功率半导体器件：封装、测试和可靠性

功率半导体器件是能量变换中最为核心的部件，其封装技术水平决定了整个变换器的性能水平和工作效率，其可靠性水平更是决定了变换器的长期运行稳定性。不同应用场景对功率半导体器件使用寿命要求是不一样的，5年到40年不等，如消费品一般为5年，工业产品一般为10年，汽车一般为20年，电力机车一般为30年，电网现在要求是40年。近年来，随着新能源汽车、新能源发电和储能等行业的迅猛发展，对功率半导体器件的需求和要求提出了更多挑战，尤其是封装和可靠性方面。从整个功率半导体行业链条“芯片—工艺—封装—可靠性—应用”来看，封装和可靠性是与实际应用最接近和结合最紧密的环节，同时，测试又是各个环节都不可或缺的。芯片制造需要测试、封装需要测试、可靠性需要测试，以及实际应用也需要测试来评估器件的状态等，随着用户对器件的理解加深以及要求提升，国内对功率半导体器件封装、测试和可靠性的需求也越来越强烈。国内在功率半导体器件的应用领域已经领先，得益于完善的教育机制和人才培养体系、融洽的产学研氛围，以及最为重要的市场推动，但在器件封装、测试和可靠性领域起步较晚，整个产业还存在很大的缺口，尤其是人才培养方面极缺。
本书是基于当下功率半导体行业迅猛发展对高校学生尤其是研究生以及行业工程师基础理论知识和专业测试技能等需求，并充分结合笔者课题组新研究生入学基础培训大纲的核心内容，以及行业前沿学术研究而编写的。在内容选取和章节编排上坚持理论与实践相结合，一方面考虑了高年级本科生或研究生的科研需求，有一定的基础理论知识；另一方面融合了行业发展的实际需求和工程师实践的复现性和可参考性，以实际案例对测试标准、测试方法和测试结果分析等进行了详细描述。在内容阐述上力求简明扼要和图文并茂，争取把每个知识点讲透，方便读者自学和工程师在实际工作中参考。因此，本书编写的出发点更多的是考虑实践，关于功率半导体芯片的半导体理论知识和工艺过程，可参考国内外其他半导体相关的专业书籍。
本书共分为10章，第1章和第2章为功率半导体器件的基础知识，有助于读者对功率器件有个全面和基础的认识；第3章到第5章为器件的特性测试内容，有助于读者对功率器件的特性进行全面把握，了解器件在实际应用中的特性；第6章到第8章为器件的可靠性测试，分为三大类——环境可靠性、电应力可靠性和功率循环，便于读者在理解器件可靠性，做可靠性测试分析、数据分析和寿命模型时有所参照；第9章讲述的是高压芯片及应用时需要重点关注的问题——宇宙射线失效，对应的是浴盆曲线中间(随机失效部分)，有助于指导器件应用方在高海拔地区的“降额”使用，以保证系统的失效率；第10章是结合前面9章的内容及当前行业发展需求，对功率半导体器件封装、测试和可靠性这三个大的方面进行了展望，预测了未来发展趋势。各章具体内容如下。
第1章功率半导体器件，重点从器件的应用角度出发来探究不同应用领域对功率半导体器件的需求，尤其是封装形式和可靠性的要求，然后针对不同芯片材料给出了现有主流器件(PiN二极管、MOS器件、IGBT器件、SiC MOSFET、GaN HEMT和GaAs二极管)的基本工作原理，最后从半导体芯片设计、工艺、测试角度出发介绍了半导体基本工艺、晶圆级测试和仿真分析技术。
第2章功率器件的封装，重点介绍了现有分立式封装、模块式封装和压接型封装三大类的特点、材料、工艺和设备，然后针对器件的栅极驱动以及数据表进行了深入解读，最后结合功率器件封装设计的需要，对封装的仿真分析技术进行了介绍。
第3章器件特性测试，重点从器件静态参数、动态参数和热学参数三个方面来展示、论述，对测试标准、测试技术、测试设备等进行了分析，并结合各参数的特点分析了测试电路和难点等。
第4章器件结温测试，结温是功率器件封装、测试、可靠性和应用最重要的参数之一，其准确测量一直是行业难题。本章重点从器件结温的定义、测试方法、测试原理，以及存在的难点出发进行了详细论述，同时还展示了器件内部多芯片并联及单芯片表面结温分布的测量技术。
第5章器件极限能力测试，重点对功率器件的短路能力、极限关断能力和浪涌能力的测试标准、测试技术和测试方法等进行了详细论述，探究了器件三种极限能力测试原理和失效机理，并提出了可靠性提升的改进方向。
第6章环境可靠性测试，首先对可靠性测试理论进行了探讨，然后主要分析了机械振动、机械冲击、温度冲击和高低温存储四类不需要施加电应力的可靠性测试技术、原理和失效机理。
第7章电应力可靠性测试，主要考虑环境应力与电应力的耦合，包括高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏的测试原理、方法、失效机理和判定以及可靠性提升技术。进一步地，考虑到有限仿真分析技术的优越性，还介绍了其在上述测试过程中的应用，以协助失效机理研究。
第8章功率循环测试，是评估器件封装可靠性和寿命模型建立最重要的测试，详细论述了现有各个测试标准规定的测试方法和技术，探究了不同测试方法对器件寿命和失效机理的影响。结合材料力学深入探究了功率器件键合线失效、焊料失效、表面铝金属化层等的物理失效机理和提升技术，讨论了器件寿命模型的建立方法和意义并分析了样本选取原则。同时，针对功率循环失效机理分析的有限元仿真技术也进行了详细论述，最后对宽禁带半导体的测试结果和难点进行了分析。
第9章宇宙射线失效，针对宇宙射线的来源、失效形式和机理进行了详细论述，核心考虑器件工作电压、海拔高度和工作结温对器件失效的影响，建立了失效率模型，并深入探究了Si MOSFET、SiC MOSFET和IGBT的失效特点，最后提出了抗宇宙射线提升技术。
第10章未来发展趋势，结合未来功率器件的应用需求，重点分析了器件在封装、测试和可靠性三个方面的挑战和发展趋势。
本书在编写过程中得到团队博士研究生王延浩、谢露红、潘茂杨、严雨行、孙鸿禹、孟鹤立、张一鸣以及硕士研究生钟岩、刘鹏、吴立信、张莹、王作艺和汪霞等的大力支持，对他们的付出表示感谢！同时，驱动技术和短路测试部分得到德国开姆尼茨工业大学刘星博士的意见和建议，在此表示感谢！
由于编者水平所限，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

