功率管

近日，市场监管总局批准建立太赫兹辐射功率基准装置，填补了我国太赫兹辐射功率量值传递与溯源能力空白，为太赫兹辐射功率量值准确获取和应用提供技术支撑。 太赫兹是位于微波和红外之间的电磁辐射，频率范围从0.1THz到10THz，对应波长从3mm到30μm。太赫兹具有强穿透力，能穿透塑料、织物、纸张、木箱等探测内部情况，且对人体无电离辐射损伤。太赫兹承载丰富的频谱信息，许多生物分子、蛋白质、食品、药品的特征光谱都落在太赫兹波段。太赫兹作为一种全新的技术手段，在人体安检、无损检测、高速通信、生物医学等领域都具有重要应用。例如，太赫兹用于人体安检时，辐射功率过低无法获取清晰的成像，辐射功率过高则会引起人员的不适；太赫兹用于高速通信时，辐射功率过低导致信息传不远，辐射功率过高则会引起饱和失真。 新建的太赫兹辐射功率基准装置，通过自主研制高吸收率太赫兹吸收材料和宽频段太赫兹绝对辐射计，实现了太赫兹辐射功率的精准复现，解决了太赫兹辐射功率长期无法溯源的难题，为太赫兹人体安检仪辐射功率精准控制、太赫兹无损检测探测器准确标定、新一代高速通信系统源和探测器性能测试提供了量值溯源的源头，也为太赫兹超导探测器天文观测、太赫兹气象卫星遥测预警、太赫兹高速电子器件研制等提供准确可靠的计量支撑。

无锡市金义博仪器科技有限公司研究开发项目TY-9920型ICP光谱仪经过2011年将近一年的研究开发，项目研究开发进展顺利，按照预期计划完成，在关键技术要求方面有新的突破，并取得了显著的研究开发成果。 TY-9920型ICP光谱仪于二〇一一年十二月获得江苏省高新技术产品认证证书；TY-9920型ICP光谱仪作为电感耦合等离子体发射光谱仪样品，按出厂试验项目进行检测，符合Q/320206NQGR05-2011《TY-99系列电感耦合等离子体发射光谱仪》规定的部分项目的技术要求，通过并拥有无锡市计量测试中心检测报告；TY-9920型ICP光谱仪通过了教育部科技查新工作站（Z13）的科技查新并出具了科技查新报告；与此同时，TY-99系列电感耦合等离子体发射光谱仪拥有自己的企业标准。 科学技术要点： 该产品广泛应用于稀土分析、贵金属分析、合金材料、医药卫生、冶金、地质、石油、化工、商检、环保等部门，从超微量到常量的定性或定量分析。 它是集光、机、电、计算机、分析技术于一体的高新技术产品，具有测试速度快、测量范围宽、分析结果准确可靠等特点。射频发生器采用电容三点式自激振荡电路，震荡功率管为陶瓷电子管，输出功率效率高稳定性好；高分辨率高灵敏度分光装置为水平非对称式光路设计，缩小了分光器主体的宽度，减少杂散光的干扰。采用长焦距、大面积光栅，增大分光器的相对孔径，提高了灵敏度。光栅驱动装置采用性能可靠外国进口步进电机、精密机械传动装置，使其系统传动的稳定性、重复性好。小模数的蜗轮蜗杆直接驱动光栅转动，保证转动精度高，积累误差小。同时采用分光器恒温装置：32℃± 1℃，使之稳定性都达到最佳状态；精密的控制电路及电子测量系统：通讯接口系统、光电倍增管高压电源与控制、步进电机控制及信号采集四项功能。采用新型高灵敏度、宽强度范围光电倍增管、光电转换器件。信号采集为V/F转换，使之测量样品含量范围宽、灵敏度高、稳定性好。

近日，苏州市科学技术局公示2021年度苏州市重点产业技术创新拟立项项目，公示期为2021年11月1日至11月7日，为期7天。据了解，苏州科学技术局此次共公示177个项目，包括前瞻性应用基础研究拟立项项目及关键核心技术研发拟立项项目两大类，其中有不少关于半导体领域的项目。在前瞻性应用基础研究拟立项项目名单中，涉及第三代半导体领域的项目包括用于MOCVD外延的氮化铝陶瓷复合衬底制备工艺的研发、基于第三代半导体材料的芯片封装集成散热技术研发、高可靠性高功率硅基氮化镓MIS-HEMTs功率器件研发项目等。而在关键核心技术研发拟立项项目公示名单中，涉及第三代半导体领域的包括新型显示Micro-LED外延与芯片关键核心技术研究、第三代超级结功率器件研发、高精度高可靠动力电池功率管理系统（BMS）模拟芯片研发、半绝缘氮化镓单晶衬底产业化关键技术开发与应用、M12（210mm尺寸）单晶大硅片研究与开发、第三代半导体晶圆高端制程胶带的研发、面向12英寸晶圆制造的半导体级超净高纯异丙醇的研发、应用于5G移动通信等射频器件的碳化硅衬底氮化镓外延材料的研发项目等。

近日，国家科技部发布了国家重点研发计划重点专项立项结果，中国电科牵头承担的12个项目入选。电科芯片的“抗辐照硅单光子探测器面阵项目”和“飞机故障预测与健康管理成套传感器及应用项目”入选，将分别为我国航天遥感、激光雷达研究提供持续的技术支撑和示范，提高我国航空领域MEMS传感器的源头创新和集成创新能力。电科思仪共有5个项目入选，其中，“光电集成电路及器件参数综合测试仪项目”用于超高速光电集成芯片及器件的光电网络参数测试，“高分辨率电源测量模块研制及应用开发项目”用于开发高性能伏安特性测试核心部件，“多通道混合信号示波器项目”将研制具有自主知识产权的高性能混合信号示波器产品，“天线环境效应多参数综合测试仪项目”聚焦开发温湿度环境精确可控、方向性与无线空口参数综合测试能力强的仪器产品，“高性能物联网综合测试仪项目”将开发高精密宽带物联测试仪表，构建多标准物联测试仪表产业链。2所的“超薄界面异质异构晶圆键合关键技术与装备项目”，针对通信、新能源等领域对新一代半导体器件迫切需求进行技术攻关，将为我国半导体装备领域的快速发展提供有力支撑。15所的“网络开源多模态科技情报智能分析项目”将提供公益化科技情报信息查询等服务，提升开源科技情报获取和分析能力。33所的“战略性科技创新合作项目”是山西省首个以“一带一路”联合实验室平台为依托的战略性科技创新项目，助力“一带一路”高质量发展。48所的“大尺寸超高真空分子束外延技术与装备项目”，将奋力突破一批关键核心技术与工艺难题，为实现我国MBE技术和装备的跨越式发展提供有力支撑。55所的“宽带射频功率放大器项目”将基于第三代半导体氮化镓开展超宽带射频功率管的设计与制造研究，为提升我国科学仪器自主创新能力和装备水平提供强力支撑。国家重点研发计划针对事关国计民生的重大社会公益性研究，以及事关产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家安全的重大科学技术问题，突破国民经济和社会发展主要领域的技术瓶颈，项目定位高、技术难度大、竞争激烈。中国电科牵头承担多个国家重点研发计划项目，充分展示了作为“军工电子主力军、网信事业国家队、国家战略科技力量”的实力担当。

