集成电路和功率器件抗辐射工艺加固技术研究综述

随着我国空间装备的高速发展,尤其是深空探测器,微电子器件抗辐射性能得到广泛关注。抗辐射工艺加固是实现器件抗辐射性能提升的重要途径之一。本文围绕空间总剂量效应和单粒子效应,对近年来集成电路和功率器件辐射效应机理和工艺加固技术的研究进展进行了介绍和总结,为抗辐射工艺加固技术的发展与应用提供了有益参考。

高压大功率器件应用特性测评现状与挑战

高压大功率器件目前已广泛应用于各类大容量电力换流和控制装备中,在运行过程中面临复杂的电-磁-热-机应力,具有功率密度大、工况态势复杂的特点,开展高压大功率器件的特性测试有利于准确评估功率器件的可靠性,并指导变流器的优化设计。该文紧密围绕基于双脉冲的准在线测试方法,系统综述准在线测试在结温提取、老化表征、运行轨迹刻画、电磁云图分布等方面的应用情况和发展现状,梳理不同特性表征方法的优缺点及适用性,并进一步探讨在线运行工况下功率器件的实时状态监测和寿命评估方法。同时,面向第三代碳化硅半导体器件,深入讨论基于宽禁带材料电致发光原理的测评新方法,为后续高压大功率器件的可靠性评估提供指导和参考。

基于PXI标准的功率器件总剂量效应测试系统研制

设计了一款针对功率器件的总剂量效应测试系统。该系统基于外围组件互连(PXI)扩展主机系统,设计了测试板卡,并通过设计不同工艺的半导体功率器件测试工装,实现功率器件的批量自动化测试。结果表明,氮化镓工艺的功率器件的耐总剂量效应优于硅和碳化硅工艺的功率器件的。

牵引变流器功率器件结温在线监测方法综述

功率器件结温在线监测对牵引变流器安全可靠运行至关重要,准确的结温监测是牵引变流器失效分析、运行状态监测、健康管理和剩余服役寿命预测的基础。因此,面向功率器件结温在线监测开展了大量研究。在此基础上,概述了以热网络模型法和温敏参数法为主的功率器件结温在线监测方法,以此为分类基准梳理了现有功率器件的结温监测方法并讨论了在牵引变流器中在线实现的可能,详细介绍了功率器件结温监测方法针对在线应用及客观因素干扰的发展与改进。最后,总结并对比了现有功率器件结温在线监测方法的演变、联系与差异,在分析现有结温监测方法面临挑战的基础上,展望功率器件结温在线监测在人工智能技术辅助下的前景。

5G基站用740MHz~960MHz 705W GaN功率器件的研制

为了提升740MHz~960MHz 705W GaN功率器件的输出功率和抗失配能力,对GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)和GaN功率器件进行设计,采用双场板技术和背面通孔技术解决器件击穿电压低和抗负载失配能力差的问题。同时,基于预匹配技术和金属陶瓷封装技术,成功研制出Dohert结构的GaN功率器件。对设计出的GaN功率器件进行测试,在工作电压为48V、工作频段为740MHz~960MHz的条件下,实现输出功率达到708W,带内功率附加效率最高达77.8%,功率增益大于16.5dB,抗失配能力达到5:1的性能指标。

功率器件封装用Cu-Sn全IMC接头制备及其可靠性研究进展

随着功率半导体器件的服役环境越来越恶劣,以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体凭借其优异的高温性能成为行业应用主流。但目前尚缺乏与之相匹配的低成本、耐高温的互连材料,成为了制约行业发展的瓶颈。Cu-Sn全金属间化合物(IMC)因其成本低、导电性好且满足低温连接、高温服役的特点被认为是理想的SiC芯片互连材料之一。针对功率半导体器件封装,对国内外近年来Cu-Sn全IMC接头的制备方法和可靠性进行了分析和综述,并讨论了目前亟待解决的问题和未来的发展趋势。

基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法

准确的结温监测对功率器件可靠性评估和健康管理至关重要,因此在牵引变流器中广受欢迎。然而,传统的结温监测方法易受到负载电流变化的影响,导致监测精度不高,难以达到牵引变流器的可靠性需求。对此,该文提出一种基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法,首先,基于功率器件的等效电路模型,对功率器件开通瞬态进行详细分析。在此基础上,对器件结温与开通集射极电压下降平台的关系进行探究,并提出一种基于杂散电感两端最大电压的开通集射极电压下降平台定位方法。进一步地,利用双脉冲实验对所研究结温监测方法的适用性进行分析验证;最后,搭建单相脉冲整流器实验平台,对所研究结温监测方法的可行性进行实验验证,该方法能够有效降低负载电流变化的影响且具有较高的灵敏度。

