术、模塑树脂技术、绝缘基板技术、冷却散热技术、可靠性评估和检查技术等。尽管环境中的材料退化机制尚未明晰，但我们还是总结了新的封装材料和结构设计，以尽量阐明未来的发展方向。顺便指出，尽管封装还包括电感和缓冲电容器等无源组件以及抵抗EMI（电磁干扰）对策，但我们并未涉及这方面的内容，而是期待有关新技术的更多信息积累。后但并非不重要的一点是，日刊工业新闻的辻一郎先生提供机会，使作者得以在非常恰当的时机编写本书，并且耐心地等待写作完成，我和所有作者在此深表谢意。对于试图从制造上提高功率半导体的可靠性或面临新挑战的技术人员，或在宽禁带功率半导体研究机构工作的工程师和研究人员，如果通过阅读本书能有所裨益，所有作者都将深感欣慰。
菅沼克昭
大阪大学产业科学研究所

导语摘要
本书重点介绍全球功率半导体行业发展潮流中的宽禁带功率半导体封装的基本原理和器件可靠性评价技术。书中以封装为核心，由熟悉各个领域前沿的专家详细解释当前的状况和问题。主要章节为宽禁带功率半导体的现状和封装、模块结构和可靠性问题、引线键合技术、芯片贴装技术、模塑树脂技术、绝缘基板技术、冷却散热技术、可靠性评估和检查技术等。尽管环境中的材料退化机制尚未明晰，书中还是总结设计了新的封装材料和结构设计，以尽量阐明未来的发展方向。本书对于我国宽禁带（国内也称为第三代）半导体产业的发展有积极意义，适合相关的器件设计、工艺设备、应用、产业规划和投资领域人士阅读。

作者简介
菅沼克昭，日本大阪大学产业科学研究所教授，在国际上享有盛名。

目录
目录
序
原书前言
作者名单
第1章绪言
1.1电力变换和功率半导体
1.2功率半导体封装及可靠性问题
参考文献
第2章宽禁带半导体功率器件的现状与封装
2.1电力电子学的概念
2.2宽禁带半导体的特性和功率器件
2.3功率器件的性能指数
2.4其他宽禁带半导体功率器件的现状
2.5宽禁带半导体封装技术的挑战
参考文献
第3章SiC/GaN功率半导体的发展
3.1SiC和GaN功率器件的概念
3.2SiC器件的特征（低导通电阻、高温、高速运行）
3.3SiC肖特基势垒二极管
3.4SiC晶体管
3.5SiC模块
3.6GaN功率器件的特征
3.7GaN功率器件的特性
3.8GaN功率器件的应用
参考文献
第4章引线键合技术
4.1引线键合技术的概念
4.2引线键合的种类
4.2.1引线键合方法
4.2.2键合机制
4.3引线键合处的可靠性
4.3.1功率模块疲劳破坏
4.3.2键合处的破坏现象
4.3.3键合处的裂纹扩展
4.3.4影响接头破坏的因素
4.4键合线材料
4.4.1铝合金线
4.4.2铜键合线
4.4.3银和镍材料作为键合线的适用性评估
4.4.4包层引线
4.5替代引线键合的其他连接技术
4.5.1铝带连接4.5.2引线框焊接
4.6结论
参考文献
第5章芯片贴装技术
5.1芯片贴装
5.2无铅高温焊料
5.3TLP键合
5.4金属烧结键合
5.5固相键合和应力迁移键合
5.6空洞
5.7未来展望
参考文献
第6章模塑树脂技术
6.1半导体封装的概念
6.2功率模块结构和适用材料
6.2.1壳装型功率模块
6.2.2模塑型
6.2.3功率模块封装的演变
6.3密封材料的特性要求
6.3.1绝缘性
6.3.2低热应力
6.3.3黏附性
6.3.4抗氧化性
6.3.5高散热
6.3.6流动性和成型性
6.3.7耐湿性和可靠性测试
6.4高耐热技术的发展现状
6.4.1高耐热硅酮树脂
6.4.2高耐热环氧树脂
6.4.3热固性酰亚胺树脂
6.4.4高耐热纳米复合材料
参考文献
第7章基板技术
7.1功率模块的演变和适用基板
7.2基板概要
7.2.1基板种类和分类
7.2.2陶瓷基板
7.2.3金属基底基板
7.3散热板/金属陶瓷复合材料
7.4SiC/GaN功率半导体基板的特性要求
7.5未来基板技术趋势
参考文献
第8章散热技术
8.1散热（冷却）技术的概念
8.2SiC/GaN功率半导体的特性以及与其散热相关的问题
8.2.1高温工况的应对方法
8.2.2针对发热密度增加的应对方法
8.3电气和电子设备的散热技术基础
8.4功率半导体散热应考虑的要求
8.5下一代功率半导体的散热理念
8.6有望应用于宽禁带半导体的散热技术
8.6.1导热路径的进步：直冷式冷却器
8.6.2散热结构的进步：双面散热模型
8.6.3热传导的进步：液体冷却用高性能翅片
8.7导热界面材料
8.7.1导热界面材料的概念
8.7.2下一代半导体的导热界面材料
8.7.3TIM所需的特性和问题
8.7.4高热导率填料系统
8.8实现高温工况
参考文献
第9章可靠性评估/检查技术
9.1功率半导体可靠性试验
9.2典型环境试验
9.2.1存储试验（高温低温）
9.2.2存储试验（高温高湿）
9.2.3温度循环试验
9.2.4高温工作寿命试验（高温反偏试验）
9.2.5高温高湿反偏寿命试验
9.3其他环境试验
9.3.1低压试验
9.3.2盐雾试验
9.3.3加湿+封装应力系列试验
9.4功率循环试验
9.4.1功率循环试验的种类
9.4.2功率循环试验的加载方式
9.4.3热阻
9.4.4试验装置所需的性能规格
9.5功率器件可靠性试验的检查方法
9.5.1X射线透射分析
9.5.2超声成像系统
9.5.3横截面观察
9.5.4锁相红外热分析
9.6材料热阻的评估
9.6.1包括界面热阻的导热特性（有效热导率）
9.6.2热特性评估系统的配置和测量原理
9.6.3热性能测量示例
9.7小结参考文献
第10章编后记
参考文献

内容摘要
本书重点介绍全球功率半导体行业发展潮流中的宽禁带功率半导体封装的基本原理和器件可靠性评价技术。书中以封装为核心，由熟悉各个领域前沿的专家详细解释当前的状况和问题。主要章节为宽禁带功率半导体的现状和封装、模块结构和可靠性问题、引线键合技术、芯片贴装技术、模塑树脂技术、绝缘基板技术、冷却散热技术、可靠性评估和检查技术等。尽管环境中的材料退化机制尚未明晰，书中还是总结设计了新的封装材料和结构设计，以尽量阐明未来的发展方向。本书对于我国宽禁带（国内也称为第三代）半导体产业的发展有积极意义，适合相关的器件设计、工艺设备、应用、产业规划和投资领域人士阅读。

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菅沼克昭，日本大阪大学产业科学研究所教授，在国际上享有盛名。

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