p　strong　仪器信息网讯 /strong2018年8月8日，由中国仪器仪表学会分析仪器分会、长三角科学仪器产业技术创新战略联盟主办的“第五届中国分析仪器学术年会”(ACAIC 2018)在苏州召开。主办方于当晚颁发2018年“朱良漪分析仪器创新奖”， 钢研纳克检测技术有限公司(简称：钢研纳克)NX-100F系列食品重金属检测仪荣获“创新成果奖”。仪器信息网编辑于次日采访了钢研纳克检测技术有限公司倪子月，对获奖成果的创新性及产业化情况做介绍。/pp　　“朱良漪分析仪器创新成果奖”评审组认为：NX-100F系列食品重金属检测仪首次提出采用能量色散XRF测定粮食中的重金属元素，通过高压大功率管，大面积厚晶体探测器及特殊算法，实现了低含量重金属测定 在粮食应用领域，解决了探测器灵敏度的问题，使得设备能够应用到粮食安全监测领域，解决了食品中重金属的快速测定问题，具有很好的市场前景 有较强的创新性，产生了较好的经济效益和社会效益。/pp　　倪子月介绍，NX-100F系列食品重金属检测仪当前已广泛应用在粮食局下属的粮油质检部门、中储粮、粮食制造企业以及与粮食相关的酿造企业。截至目前已售出超千台产品，带来过亿销售额，为粮食质量安全保驾护航。/pp　　更多内容，敬请点击视频查看：/pscript src="https://p.bokecc.com/player?vid=FD08EA500AA1024A9C33DC5901307461&siteid=D9180EE599D5BD46&autoStart=false&width=600&height=490&playerid=2BE2CA2D6C183770&playertype=1" type="text/javascript"/scriptpbr//p

3月13日，湖北省计量测试技术研究院(以下简称湖北省计量院)收到2022年通信用光功率计功率示值能力验证结果通知单，其1310nm光功率En值为0.25，1550nm光功率En值为0.25，结果为满意。 　　此次能力验证由中国泰尔实验室组织开展。该项能力验证已通过中国合格评定国家认可委员会 CNAS 认可，证书号:CNAS PT0090。 　　通信用光功率计是通信干线铺设、设备维护、科研和生产中使用的重要仪器，主要用于测量光源的输出功率及功率稳定度，光传输线路中的传输功率，光接收端机的灵敏度、过载点，各种无源器件的插入损耗和衰减量。 　　在新一代光纤接入网、传送网以及移动信号网络中，光纤作为最重要的基础设施，对光功率示值检测能力的要求进一步提高。此次能力验证有利于提高各实验室的相关领域计量技术能力，确保光功率计设备的量值统一、准确和可靠，对新一代光纤通信网络系统发展具有重要的推动作用。 　　通过此次能力验证，湖北省计量院通信用光功率计功率示值校准工作的可靠性和准确性得到了充分验证，实验室计量校准技术和管理水平也得到了锻炼和提升。 　　湖北省计量院表示，将继续围绕“新一代信息技术”等战略性新兴产业集群和高技术领域的关键计量技术攻关需求，积极构建服务高质量发展的量值传递溯源体系和产业计量服务体系；在重大关键技术突破、产品中试、产业化应用等过程中发挥更大作用，持续推动区域、行业创新能力水平的整体跃升，助力推动光电子信息产业、新能源与智能网联汽车产业、北斗产业等湖北重点发展的战略性产业更高质量发展。 　　湖北省计量测试技术研究院是中共中央批准设立的国家级法定计量检定机构——中南国家计量测试中心的技术实体，是由湖北省人民政府依法设置、直属湖北省市场监督管理局领导的全省最高等级法定计量机构,也是具有第三方公正地位的社会公益型科研事业单位。

经过多年的研发，几家供应商正在接近出货基于下一代宽带隙技术的功率半导体和其他产品。这些器件利用了新材料的特性，例如氮化铝、金刚石和氧化镓，它们还用于不同的结构，例如垂直氮化镓功率器件。但是，尽管其中许多技术拥有超过当今功率半导体器件的特性，但它们在从实验室转移到晶圆厂的过程中也将面临挑战。功率半导体通常是专用晶体管，在汽车、电源、太阳能和火车等高压应用中用作开关。这些设备允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。它们提高了效率并最大限度地减少了系统中的能量损失。多年来，功率半导体市场一直由使用传统硅材料的器件主导。硅基功率器件成熟且价格低廉，但它们也达到了理论极限。这就是为什么人们对使用宽带隙材料的设备产生浓厚兴趣的原因，这种材料可以超越当今硅基设备的性能。多年来，供应商一直在出货基于两种宽带隙技术——氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) 的功率半导体器件。使用 GaN 和 SiC 材料的功率器件比硅基器件更快、更高效。几家供应商一直在使用下一代宽带隙技术开发设备。这些材料，例如氮化铝、金刚石和氧化镓，都具有比 GaN 和 SiC 更大的带隙能量，这意味着它们可以在系统中承受更高的电压。今天，一些供应商正在运送使用氮化铝的专用 LED。其他人计划在 2022 年推出第一波围绕新材料制造的功率器件，但也存在一些挑战。所有这些技术都有各种缺点和制造问题。即使它们投入生产，这些设备也不会取代今天的功率半导体，无论是硅、GaN 还是 SiC。“它们提供了令人难以置信的高性能，但在晶圆尺寸方面非常有限，” Lam Research战略营销董事总经理 David Haynes 说。“它们在很大程度上更具学术性而不是商业利益，但随着技术的进步，这种情况正在发生变化。但基板尺寸小且与主流半导体制造技术缺乏兼容性意味着它们可能只会用于极高性能设备的小批量生产，尤其是智能电网基础设施、可再生能源和铁路等要求严苛的应用。”尽管如此，这里还是有一波活动，包括：NexGen、Odyssey Semiconductor 和其他公司正在准备第一个垂直 GaN 器件。Novel Crystal Technology (NCT) 将推出使用氧化镓的功率器件。Kyma 和 NCT 正在这里开发子状态。基于金刚石和氮化铝的产品正在发货。什么是功率半导体？功率半导体在电力电子设备中用于控制和转换系统中的电力。它们几乎可以在每个系统中找到，例如汽车、手机、电源、太阳能逆变器、火车、风力涡轮机等。功率半导体有多种类型，每一种都用带有“V”或电压的数字表示。“V”是器件中允许的最大工作电压。当今的功率半导体市场由基于硅的器件主导，其中包括功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率 MOSFET 用于低压、10 至 500 伏的应用，例如适配器和电源。超结功率 MOSFET 用于 500 至 900 伏应用。同时，领先的中端功率半导体器件 IGBT 用于 1.2 千伏至 6.6 千伏应用，尤其是汽车应用。英飞凌销售、营销和分销高级副总裁 Shawn Slusser 表示：“IGBT 功率模型基本上正在取代汽车中的燃油喷射器。“它们从电池向电机供电。”IGBT 和 MOSFET 被广泛使用，但它们也达到了极限。这就是宽带隙技术的用武之地。“带隙是指半导体中价带顶部和导带底部之间的能量差异，”英飞凌表示。“更大的距离允许宽带隙半导体功率器件在更高的电压、温度和频率下运行。”硅基器件的带隙为 1.1 eV。相比之下，SiC 的带隙为 3.2 eV，而 GaN 的带隙为 3.4 eV。与硅相比，这两种材料使设备具有更高的效率和更小的外形尺寸，但它们也更昂贵。每种设备类型都不同。