邓二平
合肥工业大学

本书讲述了功率半导体器件的基本原理，涵盖Si器件、SiC器件，GaN器件以及GaAs器件等；综合分析和呈现了不同类型器件的封装形式、工艺流程、材料参数、器件特性和技术难点等；将功率器件测试分为特性测试、极限能力测试、高温可靠性测试、电应力可靠性测试和寿命测试等，并详细介绍了测试标准、方法和原理，同步分析了测试设备和数据等；重点从测试标准、方法、理论和实际应用各方面，详细介绍了高温可靠性测试和封装可靠性测试及其难点。本书结合企业实际需求，贴近工业实践，知识内容新颖，可为工业界以及高校提供前沿数据，为高校培养专业人才奠定基础。
本书可作为功率半导体领域研究人员、企业技术人员的参考书，也可作为电力电子、微电子等相关专业高年级本科生和研究生教材。

第1章功率半导体器件 1
1.1器件的应用和发展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氮化镓材料7
1.2.4砷化镓材料8
1.2.5其他半导体材料8
1.3功率半导体器件分类10
1.4器件工作原理11
1.4.1PiN二极管11
1.4.2MOS器件15
1.4.3IGBT器件23
1.4.4GaN器件26
1.4.5GaAs二极管31
1.5半导体仿真分析32
1.5.1TCAD仿真概述33
1.5.2仿真结构33
1.5.3物理模型34
1.5.4准静态扫描35
1.5.5瞬态扫描36
1.6晶圆级测试38
1.7小结41
参考文献42

第2章功率器件的封装 43
2.1封装的目的和意义43
2.2分立式封装44
2.2.1分立式封装的特点44
2.2.2分立式封装的材料45
2.2.3分立式封装的工艺47
2.2.4分立式封装的设备50
2.3模块式封装52
2.3.1模块式封装的特点52
2.3.2模块式封装的材料54
2.3.3模块式封装的工艺56
2.3.4模块式封装的设备57
2.4压接型封装58
2.4.1压接型封装的特点58
2.4.2压接型封装的材料62
2.4.3压接型封装的工艺64
2.4.4压接型封装的设备65
2.5器件数据表的解读67
2.5.1稳态额定值67
2.5.2静态参数69
2.5.3动态参数70
2.5.4热学参数解读71
2.5.5极限能力参数解读72
2.6栅极驱动技术73
2.6.1栅极驱动的必要性及难点73
2.6.2栅极驱动的保护功能79
2.7器件封装的仿真分析82
2.7.1电流均衡仿真技术83
2.7.2结温及分布仿真技术87
2.7.3热应力仿真技术88
2.8小结90
参考文献90

第3章器件特性测试 92
3.1器件静态参数测试92
3.1.1测试标准分析92
3.1.2测试技术和设备93
3.1.3正向压降测试94
3.1.4栅极漏电流测试95
3.1.5集射极阻断特性测试95
3.1.6阈值电压测试96
3.2器件动态参数测试97
3.2.1测试标准分析97
3.2.2测试技术和设备97
3.2.3测试参数分析98
3.2.4测试难点分析103
3.3器件热学参数测试104
3.3.1热阻的定义104
3.3.2热阻测试标准和方法107
3.3.3热电偶法112
3.3.4瞬态双界面法121
3.3.5结构函数法123
3.4小结127
参考文献127