面向空间应用的GaN功率器件及其辐射效应

研究氮化镓(GaN)功率器件及其辐射效应对于解决空间应用需求、促进新一代航天器建设具有重大意义。介绍了GaN功率器件的主要结构及工作原理,综述了近年来国内外在GaN功率器件的总剂量效应和单粒子效应两方面的研究进展,并对辐射效应在GaN功率器件中造成的退化和损伤机制进行分析与讨论。研究结果显示:GaN功率器件具有较强的抗总剂量能力,但是抗单粒子能力较弱,易发生漏电和单粒子烧毁,且烧毁点多发生在栅极边缘的漏侧。对GaN功率器件辐照损伤机理的研究缺乏权威理论,有待进一步探索,为其空间应用提供理论支撑。目前,平面结构的GaN功率器件是主流的技术方案,单片集成及高频小型化是GaN功率器件未来发展的方向。

车用高可靠性功率器件封装及辅助技术专辑主编述评

车用功率器件封装研究的进展极大提升了电动汽车的动力性能和续航能力,使得电动汽车更加高效、可靠。随着车用功率器件封装的不断优化,电动汽车行业有望迎来更广阔的市场前景和发展空间。近年来,功率器件封装建模、封装设计与优化、热管理与结温监测、器件驱动与应用、可靠性分析、在线监测等成为研究热点,并受到了学术界及工业界的持续关注。《电源学报》特别推出“车用高可靠性功率器件封装及辅助技术”专辑,以期推进车用功率器件及其应用难点和热点问题的探讨。

功率器件IGBT模块模态分析与实验验证

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率器件在振动环境下的可靠性问题,基于模态分析方法对IGBT模块的动态特性进行研究分析。通过有限元软件建立用于模态分析的功率器件IGBT模块模型,利用模态分析获取模块在不同约束下的前6阶固有频率及其相应阵型,结合激振实验评估模型准确性,对比分析各实验与模拟结果出现差异原因,并提出规避共振现象的改进措施,进而提升模块的使用寿命。该研究结果对功率器件IGBT模块的振动分析提供参考,同时为模块结构的设计提供理论依据。

计及磁链和电流的PMSM DTC系统中功率器件键合线老化监测方法

在闭环控制系统中,基于电参数的功率器件老化监测方法是电力电子可靠性领域的难点之一。以永磁同步电机直接转矩控制系统为例,研究基于磁链相图和电流的功率逆变器中功率器件老化状态的在线监测方法。首先,分析功率器件老化的特征,得到键合线老化引起通态电阻增加的结论;其次,研究得到功率器件键合线老化与磁链相图、直轴电流和三相电流峰值变化的关系,进而提出功率器件键合线老化的监测方法;最后,通过多组仿真实验验证了基于磁链相图和电流的在线监测方法均可实现功率逆变器中功率器件键合线老化状态的在线监测。其中,基于磁链相图的在线监测方法需要系统磁链出现一些波动时才易观测,此时功率器件处于失效状态,该方法并不可取;而基于三相电流的监测方法能够更为精确地监测功率器件老化状况,效果更为优越。

功率器件封装结构热设计综述

半导体技术的进步使得芯片的尺寸得以不断缩小,倒逼着封装技术的发展和进步,也由此产生了各种各样的封装形式。当前功率器件的设计和发展具有低电感、高散热和高绝缘能力的属性特征,器件封装上呈现出模块化、多功能化和体积紧凑化的发展趋势。为实现封装器件低电感设计,器件封装结构更加紧凑,而芯片电压等级和封装模块的功率密度持续提高,给封装绝缘和器件散热带来挑战。在有限的封装空间内,如何把芯片的耗散热及时高效地释放到外界环境中以降低芯片结温及器件内部各封装材料的工作温度,已成为当前功率器件封装设计阶段需要考虑的重要问题之一。该文聚焦于功率器件封装结构的散热方面,针对功率半导体器件在散热路径方面的结构设计进行归纳总结。通过对国内外功率器件封装结构设计的综述,梳理功率器件封装结构设计过程中在散热方面的考虑及封装散热特点,并根据功率器件散热特点对功率器件封装结构类型进行分类。最后,基于降低封装结构散热热阻、提高器件散热能力的目的,从高导热封装材料和连接工艺、芯片面接触连接、增加散热路径以及缩短散热路程4个方面对功率器件封装结构设计在散热方面未来的发展趋势进行展望。

功率器件结温主动控制及优化策略

功率器件因结温波动产生的热-机械应力是其疲劳失效的主要原因,开展结温控制是提升器件可靠性、实现功率变换系统安全运行的重要保障。该文提出一种基于有限时间有界理论的功率器件结温主动控制策略,实现器件结温波动较为精确的控制,降低功率器件在运行过程中的结温波动幅值,减小因结温波动产生的热应力对器件材料的冲击,延缓器件的疲劳老化程度。首先,基于Foster热网络模型建立功率器件结温波动的状态-空间模型,基于有限元分析方法完成模型参数的辨识,实现器件结温状态的实时估计;其次,基于有限时间有界理论完成结温管理反馈控制器的设计,考虑不同工况下器件结温需求,以器件开关频率的调整为例完成器件结温波动的管理,降低结温波动对器件的热冲击作用;最后,仿真和实验结果表明,状态-空间模型估算器件结温的误差约为2%,结温控制结果与设定值差距约1.7%,说明了该文方法在结温估算和管理方面的精度较高。