例如，有两种 SiC 器件类型——SiC MOSFET 和二极管。SiC MOSFET 是功率开关晶体管。碳化硅二极管在一个方向传递电流并在相反方向阻止电流。针对 600 伏至 10 千伏应用，碳化硅功率器件采用垂直结构。源极和栅极在器件的顶部，而漏极在底部。当施加正栅极电压时，电流在源极和漏极之间流动。碳化硅在 150 毫米晶圆厂制造。过去几年，碳化硅功率半导体已投入批量生产。Onto Innovation营销总监 Paul Knutrud 表示：“碳化硅具有高击穿场强、热导率和效率，是电动汽车功率转换芯片的理想选择。开发垂直 GaN几家供应商一直在开发基于下一代材料和结构的产品，例如氮化铝、金刚石、氧化镓和垂直 GaN。在多年的研发中，垂直 GaN 器件大有可为。GaN 是一种二元 III-V 族材料，用于生产 LED、功率开关晶体管和射频器件。GaN 的击穿场是硅的 10 倍。“高功率和高开关速度是 GaN 的主要优势，”Onto 的 Knutrud 说。今天的 GaN 功率开关器件在 150 毫米晶圆厂制造，基于高电子迁移率晶体管 (HEMT)。GaN 器件是横向结构。源极、栅极和漏极位于结构的顶部。横向 GaN 器件已投入量产。一些公司正在将 GaN 器件在 200 毫米晶圆厂投入生产。“对于 GaN，它是 GaN-on-silicon 技术在 200mm 和未来甚至 300mm 上改进的性能，这是技术发展的基础，”Lam 的 Haynes 说。今天的 GaN 器件使用硅或 SiC 衬底。衬底顶部是一层薄薄的氮化铝 (AlN)，然后是 AIGaN 缓冲层，然后是 GaN 层。然后，在 GaN 顶部沉积薄的 AlGaN 势垒层，形成应变层。如今，有几家公司参与了 GaN 功率半导体市场。今天的横向 GaN 功率半导体器件在 15 到 900 伏的电压范围内运行，但在这些电压之外运行这些器件存在若干技术挑战。一方面，不同层之间存在不匹配。“这真的只是因为当你在不同的衬底上生长 GaN 时，你最终会因两种晶格之间的不匹配而产生大量缺陷。每平方厘米的许多缺陷会导致过早击穿和可靠性问题，”Odyssey Semiconductor 的 CTO Rick Brown 说。解决这些问题的工作正在进行中，但横向 GaN 目前停留在 1,000 伏以下。这就是垂直 GaN 适合的地方。它承诺在 1,200 伏及以上电压下运行。与其他功率半导体器件一样，垂直 GaN 器件在器件顶部有一个源极和栅极，底部有一个漏极。此外，垂直 GaN 器件使用块状 GaN 衬底或 GaN-on-GaN。据 Odyssey 称，GaN 衬底允许垂直传导的 GaN 晶体管具有更少的缺陷。“如果你看硅基高压器件和碳化硅高压器件，它们都是垂直拓扑。出于多种原因，它是高压设备的首选拓扑。它占用的面积更小，从而降低了电容，并且将高压端子置于晶圆的另一侧而不是栅极端子具有固有的安全因素，”Brown说。目前，Kyma、NexGen、Odyssey、Sandia 和其他公司正在研究垂直 GaN 器件。Kyma 和 Odyssey 正在增加 100 毫米（4 英寸）体 GaN 衬底。“垂直 GaN 正在出现，我们正在向研究人员和实验室出售产品，”Kyma 的首席技术官 Jacob Leach 说。“该行业在制作外延片方面遇到了一些挑战。我们有不同的技术。我们能够以低廉的成本制造垂直 GaN 所需的薄膜。”GaN衬底已准备就绪，但垂直GaN器件本身很难开发。例如，制造这些器件需要一个离子注入步骤，在器件中注入掺杂剂。“人们没有对 GaN 使用垂直导电拓扑的唯一原因是没有一种很好的方法来进行杂质掺杂。Odyssey已经找到了解决办法，”该公司的Brown说。Odyssey 正在其自己的 4 英寸晶圆厂中开发垂直 GaN 功率开关器件。计划是在 2022 年初发货。其他人的目标是在同一时期。“我们有垂直导电的 GaN 器件。我们已经证明了 pn 结，”Odyssey 首席执行官 Alex Behfar 说。“我们的第一个产品是 1,200 伏，可能是 1,200 到 1,500 伏。但是我们的路线图将我们一直带到 10,000 伏。由于电容和其他一些问题，我们希望在碳化硅无法访问的频率和电压范围内做出贡献。近期，我们希望能够为工业电机和太阳能提供设备。我们希望给电动汽车制造商机会，进一步提高车辆的续航里程。那是通过减轻系统的重量并拥有性能更好的设备。从长远来看，我们希望实现移动充电等功能。”如果或当垂直 GaN 器件兴起时，这些产品不会取代今天的横向 GaN 或 SiC 功率半导体，也不会取代硅基功率器件。但如果该技术能够克服一些挑战，垂直 GaN 器件将占有一席之地。联电技术开发高级总监 Seanchy Chiu 表示：“Bulk GaN 衬底上的 GaN 垂直器件为可能的下一代电力电子设备带来了一些兴奋，但还有一些关键问题需要解决。” “基于物理学，垂直功率器件总能比横向器件驱动更高的功率输出。但是 GaN 体衬底仍然很昂贵，而且晶圆尺寸仅限于 4 英寸。纯代工厂正在使用 6 英寸和 8 英寸工艺制造具有竞争力的功率器件。由于其垂直载流子传输，需要控制衬底晶体的质量并尽量减少缺陷。”还有其他问题。“GaN衬底比SiC衬底更昂贵，GaN中垂直方向的电子传导仅与SiC大致相同，”横向GaN功率半导体供应商EPC的首席执行官Alex Lidow说。“与 SiC 相比，GaN 中的电子横向迁移率高 3 倍，但垂直方向的迁移率相同。此外，碳化硅的热传导效率高出三倍。这对垂直 GaN 器件几乎没有动力。”氧化镓半导体同时，几家公司、政府机构、研发组织和大学正在研究β-氧化镓 (β-Ga2O3)，这是一种有前途的超宽带隙技术，已经研发了好几年。Kyma 表示，氧化镓是一种无机化合物，带隙为 4.8 至 4.9 eV，比硅大 3,000 倍，比碳化硅大 8 倍，比氮化镓大 4 倍。Kyma 表示，氧化镓还具有 8MV/cm 的高击穿场和良好的电子迁移率。氧化镓也有一些缺点。这就是为什么基于氧化镓的设备仍处于研发阶段且尚未商业化的原因。尽管如此，一段时间以来，一些供应商一直在销售基于该技术的晶圆用于研发目的。此外，业界正在研究基于氧化镓的半导体功率器件，例如肖特基势垒二极管和晶体管。其他应用包括深紫外光电探测器。Flosfia、Kyma、Northrop Grumman Synoptics、NCT 和其他公司正在研究氧化镓。美国空军和能源部以及几所大学都在追求它。Kyma 已开发出直径为 1 英寸的氧化镓硅片，而 NCT 则在运送 2 英寸硅片。NCT 最近开发了使用熔体生长方法的 4 英寸氧化镓外延硅片。“氧化镓在过去几年取得了进展，这主要是因为您可以生成高质量的基板。因此，您可以通过标准的直拉法或其他类型的液相生长法来生长氧化镓晶锭，”Kyma 的 Leach 说。这是半导体工业中广泛使用的晶体生长方法。最大的挑战是制造基于该技术的功率器件。“氧化镓的挑战是双重的。首先，我没有看到真正的 p 型掺杂的方法。您可能能够制作 p 型薄膜，但您不会获得任何空穴导电性。