大功率器件
關注創建者：海ing 創建時間：2018-08-13
大功率器件的視頻教程
半導體器件的功率循環及熱可靠性測試
本視頻介紹了半導體器件的功率循環及熱可靠性測試流程。 第一步：將待測器件與POWERTESTER連接，輸入相關參數，校準K系數（溫度敏感因子） 第二步：通過測試平臺內置的觸摸屏電腦，設置待測器件的循環策略，啟動設備，進行全自動熱瞬態及功率循環測試 第三步：數據分析（支持數據導出，進行結構函數分析、生成熱模型等）
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多導體系統及功率器件寄生參數計算與電路分析應用
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大功率器件的實例教程
功率器件的散熱計算及散熱器選擇
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目前的電子產品主要采用貼片式封裝器件，但大功率器件及一些功率模塊仍然有不少用穿孔式封 裝，這主要是可方便地安裝在散熱器上，便于散熱。進行大功率器件及功率模塊的散熱計算，其目的是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器，以保證器件或模塊安全、可靠地工作。
散熱計算
任何器件在工作時都有一定的損耗，大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小，無需散熱裝置。而大功率器件損耗大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達到或超過允許的結溫，器件將受到損壞。因此必須加散熱裝置，最常用的就是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風扇，以一定的風速加強冷卻散熱。在某些大型設備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。 散熱計算就是在一定的工作條件下，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。功率器件安裝在散熱器上。它的主要熱流方向是由管芯傳到器件的底部，經散熱器將熱量散到周圍空間。若沒有風扇以一定風速冷卻，這稱為自然冷卻或自然對流散熱。
熱量在傳遞過程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為R JC，器件底部與散熱器之間的熱阻為R CS，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為R SA，總的熱阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率損耗為PD，并已知器件允許的結溫為TJ、環境溫度為TA，可以按下式求出允許的總熱阻R JA。
展開 為此，美國能源局制定了2020 年HEV 的發展目標：電力電子設備的功率密度超過14.1kW/kg，體積小于13.4kW/L，效率超過98%，價格低于3.3/kW。
這個發展目標對電力電子器件和拓撲性能、控制策略、系統集成以及封裝都提出了新的要求和挑戰。
SiC 功率半導體器件具有Si基器件無可比擬的電氣性能：
1 ） 耐壓高。
臨界擊穿電場高達2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10 倍于Si)。
2）散熱容易。
由于SiC 材料的熱導率較高(3倍于Si)，散熱更容易，器件可工作在更高的環境溫度下。有報導，SiC 肖特基二極管在361℃的工作結溫下正常工作超過1 小時。
SiC 可顯著減小散熱器的體積和成本。理論上，SiC 功率器件可在175℃結溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。
▲采用 Si 和SiC SBDs 的散熱對比
上圖為采用SiC SBDs的小功率EV 車載逆變器散熱片體積和采用傳統Si基半導體器件散熱片體積的對比，可看出，采用SiCSBDs 器件散熱片的體積大大減小。
對于主流的大功率HEV，一般包含兩套水冷系統，一套是引擎冷卻系統，冷卻溫度約105℃，另一套是電力電子設備的冷卻系統，冷卻溫度約為70℃。
如果采用SiC 功率器件，由于其具有3 倍于Si 的導熱能力，可以使器件工作于較高的環境溫度中。
長期以來，HEV 設計者一直希望將兩套水冷系統合二為一，其直接效益是大大降低了HEV 驅動系統的成本。
此外，SiC 功率器件的高導熱性也使風冷在未來的中、大功率電動汽車中成為可能。
3）導通損耗和開關損耗低。
展開 來源：
電子器件封裝及熱管理專刊
作者：
劉佳欣、
牟運、
