本书是国外学者们对宽禁带半导体封装技术和趋势的及时总结。首先，对宽禁带功率器件的发展趋势做了总结和预演判断，讲述宽禁带功率半导体的基本原理和特性，包括其独特的物理和化学属性，以及它们在极端环境下的潜在优势。接着介绍封装材料的选择和特性，分别就互连技术和衬底展开论述，同时，介绍了磁性材料，并对不同材料结构的热性能，以及冷却技术和散热器设计进行了介绍。然后，考虑到功率器件的质量必须通过各种测试和可靠性验证方法来评估，还介绍了瞬态热测试的原理和方法，同时阐述了各种可靠性测试的机理和选择动机。最后，就计算机辅助工程模拟方法列举了许多经典案例。
通过本书的学习，读者可以建立起宽禁带功率半导体器件封装的全面概念，为进一步深入研究打下基础。本书可作为封装或微电子等专业的高年级本科生和研究生的课程教材或课外阅读材料，也可作为封装开发和设计人员的参考书。
第三代宽禁带功率半导体，是指以碳化硅（SiC)和氮化镓(GaN)为材料的半导体，由于其高耐压、高电子迁移率、耐高温等特性，在许多场合体现出比上一代硅（Si）基半导体器件更大的优势。封装是器件运用（商用）必不可少的一环，尤其是封装的可靠性，对于集成电路（IC）的性能几乎起到了决定性作用，新型封装技术的能力制约着器件运用。研究封装，尤其在高温、高压、高频的场合，各种新型封装技术是宽禁带功率半导体器件应用推广的关键。本书是国外技术专家学者对第三代宽禁带功率半导体封装技术的一次总结，结合实际应用的理论分析和思路其实对于封装技术的推动和发展有着很好的借鉴作用。
通过阅读本书内容，可以快速建立起关于整个宽禁带功率半导体器件封装技术的全貌，理解封装的本质是一个多物理场耦合的结果，也是一个多学科交叉的综合体。首先，对宽禁带功率器件的发展趋势做了总结和预演判断，讲述宽禁带功率半导体的基本原理和特性，包括其独特的物理和化学属性，以及它们在极端环境下的潜在优势。接着介绍封装材料的选择和特性，分别就互连技术和基板展开论述，同时，介绍了磁性材料，并对不同材料结构的热性能，以及冷却技术和散热器设计进行了介绍。然后，考虑到功率器件的质量必须通过各种测试和可靠性验证方法来评估，还介绍了瞬态热测试的原理和方法，同时阐述了各种可靠性测试的机理和选择动机。最后，就计算机辅助工程模拟方法列举了许多经典案例。
贡献者列表
托马斯·艾辛格,英飞凌科技公司，维拉奇，奥地利
阿祖玛大一,日立金属有限公司，东京,日本
阿米尔·萨贾德·巴赫曼,奥尔堡大学能源技术部，电力电子可靠性研究中心（CORPE），奥尔堡，丹麦
托拜厄斯·埃尔巴赫,弗劳恩霍夫集成系统和元器件技术研究所（IISB），埃尔兰根,德国
加博尔·法尔卡斯,Mentor Graphics机械分析部门，布达佩斯，匈牙利
羽池古川,昭和电工株式会社，东京,日本
托木藤崎,Mentor Graphics日本分公司机械分析部门，东京，日本
奥利弗·希尔特,费迪南德-布劳恩研究所、莱布尼茨高频技术研究所(FBH)，柏林,德国
平雄清,日本产业技术综合研究所（AIST），名古屋，日本
弗朗西斯科·伊安努佐,奥尔堡大学能源技术部，电力电子可靠性研究中心（CORPE），奥尔堡，丹麦
利奥·洛伦茨,欧洲电力电子中心（ECPE）/英飞凌科技公司，慕尼黑，德国
约瑟夫·卢茨,开姆尼茨理工大学，开姆尼茨，德国
宫崎骏,日本产业技术综合研究所（AIST），名古屋,日本
玛尔塔·伦茨,Mentor Graphics机械分析部门，布达佩斯，匈牙利
罗兰·拉普,英飞凌科技公司，埃尔兰根,德国
菅沼克昭,大阪大学产业科学研究所，大阪，日本
山内信，昭和电工株式会社，东京，日本
周由，日本产业技术综合研究所（AIST），名古屋，日本
译者序
贡献者列表
第一部分未来的前景
第1章未来技术趋势3
1.1电力电子系统的发展趋势对下一代功率器件的影响3
1.1.1Si基材料的功率器件的发展趋势7
1.1.2总结和展望11
1.2未来的器件概念：基于SiC的功率器件12
1.2.1在4H-SiC上的单极功率半导体器件的研究进展12
1.2.2在4H-SiC上的双极功率半导体器件的研究进展21
1.3基于GaN的功率器件26
1.3.1AlGaN/GaN-HFET作为一个GaN晶体管器件的概念26
1.3.2垂直GaN晶体管的概念28
1.3.3GaN-HFET器件对电力电子开关晶体管的好处29
1.3.4正常关断GaN HFET31
1.3.5Si基GaN的外延和垂直隔离33
1.3.6横向电压关断35
1.3.7色散效应和电压关断37
1.3.8开关速度38
1.3.9芯片集成39
1.3.10双向晶体管40
1.3.11快速栅极驱动41
1.3.12在硬开关或软开关拓扑中使用GaN41
1.3.13开关频率超过1MHz42