因此，制造双极器件是不可能的。您仍然可以制造单极器件。人们正在研究二极管以及氧化镓中的 HEMT 型结构。有反对者说，' 如果你没有 p 型，那就忘记它。这只是意味着它在该领域没有那么多应用，”Leach 说。“第二大是导热性。氧化镓相当低。对于高功率类型的应用程序来说，这可能是一个问题。在转换中，我不知道这是否会成为杀手。人们正在做工程工作，将氧化镓与碳化硅或金刚石结合，以提高热性能。”尽管如此，该行业仍在研究设备。“第一个采用氧化镓的功率器件将是肖特基势垒二极管 (SBD)。我们正在开发 SBD，目标是在 2022 年开始销售，”NCT 公司官员兼销售高级经理 Takekazu Masui 说。NCT 还在开发基于该技术的高压垂直晶体管。在 NCT 的工艺中，该公司开发了氧化镓衬底。然后，它在硅片上形成薄外延层。该层的厚度范围可以从 5μm 到 10μm。通过采用低施主浓度和40μm厚膜的外延层作为漂移层，NCT实现了4.2 kV的击穿电压。该公司计划到 2025 年生产 600 至 1,200 伏的氧化镓晶体管。NCT 已经克服了氧化镓的一些挑战。“关于导热性，我们已经确认可以通过使元件像其他半导体一样更薄来获得可以投入实际使用的热阻。所以我们认为这不会是一个主要问题，”增井说。“NCT 正在开发两种 p 型方法。一种是制作氧化镓p型，另一种是使用氧化镍和氧化铜等其他氧化物半导体作为p型材料。”展望未来，该公司希望开发使用更大基板的设备以降低成本。减少缺陷是另一个目标。金刚石、氮化铝技术多年来，业界一直在寻找可能是终极功率器件 — 金刚石。金刚石具有宽带隙 (5.5 eV)、高击穿场 (20MV/cm) 和高热导率 (24W/cm.K)。金刚石是碳的亚稳态同素异形体。对于电子应用，该行业使用通过沉积工艺生长的合成钻石。金刚石用于工业应用。在研发领域，公司和大学多年来一直致力于研究金刚石场效应晶体管，但目前尚不清楚它们是否会搬出实验室。AKHAN Semiconductor 已开发出金刚石基板和镀膜玻璃。设备级开发处于研发阶段。“AKHAN 已经实现了 300 毫米金刚石晶圆，以支持更先进的芯片需求，”AKHAN 半导体创始人 Adam Khan 说。“在高功率应用中，金刚石 FET 的性能优于其他宽带隙材料。虽然 AKHAN 的兴奋剂成就是巨大的，但围绕客户期望制造设备需要大量的研发、技术技能和时间。”该技术有多种变化。例如，大阪市立大学已经展示了在金刚石衬底上结合 GaN 的能力，创造了金刚石上的 GaN 半导体技术。氮化铝 (AlN) 也是令人感兴趣的。AlN 是一种化合物半导体，带隙为 6.1 eV。据 AlN 衬底供应商 HexaTech 称，AlN 的场强接近 15MV/cm，是任何已知半导体材料中最高的。Stanley Electric 子公司 HexaTech 业务发展副总裁 Gregory Mills 表示：“AlN 适用于波段边缘低至约 205nm 的极短波长、深紫外光电子设备。“除了金刚石之外，AlN 具有这些材料中最高的热导率，可实现卓越的高功率和高频设备性能。AlN 还具有独特的压电能力，可用于许多传感器和射频应用。”几家供应商可提供直径为 1 英寸和 2 英寸的 AlN 晶片。AlN 已经开始受到关注。Stanley Electric 和其他公司正在使用 AlN 晶片生产紫外线 LED (UV LED)。这些专用 LED 用于消毒和净化应用。据 HexaTech 称，当微生物暴露在 200 纳米到 280 纳米之间的波长下时，UV-C 能量会破坏病原体。“正如我们所说，基于单晶 AlN 衬底的设备正在从研发过渡到商业产品，这取决于应用领域，”米尔斯说。“其中第一个是深紫外光电子学，特别是 UV-C LED，由于它们具有杀菌和灭活病原体（包括 SARS-CoV-2 病毒）的能力，因此需求激增。”多年前，HexaTech 因开发氮化铝功率半导体而获得美国能源部颁发的奖项。这里有几个挑战。首先，基板昂贵。“我不知道氮化铝在这里有多大意义，因为它在 n 型和 p 型掺杂方面都有问题，”Kyma 的 Leach 说。结论尽管如此，基于各种下一代材料和结构的设备正在取得进展。他们有一些令人印象深刻的属性。但他们必须克服许多问题。EPC 的 Lidow 说：“这意味着将需要大量资本投资才能将它们投入批量生产。” “额外的好处和可用市场的规模需要证明大量资本投资的合理性。

1. 研究背景及意义碳化硅(SiC)是一种宽带隙(WBG)的半导体材料，目前已经显示出有能力满足前述领域中不断发展的电力电子的更高性能要求。在过去，硅(Si)一直是最广泛使用的功率开关器件的半导体材料。然而，随着硅基功率器件已经接近其物理极限，进一步提高其性能正成为一个巨大的挑战。我们很难将它的阻断电压和工作温度分别限制在6.5kV和175℃，而且相对于碳化硅器件它的开关速度相对较慢。另一方面，由SiC制成的器件在过去几十年中已经从不成熟的实验室原型发展成为可行的商业产品，并且由于其高击穿电压、高工作电场、高工作温度、高开关频率和低损耗等优势被认为是Si基功率器件的替代品。除了这些性能上的改进，基于SiC器件的电力电子器件有望通过最大限度地减少冷却要求和无源元件要求来实现系统的体积缩小，有助于降低整个系统成本。SiC的这些优点与未来能源转换应用中的电力电子器件的要求和方向非常一致。尽管与硅基器件相比SiC器件的成本较高，但SiC器件能够带来的潜在系统优势足以抵消增加的器件成本。目前SiC器件和模块制造商的市场调查显示SiC器件的优势在最近的商业产品中很明显，例如SiC MOSFETs的导通电阻比Si IGBT的导通电阻小四倍，并且在每三年内呈现出-30%的下降趋势。与硅同类产品相比，SiC器件的开关能量小10-20倍，最大开关频率估计高20倍。由于这些优点，预计到2022年，SiC功率器件的总市场将增长到10亿美元，复合年增长率(CAGR)为28%，预计最大的创收应用是在混合动力和电动汽车、光伏逆变器和工业电机驱动中。然而，从器件的角度来看，挑战和问题仍然存在。随着SiC芯片有效面积的减少，短路耐久时间也趋于减少。这表明在稳定性、可靠性和芯片尺寸之间存在着冲突。而且SiC器件的现场可靠性并没有在各种应用领域得到证明，这些问题直接导致SiC器件在电力电子市场中的应用大打折扣。另一方面，生产高质量、低缺陷和较大的SiC晶圆是SiC器件制造的技术障碍。这种制造上的困难使得SiC MOSFET的每年平均销售价格比Si同类产品高4-5倍。尽管SiC材料的缺陷已经在很大程度上被克服，但制造工艺还需要改进，以使SiC器件的成本更加合理。最近几年大多数SiC器件制造大厂已经开始使用6英寸晶圆进行生产。硅代工公司X-fab已经升级了其制造资源去适应6英寸SiC晶圆，从而为诸如Monolith这类无晶圆厂的公司提供服务。这些积极的操作将导致SiC器件的整体成本降低。图1.1 SiC器件及其封装的发展图1.1展示了SiC功率器件及其封装的发展里程碑。