考虑老化与积灰影响的电动汽车充电模块功率器件寿命预测

功率器件的稳定工作是整流器可靠运行的重要保证,功率器件的寿命预测也是提高系统可靠性的有效手段。然而,当前的寿命评估中仅预测了器件持续工作的寿命,且并未考虑因器件老化与积灰导致的热阻在全寿命周期内的变化情况。针对这一问题,提出了一种表征器件老化与积灰影响的随寿命消耗分段更新的灵活等效热模型,利用计及时段气温的方法,对不同场景下持续工作和实际断续工作的功率器件进行了寿命预测。选用VIENNA整流器作为30 kW电动汽车充电模块的前级拓扑结构,构建随寿命消耗分段更新的灵活等效热模型。通过对比不同场景下的功率器件寿命预测结果,验证了所提方法具有更高的预测精度。

可调控封装技术在功率器件封装中的应用

随着功率电子器件的发展,单一的封装材料已经难以满足当前高密度集成功率器件封装所需的综合性能需求。研究了一种新型封装技术,即可调控封装技术,开展了封装壳体设计、制造和优化工作,并进行了散热性能测试。结果表明,可调控封装技术可有效解决功率器件散热问题,并对不同散热需求的器件提供个性化解决方案。

车规级功率器件的封装关键技术及封装可靠性研究进展

半导体技术的进步推动了车规级功率器件封装技术的不断发展和完善,然而车规级功率器件应用工况十分复杂,面临高度多样化的热循环挑战,对其可靠性提出了更高的要求。因此,在设计、制造和验证阶段都必须执行更为严格的高功能安全标准。综述了车规级功率器件的封装关键技术和封装可靠性研究进展,通过系统地归纳适应市场发展需求的车规级功率器件封装结构,总结了封装设计关键技术和先进手段,同时概述了封装可靠性研究面临的挑战。深入探讨了车规级功率器件封装设计和封装可靠性的重要问题,在此基础上,借鉴总结已有的研究成果,提出了可行的解决方案。

飞机电气系统典型功率器件寿命评估模型试验研究

针对飞机电气系统功率器件在大修中存在的问题,选取故障率较高的带触点功率器件,开展寿命试验、实际状态摸底评估、功率器件检测、状态检测等,得到器件真实的寿命指标,建立飞机电气系统典型功率器件寿命模型,为改进修理模式提供可靠依据。

第十届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会暨第三代半导体产业融合创新发展(西安)论坛

为紧跟国际功率半导体器件技术发展步伐,推动我国新型半导体功率器件技术水平进一步提高,加快其成果转化和应用推广,增强自主创新能力,由中国半导体行业协会半导体分立器件分会主办的“第十届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会”于2024年11月3—5日在西安召开。本会议是继厦门、昆明、长沙、苏州、深圳、成都、重庆、无锡、广州成功举办后,我国半导体功率器件及应用领域又一次重要的学术、技术交流活动,将为广大从事新型功率半导体材料、器件及其应用技术工作者提供一个高起点、大范围、多领域的沟通平台,增进产学研及应用端之间的技术交流,相互学习,共同提高。

一种基于氮化镓功率器件和超级电容的台区融合终端电源系统设计

传统的配电终端电源系统由主电源模块和后备电源模块组成。主电源模块普遍采用基于硅基功率器件的开关电源,功率开关器件损耗较大,温升明显。后备电源采用电池组或者大电容组,面临寿命短、功率密度低、受温度影响的放电性能和受限制的充放电电流等问题。为了解决这个问题,提出一种基于氮化镓功率器件和超级电容的台区融合终端电源系统,设计了包括主、后备电源的整体电路架构。在主电源侧,提出了适用于配电台区场景,基于氮化镓功率器件的功率开关管的额定电压电流的选型方法,基于Cascode级联型氮化镓功率器件的驱动电路设计方法;在后备电源侧,提出了后备电源工作电压、容量设计方法。最后,开发出一款基于上述关键技术的电源系统,并采用电能质量测试仪和数字录波器搭建试验环境,对电源系统进行输出稳定性、能效、主后备电源模块切换特性进行试验。试验结果表明,所设计的电源系统在异常工况下,仍具有电压稳定输出和高转换效率特性,有一定工程实用性。

150亿!捷捷微电8英寸功率器件项目签约

5月16日,捷捷微电8英寸功率半导体器件芯片项目和通富微电先进封装项目签约落户苏锡通科技产业园区。据悉,通富微电与捷捷微电已在园区完成累计总投资近150亿元。