彭洋、
陳明祥
摘要：為了解決大功率發光二極管(LED)散熱效率低、可靠性差等問題，提出將無壓燒結納米銀膏作為芯片固晶材料，應用于大功率發光二極管封裝．對納米銀膏的熱學行為及燒結后的晶體結構進行了表征，分析了燒結溫度對電阻率和孔隙率的影響．利用納米銀膏封裝大功率發光二極管，分析了不同固晶溫度下發光二極管器件熱阻及其結溫變化，并與傳統錫膏材料進行了對比．結果表明：隨著固晶溫度升高，納米銀膏的導電性和導熱性逐漸提高．納米銀膏在 200℃ 燒結后的電阻率為 6.49 μΩ
·
cm，界面孔隙率為11.5%，封裝后的大功率發光二極管樣品固晶層熱阻為7.45 K/W，比采用 SAC305和Sn42Bi58 焊膏封裝的發光二極管樣品固晶層熱阻分別降低 15.4%和 28.9%，芯片結溫則分別降低 2.9%和 21.2%．此外，實驗還測試了三種發光二極管封裝樣品的出光功率和工作溫度，結果表明納米銀膏作為芯片固晶材料可為大功率發光二極管提供良好的散熱通道，降低芯片結溫并提高器件可靠性．
關鍵詞：大功率發光二極管(LED); 納米銀膏; 固晶; 熱阻; 散熱
發光二極管(LED)因其具有發光效率高、壽命長、結構緊湊、節能環保等優點，在室內照明、戶外照明、汽車大燈和背光顯示等領域得到了迅速發展和廣泛應用，并被認為是一種新型的固態光
源
．
展開 功率器件正呈現出高頻、高壓、高功率以及高溫的發展特點。
同時這些特征也對功率器件封裝提出了巨大挑戰，需要考慮到封裝結構、封裝材料和封裝工藝的可行性和適配性，這些涉及到器件的封裝電感、芯片散熱和電氣絕緣等問題，倘若這些不能夠很好的得到解決，就會對器件的熱學、電學、機械性能和可靠性產生極大的影響，甚至導致器件的失效。
尤其是在目前功率器件高電壓、大電流和封裝體積緊湊化的發展背景下，封裝器件的散熱問題已變得尤為突出且更具挑戰性。芯片產生的熱量會影響載流子遷移率而降低器件性能。
此外，高溫也會增加封裝不同材料間因熱膨脹系數不匹配造成的熱應力，這將會嚴重降低器件的可靠性及工作壽命。結溫過高將導致器件發生災難性故障及封裝材料因熱疲勞和高溫加速導致材料退化而造成的故障問題。
因此，在非常有限的封裝空間內，及時高效的把芯片的耗散熱排放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的溫度，已成為未來功率器件封裝設計過程中需要考慮的重要課題。
伴隨著電網規模越來越大，電壓等級越來越高，電力系統朝著更加智能化方向發展，高壓、大功率和高開關速度要求功率器件承擔的功能也更加多樣化，工作環境更加惡劣，在此背景下，除芯片自身需具有較高的處理能力外，器件封裝結構已成為限制器件整體性能的關鍵。
而傳統的封裝或受到材料性能的限制或因其自身結構設計不能適應高壓大電流高開關速度應用所帶來的高溫和高散熱要求。
展開 混合SiC功率模塊與同等額定電流的SiIGBT模塊產品相比，可顯著提高工作頻率，大幅度降低開關損耗。
全SiC功率模塊是在優化工藝條件及器件結構，改善了晶體質量后才實現了SiCSBD與SiCMOSFET一體化封裝，解決了高壓級別SiIGBT模塊功率轉換損耗較大的問題，可在高頻范圍中實現外圍部件小型化，但成本較高。
封裝技術
封裝過程中需要涉及的電、熱和熱機械問題，取決于器件的電壓等級和電流水平，傳統的功率封裝方法是實現SiC功率器件性能優勢的限制因素。SiC功率器件的封裝材料應滿足以下要求：
(1)具有良好的導熱性；
(2)具有優良的絕緣特性；
(3)熱膨脹系數小，與SiC半導體材料的熱膨脹系數相匹配；
(4)耐高溫，在空氣氛圍300℃以上高溫環境中保持穩定。
隨著SiC功率器件產業鏈中各項技術的進一步完善，未來各種SiC功率器件會在成品率、可靠性和成本方面取得很大改善，從而進入全面推廣應用的階段，將引發電力電子技術的新革命。
參考來源：
[1]閆美存.碳化硅功率器件的關鍵技術及標準化研究
[2]葛海波等.碳化硅功率器件的關鍵技術及標準化研究
文稿來源：中國粉體網
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概述：
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電氣特征：
主要特點：
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01 大功率無線快充的工業需求
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來源 | Advanced Functional Materials
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背景介紹
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