第一个推向市场的SiC器件是英飞凌公司在2001年生产的肖特基二极管。此后，其他公司如Cree和Rohm继续发布各种额定值的SiC二极管。2008年，SemiSouth公司生产了第一个SiC结点栅场效应晶体管（JFET），在那个时间段左右，各公司开始将SiC肖特基二极管裸模集成到基于Si IGBT的功率模块中，生产混合SiC功率模块。从2010年到2011年，Rohm和Cree推出了第一个具有1200V额定值的分立封装的SiC MOSFET。随着SiC功率晶体管的商业化，Vincotech和Microsemi等公司在2011年开始使用SiC JFET和SiC二极管生产全SiC模块。2013年，Cree推出了使用SiC MOSFET和SiC二极管的全SiC模块。此后，其他器件供应商，包括三菱、赛米控、富士和英飞凌，自己也发布了全SiC模块。在大多数情况下，SiC器件最初是作为分立元件推出的，而将这些器件实现为模块封装是在最初发布的几年后开发的。这是因为到目前为止分立封装的制造过程比功率模块封装要简单得多。另一个原因也有可能是因为发布的模块已经通过了广泛的标准JEDEC可靠性测试资格认证，这代表器件可以通过2000万次循环而不发生故障，因此具有严格的功率循环功能。而且分离元件在设计系统时具有灵活性，成本较低，而模块的优势在于性能较高，一旦有了产品就容易集成。虽然SiC半导体技术一直在快速向前发展，但功率模块的封装技术似乎是在依赖过去的惯例，这是一个成熟的标准。然而，它并没有达到充分挖掘新器件的潜力的速度。SiC器件的封装大多是基于陶瓷基底上的线接合方法，这是形成多芯片模块（MCM）互连的标准方法，因为它易于使用且成本相对较低。然而，这种标准的封装方法由于其封装本身的局限性，已经被指出是向更高性能系统发展的技术障碍。首先，封装的电寄生效应太高，以至于在SiC器件的快速开关过程中会产生不必要的损失和噪音。第二，封装的热阻太高，而热容量太低，这限制了封装在稳态和瞬态的散热性能。第三，构成封装的材料和元件通常与高温操作（200℃）不兼容，在升高的操作温度下，热机械可靠性恶化。最后，对于即将到来的高压SiC器件，承受高电场的能力是不够的。这些挑战的细节将在第二节进一步阐述。总之，不是器件本身，而是功率模块的封装是主要的限制因素之一，它阻碍了封装充分发挥SiC元件的优势。因此，应尽最大努力了解未来SiC封装所需的特征，并相应地开发新型封装技术去解决其局限性。随着社会的发展，环保问题与能源问题愈发严重，为了提高电能的转化效率，人们对于用于电力变换和电力控制的功率器件需求强烈[1, 2]。碳化硅（SiC）材料作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大，击穿场强高、电子饱和速度大、热导率高等优点[3]。与传统的Si器件相比，SiC器件的开关能耗要低十多倍[4]，开关频率最高提高20倍[5, 6]。SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。但是由于SiC器件工作频率高，而且结电容较小，栅极电荷低，这就导致器件开关时，电压和电流变化很大，寄生电感就极易产生电压过冲和振荡现象，造成器件电压应力、损耗的增加和电磁干扰问题[7, 8]。还要考虑极端条件下的可靠性问题。为了解决这些问题，除了器件本身加以改进，在封装工艺上也需要满足不同工况的特性要求。起先，电力电子中的SiC器件是作为分立器件生产的，这意味着封装也是分立的。然而SiC器件中电压或电流的限制，通常工作在低功耗水平。当需求功率达到100 kW或更高时，设备往往无法满足功率容量要求[9]。因此，需要在设备中连接和封装多个SiC芯片以解决这些问题，并称为功率模块封装[10, 11]。到目前为止，功率半导体的封装工艺中，铝（Al）引线键合封装方案一直是最优的封装结构[12]。传统封装方案的功率模块采用陶瓷覆铜板，陶瓷覆铜板（Direct Bonding Copper，DBC）是一种具有两层铜的陶瓷基板，其中一层图案化以形成电路[13]。功率半导体器件底部一般直接使用焊料连接到DBC上，顶部则使用铝引线键合。底板（Baseplate）的主要功能是为DBC提供支撑以及提供传导散热的功能，并与外部散热器连接。传统封装提供电气互连（通过Al引线与DBC上部的Cu电路键合）、电绝缘（使用DBC陶瓷基板）、器件保护（通过封装材料）和热管理（通过底部）。这种典型的封装结构用于目前制造的绝大多数电源模块[14]。传统的封装方法已经通过了严格的功率循环测试（2000万次无故障循环），并通过了JEDEC标准认证[15]。传统的封装工艺可以使用现有的设备进行，不需要额外开发投资设备。传统的功率模块封装由七个基本元素组成，即功率半导体芯片、绝缘基板、底板、粘合材料、功率互连、封装剂和塑料外壳，如图1.2所示。模块中的这些元素由不同的材料组成，从绝缘体、导体、半导体到有机物和无机物。由于这些不同的材料牢固地结合在一起，为每个元素选择适当的材料以形成一个坚固的封装是至关重要的。在本节中，将讨论七个基本元素中每个元素的作用和流行的选择以及它们的组装过程。图1.2标准功率模块结构的横截面功率半导体是功率模块中的重要元素，通过执行电气开/关开关将功率从源头转换到负载。标准功率模块中最常用的器件类型是MOSFETs、IGBTs、二极管和晶闸管。绝缘衬底在半导体元件和终端之间提供电气传导，与其他金属部件（如底板和散热器）进行电气隔离，并对元件产生的热量进行散热。直接键合铜（DBC）基材在传统的电源模块中被用作绝缘基材，因为它们具有优良的性能，不仅能满足电气和热的要求，而且还具有机械可靠性。在各种候选材料中，夹在两层铜之间的陶瓷层的流行材料是Al2O3，AlN，Si2N4和BeO。接合材料的主要功能是通过连接每个部件，在半导体、导体导线、端子、基材和电源模块的底板之间提供机械、热和电的联系。由于其与电子组装环境的兼容性，SnPb和SnAgCu作为焊料合金是最常用的芯片和基片连接材料。在选择用于功率模块的焊料合金时，需要注意的重要特征是：与使用温度有关的熔化温度，与功率芯片的金属化、绝缘衬底和底板的兼容性，高机械强度，低弹性模量，高抗蠕变性和高抗疲劳性，高导热性，匹配的热膨胀系数（CTE），成本和环境影响。底板的主要作用是为绝缘基板提供机械支持。它还从绝缘基板上吸收热量并将其传递给冷却系统。高导热性和低CTE（与绝缘基板相匹配）是对底板的重要特性要求。广泛使用的底板材料是Cu，AlSiC，CuMoCu和CuW。导线键合的主要作用是在模块的功率半导体、导体线路和输入/输出终端之间进行电气连接。器件的顶面连接最常用的材料是铝线。对于额定功率较高的功率模块，重铝线键合或带状键合用于连接功率器件的顶面和陶瓷基板的金属化，这样可以降低电阻和增强热能力。封装剂的主要目的是保护半导体设备和电线组装的组件免受恶劣环境条件的影响，如潮湿、化学品和气体。此外，封装剂不仅在电线和元件之间提供电绝缘，以抵御电压水平的提高，而且还可以作为一种热传播媒介。