1.4WBG功率器件及其应用43
致谢44
参考文献44
进一步阅读49
第二部分基础和材料
第2章互连技术53
2.1简介53
2.2芯片焊接技术54
2.2.1高温焊料54
2.2.2TLP键合59
2.2.3烧结连接60
2.3布线67
2.3.1Al和Cu线67
2.3.2Al和Cu带键合68
2.4平面和三维互连70
参考文献73
第3章基板74
3.1简介74
3.2功率模块的陶瓷基板75
3.2.1陶瓷基板的种类75
3.2.2高热导率Si3N4陶瓷的研制76
3.3金属化陶瓷基板78
3.4金属化陶瓷基板中存在的问题79
3.4.1金属化陶瓷基板中的残余热应力79
3.4.2金属化陶瓷基板的可靠性80
3.5结论84
参考文献85
第三部分元件
第4章磁性材料89
4.1简介89
4.2磁性材料的磁性特性89
4.2.1磁化强度和磁感应强度89
4.2.2磁滞90
4.2.3磁心损耗91
4.2.4磁晶各向异性和磁致伸缩91
4.3软磁材料的分类以及磁性特性的比较91
4.3.1金属软磁材料和软磁铁氧体的特点92
4.3.2结晶软磁材料93
4.3.3软磁铁氧体94
4.3.4非晶合金94
4.3.5纳米晶合金95
4.4应用示例和比较95
4.4.1高频电抗器95
4.4.2高频变压器96
4.5未来趋势97
参考文献98
第四部分性能测试和可靠性评估
第5章功率半导体器件的冷却技术101
5.1简介101
5.2SiC/GaN功率半导体的特性及冷却问题101
5.2.1高温运行的响应102
5.2.2对高产热密度的响应103
5.2.3半导体冷却的三个问题104
5.3常用设计104
5.4功率半导体冷却的预期技术105
5.4.1热传导路径的演进：直接冷却［3］105
5.4.2高级传热技术：用于液体冷却的高性能散热片107
5.5冷却板和散热器的材料110
5.5.1下一代功率半导体冷却板材料的问题110
5.5.2热变形和应力的结构和材料方法112
5.5.3对新材料的期望113
参考文献114
第6章热瞬态测试115
6.1热瞬态测试的概述和介绍115
6.2热瞬态测试116
6.3线性理论：Zth曲线和结构函数119
6.3.1Zth曲线119
6.3.2热时间常数120
6.3.3结构函数122
6.4三个终端器件的热测试125
6.5使用结构函数进行热分析的进一步示例128
6.5.1芯片焊接质量分析128
6.5.2TIM分析129
6.5.3对流冷却分析129
6.5.4散热器比较130
6.6宽禁带半导体的热瞬态测试132
6.6.1SiC器件测试132
6.6.2GaN器件测试134
6.7结论138
参考文献138
第7章可靠性评估140
7.1简介140
7.2SiC MOS结构的栅极氧化物的可靠性141
7.2.1栅极氧化物在开关状态下的可靠性141
7.2.2内在和外在氧化物分解143
7.2.3威布尔统计和氧化物减薄模型145
7.2.4临界外在物的定义和减少147
7.2.5筛选后的失效率和失效概率149
7.2.6RON和dox的权衡151
7.2.7 逐步增大栅极电压的测试过程和测试结果152
7.2.8结论154
7.3高温反向偏置测试155
7.4高温高湿反向偏置测试157
7.5温度循环158
7.6功率循环159
7.6.1测试设置和结温测定159
7.6.2热模拟结果163
7.6.3通过SiC MOSFET的电气参数进行主动加热和温度传感164
7.6.4推荐测试方法：正向加载，反向检测Vj166
7.6.5SiC二极管和MOSFET的测试结果168
7.7重复性双极工作测试171
7.8进一步的可靠性方面171
7.9GaN可靠性评估知识状态173
7.10宽禁带器件可靠性研究的综述176
参考文献176
进一步阅读180
第8章计算机辅助模拟181
8.1简介181
8.1.1计算机辅助工程模拟181
8.1.2电力电子应用中的CAE182
8.2功率半导体的热模拟183
8.2.1热堆183
8.2.2电力电子学中对流体动力学的计算184
8.3电热优化185
8.3.1功率模块的热耦合185
8.3.2功率模块中的寄生电感186
8.4案例研究188
8.4.1在SiC功率模块中的热应力188
8.4.2基于任务场景的分析方法之一188
8.4.3基于任务场景的分析方法之二190
8.4.4统计分析模型192
8.4.5电热分析模型192
8.4.6热机械模型193
8.4.7雨流计数方法197
8.4.8减少寄生电感200
8.5结论201
参考文献201
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