第4章器件结温测量 128
4.1结温的定义128
4.2结温测量方法129
4.2.1物理接触法129
4.2.2光学测量法130
4.2.3温敏电参数法131
4.2.4其他方法132
4.3基于通态特性的测试方法134
4.3.1大电流饱和压降法134
4.3.2小电流饱和压降法138
4.3.3阈值电压法139
4.4基于动态特性的测试方法141
4.4.1时间测量141
4.4.2斜率测量141
4.5基于封装特性的测试方法142
4.5.1寄生电感142
4.5.2栅极内部电阻142
4.6结温分布测量143
4.6.1多芯片并联结温分布143
4.6.2单芯片温度分布146
4.7小结149
参考文献149

第5章器件极限能力测试 151
5.1极限能力的定义151
5.1.1反偏安全工作区（RBSOA）153
5.1.2短路安全工作区（SCSOA）154
5.1.3正偏安全工作区（FBSOA）156
5.2短路能力测试158
5.2.1短路测试标准158
5.2.2短路特性介绍160
5.2.3短路测试原理162
5.2.4短路测试设备167
5.2.5短路保护技术170
5.2.6短路对封装的影响172
5.2.7短路能力提升技术174
5.3极限关断能力测试175
5.3.1极限关断能力的定义175
5.3.2极限关断能力表征177
5.3.3IGBT极限关断能力提升179
5.4浪涌能力测试180
5.4.1浪涌能力测试标准181
5.4.2浪涌能力测试技术和设备181
5.4.3外置反并联二极管浪涌能力184
5.4.4SiC MOSFET体二极管浪涌能力191
5.4.5浪涌能力提升技术193
5.5小结195
参考文献196

第6章环境可靠性测试 197
6.1可靠性测试理论197
6.2环境可靠性测试分类201
6.3机械振动202
6.3.1测试技术202
6.3.2测试设备203
6.3.3失效机理205
6.4机械冲击205
6.4.1测试技术205
6.4.2测试设备206
6.4.3失效机理206
6.5温度冲击207
6.5.1测试技术207
6.5.2测试设备208
6.5.3失效机理209
6.6高低温存储210
6.6.1测试技术210
6.6.2测试设备210
6.6.3失效机理211
6.7小结212
参考文献213

第7章电应力可靠性测试 214
7.1寿命可靠性测试分类214
7.2测试技术和设备215
7.3高温栅偏测试216
7.3.1测试原理和方法216
7.3.2失效机理和判定218
7.3.3可靠性提升技术222
7.4高温反偏测试223
7.4.1测试原理和方法223
7.4.2失效机理和判定225
7.4.3可靠性提升技术231
7.5高温高湿反偏测试233
7.5.1测试原理和方法233
7.5.2失效机理和判定236
7.5.3可靠性提升技术240
7.6仿真分析技术242
7.6.1环境温度的仿真243
7.6.2偏置电压的仿真243
7.6.3环境湿度的仿真244
7.7未来发展方向249
参考文献249

第8章功率循环测试 252
8.1测试标准和技术252
8.1.1IEC标准252
8.1.2MIL标准254
8.1.3JESD标准254
8.1.4AQG 324255
8.2测试方法分类260
8.2.1DC功率循环261
8.2.2带开关损耗的DC功率循环263
8.2.3PWM（AC）功率循环265
8.2.4对比分析270
8.3失效形式和机理分析271
8.3.1键合线失效274
8.3.2焊料失效290
8.3.3表面铝层金属化306
8.3.4其他失效309
8.3.5数值分析312
8.4功率循环测试方法313
8.4.1测试技术313
8.4.2测试方法318
8.4.3测试设备323
8.5寿命模型分析334
8.5.1经验寿命模型334
8.5.2物理寿命模型337
8.5.3关键参数影响机理344
8.5.4寿命预测技术348
8.6数理统计理论351
8.6.1样本选择原则352
8.6.2可靠性数理统计354
8.7有限元仿真技术357
8.7.1仿真模型的校准技术357
8.7.2纯热仿真技术359
8.7.3电热耦合仿真技术361
8.7.4电热力耦合仿真技术363
8.7.5疲劳和寿命仿真技术363
8.8宽禁带器件功率循环测试364
8.8.1SiC MOSFET功率循环测试364
8.8.2GaN HEMT功率循环测试368
8.9小结372
参考文献372

第9章宇宙射线失效 376
9.1宇宙射线失效定义376
9.1.1宇宙射线来源376
9.1.2宇宙射线失效验证377
9.1.3宇宙射线失效形式379
9.2宇宙射线失效机理380
9.2.1宇宙射线失效模型380
9.2.2器件的基本设计规则381
9.2.3失效率模型382
9.3不同器件的失效特点385
9.3.1Si MOSFET385
9.3.2SiC MOSFET388
9.3.3IGBT389
9.4抗宇宙射线提升技术390
9.5小结392
参考文献392

第10章未来发展趋势 394