在电源模块中作为封装剂使用的材料有硅凝胶、硅胶、聚腊烯、丙烯酸、聚氨酯和环氧树脂。塑料外壳（包括盖子）可以保护模块免受机械冲击和环境影响。因为即使电源芯片和电线被嵌入到封装材料中，它们仍然可能因处理不当而被打破或损坏。同时外壳还能机械地支撑端子，并在端子之间提供隔离距离。热固性烯烃（DAP）、热固性环氧树脂和含有玻璃填料的热塑性聚酯（PBT）是塑料外壳的最佳选择。传统电源模块的制造过程开始于使用回流炉在准备好的DBC基片上焊接电源芯片。然后，许多这些附有模具的DBC基板也使用回流焊工艺焊接到一个底板上。在同一块底板上，用胶水或螺丝钉把装有端子的塑料外壳连接起来。然后，正如前面所讨论的那样，通过使用铝线进行电线连接，实现电源芯片的顶部、DBC的金属化和端子之间的连接。最后，用分配器将封装材料沉积在元件的顶部，并在高温下固化。前面所描述的结构、材料和一系列工艺被认为是功率模块封装技术的标准，在目前的实践中仍被广泛使用。尽管对新型封装方法的需求一直在持续，但技术变革或采用是渐进的。这种对新技术的缓慢接受可以用以下原因来解释。首先，人们对与新技术的制造有关的可靠性和可重复性与新制造工艺的结合表示担忧，这需要时间来解决。因此，考虑到及时的市场供应，模块制造商选择继续使用成熟的、广为人知的传统功率模块封装技术。第二个原因是传统电源模块的成本效益。由于传统电源模块的制造基础设施与其他电子器件封装环境兼容，因此不需要与开发新材料和设备有关的额外成本，这就大大降低了工艺成本。尽管有这些理由坚持使用标准的封装方法，但随着半导体趋势从硅基器件向碳化硅基器件的转变，它正显示出局限性并面临着根本性的挑战。使用SiC器件的最重要的优势之一是能够在高开关频率下工作。在功率转换器中推动更高的频率背后的主要机制是最大限度地减少整个系统的尺寸，并通过更高的开关频率带来的显著的无源尺寸减少来提高功率密度。然而，由于与高开关频率相关的损耗，大功率电子设备中基于硅的器件的开关频率通常被限制在几千赫兹。图1.3中给出的一个例子显示，随着频率的增加，使用Si-IGBT的功率转换器的效率下降，在20kHz时已经下降到73%。另一方面，在相同的频率下，SiC MOSFET的效率保持高达92%。从这个例子中可以看出，硅基器件在高频运行中显示出局限性，而SiC元件能够在更高频率下运行时处理高能量水平。尽管SiC器件在开关性能上优于Si器件对应产品，但如果要充分利用其快速开关的优势，还需要考虑到一些特殊的因素。快速开关的瞬态效应会导致器件和封装内部的电磁寄生效应，这正成为SiC功率模块作为高性能开关应用的最大障碍。图1.3 Si和SiC转换器在全额定功率和不同开关频率下的效率图1.4给出了一个半桥功率模块的电路原理图，该模块由高低两侧的开关和二极管对组成，如图1.4所示，其中有一组最关键的寄生电感，即主开关回路杂散电感(Lswitch)、栅极回路电感(Lgate)和公共源电感(Lsource)。主开关回路杂散电感同时存在于外部电源电路和内部封装互连中，而外部杂散电感对开关性能的影响可以通过去耦电容来消除。主开关回路杂散电感(Lswitch)是由直流+总线、续流二极管、MOSFET(或IGBT)和直流总线终端之间的等效串联电感构成的。它负责电压过冲，在关断期间由于电流下降而对器件造成严重的压力，负反馈干扰充电和向栅极源放电的电流而造成较慢的di/dt的开关损失，杂散电感和半导体器件的输出电容的共振而造成开关波形的振荡增加，从而导致EMI发射增加。栅极环路电感(Lgate)由栅极电流路径形成，即从驱动板到器件的栅极接触垫，以及器件的源极到驱动板的连接。它通过造成栅极-源极电压积累的延迟而降低了可实现的最大开关频率。它还与器件的栅极-源极电容发生共振，导致栅极信号的震荡。结果就是当我们并联多个功率芯片模块时，如果每个栅极环路的寄生电感不相同或者对称，那么在开关瞬间将产生电流失衡。共源电感(Lsource)来自主开关回路和栅极回路电感之间的耦合。当打开和关闭功率器件时，di/dt和这个电感上的电压在栅极电路中作为额外的（通常是相反的）电压源，导致di/dt的斜率下降，扭曲了栅极信号，并限制了开关速度。此外，共源电感可能会导致错误的触发事件，这可能会通过在错误的时间打开器件而损坏器件。这些寄生电感的影响在快速开关SiC器件中变得更加严重。在SiC器件的开关瞬态过程中会产生非常高的漏极电流斜率di/dt，而前面讨论的寄生电感的电压尖峰和下降也明显大于Si器件的。寄生电感的这些不良影响导致了开关能量损失的增加和可达到的最大开关频率的降低。开关瞬态的问题不仅来自于电流斜率di/dt，也来自于电压斜率dv/dt。这个dv/dt导致位移电流通过封装的寄生电容，也就是芯片和冷却系统之间的电容。图1.5显示了半桥模块和散热器之间存在的寄生电容的简化图。这种不需要的电流会导致对变频器供电的电机的可靠性产生不利影响。例如，汽车应用中由放电加工(EDM)引起的电机轴承缺陷会产生很大的噪声电流。在传统的硅基器件中，由于dv/dt较低，约为3 kV/µs，因此流经寄生电容的电流通常忽略不记。然而，SiC器件的dv/dt比Si器件的dv/dt高一个数量级，最高可达50 kV/µs，使通过封装电容的电流不再可以忽略。对Si和SiC器件产生的电磁干扰(EMI)的比较研究表明，由于SiC器件的快速开关速度，传导和辐射的EMI随着SiC器件的使用而增加。除了通过封装进入冷却系统的电流外，电容寄也会减缓电压瞬变，在开关期间产生过电流尖峰，并通过与寄生电感形成谐振电路而增加EMI发射，这是我们不希望看到的。未来的功率模块封装应考虑到SiC封装中的寄生和高频瞬变所带来的所有复杂问题和挑战。解决这些问题的主要封装级需要做到以下几点。第一，主开关回路的电感需要通过新的互连技术来最小化，以取代冗长的线束，并通过优化布局设计，使功率器件接近。第二，由于制造上的不兼容性和安全问题，栅极驱动电路通常被组装在与功率模块分开的基板上。应通过将栅极驱动电路与功率模块尽可能地接近使栅极环路电感最小化。另外，在平行芯片的情况下，布局应该是对称的，以避免电流不平衡。第三，需要通过将栅极环路电流与主开关环路电流分开来避免共源电感带来的问题。这可以通过提供一个额外的引脚来实现，例如开尔文源连接。第四，应通过减少输出端和接地散热器的电容耦合来减轻寄生电容中流动的电流，比如避免交流电位的金属痕迹的几何重叠。图1.4半桥模块的电路原理图。三个主要的寄生电感表示为Lswitch、Lgate和Lsource。图1.5半桥模块的电路原理图。封装和散热器之间有寄生电容。尽管目前的功率器件具有优良的功率转换效率，但在运行的功率模块中，这些器件产生的热量是不可避免的。功率器件的开关和传导损失在器件周围以及从芯片到冷却剂的整个热路径上产生高度集中的热通量密度。这种热通量导致功率器件的性能下降，以及器件和封装的热诱导可靠性问题。在这个从Si基器件向SiC基器件过渡的时期，功率模块封装面临着前所未有的散热挑战。图1.6根据额定电压和热阻计算出所需的总芯片面积在相同的电压和电流等级下，SiC器件的尺寸可以比Si器件小得多，这为更紧凑的功率模块设计提供了机会。根据芯片的热阻表达式，芯片尺寸的缩小，例如芯片边缘的长度，会导致热阻的二次方增加。这意味着SiC功率器件的模块化封装需要特别注意散热和冷却。图1.6展示了计算出所需的总芯片面积减少，这与芯片到冷却剂的热阻减少有关。换句话说，随着芯片面积的减少，SiC器件所需的热阻需要提高。然而，即使结合最先进的冷却策略，如直接冷却的冷板与针状翅片结构，假设应用一个70kVA的逆变器，基于DBC和线束的标准功率模块封装的单位面积热阻值通常在0.3至0.4 Kcm2/W之间。为了满足研究中预测的未来功率模块的性能和成本目标，该值需要低于0.2 Kcm2/W，这只能通过创新方法实现，比如双面冷却法。同时，小的芯片面积也使其难以放置足够数量的线束，这不仅限制了电流处理能力，也限制了热电容。以前对标准功率模块封装的热改进大多集中在稳态热阻上，这可能不能很好地代表开关功率模块的瞬态热行为。由于预计SiC器件具有快速功率脉冲的极其集中的热通量密度，因此不仅需要降低热阻，还需要改善热容量，以尽量减少这些快速脉冲导致的峰值温度上升。在未来的功率模块封装中，应解决因采用SiC器件而产生的热挑战。以下是未来SiC封装在散热方面应考虑的一些要求。第一，为了降低热阻，需要减少或消除热路中的一些封装层；第二，散热也需要从芯片的顶部完成以使模块的热阻达到极低水平，这可能需要改变互连方法，比如采用更大面积的接头；第三，封装层接口处的先进材料将有助于降低封装的热阻。例如，用于芯片连接和热扩散器的材料可以分别用更高的导热性接头和碳基复合材料代替。第四，喷射撞击、喷雾和微通道等先进的冷却方法可以用来提高散热能力。SiC器件有可能被用于预期温度范围极广的航空航天应用中。例如用于月球或火星任务的电子器件需要分别在-180℃至125℃和-120℃至85℃的广泛环境温度循环中生存。由于这些空间探索中的大多数电子器件都是基于类似地球的环境进行封装的，因此它们被保存在暖箱中，以保持它们在极低温度下的运行。由于SiC器件正在评估这些条件，因此需要开发与这些恶劣环境兼容的封装技术，而无需使用暖箱。与低温有关的最大挑战之一是热循环引起的大的CTE失配对芯片连接界面造成的巨大压力。另外，在室温下具有柔性和顺应性的材料，如硅凝胶，在-180℃时可能变得僵硬，在封装内产生巨大的应力水平。因此，SiC封装在航空应用中的未来方向首先是开发和评估与芯片的CTE密切匹配的基材，以尽量减少应力。其次，另一个方向应该是开发在极低温度下保持可塑性的芯片连接材料。在最近的研究活动中，在-180℃-125℃的极端温度范围内，对分别作为基材和芯片附件的SiN和Indium焊料的性能进行了评估和表征。为进一步推动我国能源战略的实施，提高我国在新能源领域技术、装备的国际竞争力，实现高可靠性碳化硅 MOSFET 器件中试生产技术研究，研制出满足移动储能变流器应用的多芯片并联大功率MOSFET 器件。本研究将通过寄生参数提取、建模、仿真及测试方式研究 DBC 布局、多栅极电阻等方式对芯片寄生电感与均流特性的影响，进一步提高我国碳化硅器件封装及测试能力。2. SiC MOSFET功率模块设计技术2.1 模块设计技术介绍在MOSFET模块设计中引入软件仿真环节，利用三维电磁仿真软件、三维温度场仿真软件、三维应力场仿真软件、寄生参数提取软件和变流系统仿真软件，对MOSFET模块设计中关注的电磁场分布、热分布、应力分布、均流特性、开关特性、引线寄生参数对模块电特性影响等问题进行仿真，减小研发周期、降低设计研发成本，保证设计的产品具备优良性能。在仿真基础上，结合项目团队多年从事电力电子器件设计所积累的经验，解决高压大功率MOSFET模块设计中存在的多片MOSFET芯片和FRD芯片的匹配与均流、DBC版图的设计与芯片排布设计、电极结构设计、MOSFET模块结构设计等一系列难题，最终完成模块产品的设计。高压大功率MOSFET模块设计流程如下：图2.1高压大功率MOSFET模块设计流程在MOSFET模块设计中，需要综合考虑很多问题，例如：散热问题、均流问题、场耦合问题、MOSFET模块结构优化设计问题等等。MOSFET芯片体积小，热流密度可以达到100W/cm2~250W/cm2。同时，基于硅基的MOSFET芯片最高工作温度为175℃左右。据统计，由于高温导致的失效占电力电子芯片所有失效类型的50%以上。随电力电子器件设备集成度和环境集成度的逐渐增加，MOSFET模块的最高温升限值急剧下降。因此，MOSFET模块的三维温度场仿真技术是高效率高功率密度MOSFET模块设计开发的首要问题。模块散热能力与众多因素有关：MOSFET模块所用材料的物理和化学性质、MOSFET芯片的布局、贴片的质量、焊接的工艺水平等。如果贴片质量差，有效散热面积小，芯片与DBC之间的热阻大，在模块运行时易造成模块局部过热而损坏。另外，芯片的排布对热分布影响也很大。下图4.2是采用有限元软件对模块内部的温度场进行分析的结果：图2.2 MOSFET模块散热分布分析在完成结构设计和材料选取后，采用ANSYS软件的热分析模块ICEPAK，建立包括铜基板、DBC、MOSFET芯片、二极管芯片以及包括铝质键合引线在内的相对完整的数值模拟模型。模拟实际工作条件，施加相应的载荷，得到MOSFET的温度场分布，根据温度场分布再对MOSFET内部结构和材料进行调整，直至达到设计要求范围内的最优。2.2 材料数据库对一个完整的焊接式MOSFET模块而言，从上往下为一个 8层结构：绝缘盖板、密封胶、键合、半导体芯片层、焊接层 1、DBC、焊接层 2、金属底板。MOSFET模块所涉及的主要材料可分为以下几种类型：导体、绝缘体、半导体、有机物和无机物。MOSFET模块的电、热、机械等性能与材料本身的电导率、热导率、热膨胀系数、介电常数、机械强度等密切相关。材料的选型非常重要，为此有必要建立起常用的材料库。2.3 芯片的仿真模型库所涉及的MOSFET芯片有多种规格，包括：1700V 75A/100A/125A；2500V/50A；3300V/50A/62.5A；600V/100A；1200V/100A；4500V/42A；6500V/32A。为便于合理地进行芯片选型（确定芯片规格及其数量），精确分析多芯片并联时的均流性能，首先为上述芯片建立等效电路模型。在此基础上，针对实际电力电子系统中的滤波器、电缆和电机负载模型，搭建一个系统及的仿真平台，从而对整个系统的电气性能进行分析预估。2.4 MOSFET模块的热管理MOSFET模块是一个含不同材料的密集封装的多层结构，其热流密度达到100W/cm2--250W/cm2，模块能长期安全可靠运行的首要因素是良好的散热能力。散热能力与众多因素有关：MOSFET模块所用材料的物理和化学性质、MOSFET芯片的布局、贴片的质量、焊接的工艺水平等。如果贴片质量差，有效散热面积小，芯片与DBC之间的热阻大，在模块运行时易造成模块局部过热而损坏。芯片可靠散热的另一重要因素是键合的长度和位置。假设散热底板的温度分布均匀，而每个MOSFET芯片对底板的热阻有差异，导致在相同工况时，每个MOSFET芯片的结温不同。下图是采用有限元软件对模块内部的温度场进行分析的结果。图2.3MOSFET模块热分布在模块完成封装后，采用FLOTHERM软件的热分析模块，建立包括铜基板、DBC、MOSFET芯片、二极管芯片以及包括铝质键合引线在内的相对完整的数值模拟模型。模拟实际工作条件，施加相应的载荷，得到MOSFET的温度场分布的数值解，为MOSFET温度场分布的测试提供一定的依据。2.5. 芯片布局与杂散参数提取根据MOSFET模块不同的电压和电流等级，MOSFET模块所使用芯片的规格不同，芯片之间的连接方式也不同。因此，详细的布局设计放在项目实施阶段去完成。对中低压MOSFET模块和高压MOSFET模块，布局阶段考虑的因素会有所不同，具体体现在DBC与散热底板之间的绝缘、DBC上铜线迹之间的绝缘以及键合之间的绝缘等。2.6 芯片互联的杂散参数提取MOSFET芯片并联应用时的电流分配不均衡主要有两种：静态电流不均衡和动态电流不均衡。静态电流不均衡主要由器件的饱和压降VCE（sat）不一致所引起；而动态电流不均衡则是由于器件的开关时间不同步引起的。此外，栅极驱动、电路的布局以及并联模块的温度等因素也会影响开关时刻的动态均流。回路寄生电感特别是射极引线电感的不同将会使器件开关时刻不同步；驱动电路输出阻抗的不一致将引起充放电时间不同；驱动电路的回路引线电感可能引起寄生振荡；以及温度不平衡会影响到并联器件动态均流。2.7 模块设计专家知识库通过不同规格MOSFET模块的设计－生产－测试－改进设计等一系列过程，可以获得丰富的设计经验，并对其进行归纳总结，提出任意一种电压电流等级的MOSFET模块的设计思路，形成具有自主知识产权的高压大功率MOSFET模块的系统化设计知识库。3. SiCMOSFET封装工艺3.1 封装常见工艺MOSFET模块封装工艺主要包括焊接工艺、键合工艺、外壳安装工艺、灌封工艺及测试等。3.1.1 焊接工艺焊接工艺在特定的环境下，使用焊料，通过加热和加压，使芯片与DBC基板、DBC基板与底板、DBC基板与电极达到结合的方法。目前国际上采用的是真空焊接技术，保证了芯片焊接的低空洞率。焊接要求焊接面沾润好，空洞率小，焊层均匀，焊接牢固。通常情况下．影响焊接质量的最主要因素是焊接“空洞”，产生焊接空洞的原因，一是焊接过程中，铅锡焊膏中助焊剂因升温蒸发或铅锡焊片熔化过程中包裹的气泡所造成的焊接空洞，真空环境可使空洞内部和焊接面外部形成高压差，压差能够克服焊料粘度，释放空洞。二是焊接面的不良加湿所造成的焊接空洞，一般情况下是由于被焊接面有轻微的氧化造成的，这包括了由于材料保管的不当造成的部件氧化和焊接过程中高温造成的氧化，即使真空技术也不能完全消除其影响。在焊接过程中适量的加人氨气或富含氢气的助焊气体可有效地去除氧化层，使被焊接面有良好的浸润性．加湿良好。“真空+气体保护”焊接工艺就是基于上述原理研究出来的，经过多年的研究改进，已成为高功率，大电流，多芯片的功率模块封装的最佳焊接工艺。虽然干式焊接工艺的焊接质量较高，但其对工艺条件的要求也较高，例如工艺设备条件，工艺环境的洁净程度，工艺气体的纯度．芯片，DBC基片等焊接表面的应无沾污和氧化情况．焊接过程中的压力大小及均匀性等。要根据实际需要和现场条件来选择合适的焊接工艺。3.1.2 键合工艺引线键合是当前最重要的微电子封装技术之一，目前90％以上的芯片均采用这种技术进行封装。超声键合原理是在超声能控制下，将芯片金属镀层和焊线表面的原子激活，同时产生塑性变形，芯片的金属镀层与焊线表面达到原子间的引力范围而形成焊接点，使得焊线与芯片金属镀层表面紧密接触。按照原理的不同，引线键合可以分为热压键合、超声键合和热压超声键合3种方式。根据键合点形状，又可分为球形键合和楔形键合。在功率器件及模块中，最常见的功率互连方法是引线键合法，大功率MOSFET模块采用了超声引线键合法对MOSFET芯片及FRD芯片进行互连。由于需要承载大电流，故采用楔形劈刀将粗铝线键合到芯片表面或DBC铜层表面，这种方法也称超声楔键合。外壳安装工艺：功率模块的封装外壳是根据其所用的不同材料和品种结构形式来研发的，常用散热性好的金属封装外壳、塑料封装外壳，按最终产品的电性能、热性能、应用场合、成本，设计选定其总体布局、封装形式、结构尺寸、材料及生产工艺。功率模块内部结构设计、布局与布线、热设计、分布电感量的控制、装配模具、可靠性试验工程、质量保证体系等的彼此和谐发展，促进封装技术更好地满足功率半导体器件的模块化和系统集成化的需求。外壳安装是通过特定的工艺过程完成外壳、顶盖与底板结构的固定连接，形成密闭空间。作用是提供模块机械支撑，保护模块内部组件，防止灌封材料外溢，保证绝缘能力。外壳、顶盖要求机械强度和绝缘强度高，耐高温，不易变形，防潮湿、防腐蚀等。3.1.3 灌封工艺灌封工艺用特定的灌封材料填充模块，将模块内组件与外部环境进行隔离保护。其作用是避免模块内部组件直接暴露于环境中，提高组件间的绝缘，提升抗冲击、振动能力。灌封材料要求化学特性稳定，无腐蚀，具有绝缘和散热能力，膨胀系数和收缩率小，粘度低，流动性好，灌封时容易达到模块内的各个缝隙，可将模块内部元件严密地封装起来，固化后能吸收震动和抗冲击。3.1.4 模块测试MOSFET模块测试包括过程测试及产品测试。其中过程测试通过平面度测试仪、推拉力测试仪、硬度测试仪、X射线测试仪、超声波扫描测试仪等，对产品的入厂和过程质量进行控制。产品测试通过平面度测试仪、动静态测试仪、绝缘/局部放电测试仪、高温阻断试验、栅极偏置试验、高低温循环试验、湿热试验，栅极电荷试验等进行例行和型式试验，确保模块的高可靠性。3.2 封装要求本项目的SiC MOSFET功率模块封装材料要求如下：（1）焊料选用需要可靠性要求和热阻要求。（2）外壳采用PBT材料，端子裸露部分表面镀镍或镀金。（3）内引线采用超声压接或铝丝键合（具体视装配图设计而定），功率芯片采用铝线键合。（4）灌封料满足可靠性要求，Tg150℃，能满足高低温存贮和温度循环等试验要求。（5）底板采用铜材料。（6）陶瓷覆铜板采用Si3N4材质。（7）镀层要求：需保证温度循环、盐雾、高压蒸煮等试验后满足外观要求。3.3 封装流程本模块采用既有模块进行封装，不对DBC结构进行调整。模块封装工艺流程如下图3.1所示。图3.1模块封装工艺流程（1）芯片CP测试：对芯片进行ICES、BVCES、IGES、VGETH等静态参数进行测试，将失效的芯片筛选出来，避免因芯片原因造成的封装浪费。（2）划片&划片清洗：将整片晶圆按芯片大小分割成单一的芯片，划片后可从晶圆上将芯片取下进行封装；划片后对金属颗粒进行清洗，保证芯片表面无污染，便于后续工艺操作。（3）丝网印刷：将焊接用的焊锡膏按照设计的图形涂敷在DBC基板上，使用丝网印刷机完成，通过工装钢网控制锡膏涂敷的图形。锡膏图形设计要充分考虑焊层厚度、焊接面积、焊接效果，经过验证后最终确定合适的图形。（4）芯片焊接：该步骤主要是完成芯片与 DBC 基板的焊接，采用相应的焊接工装，实现芯片、焊料和 DBC 基板的装配。使用真空焊接炉，采用真空焊接工艺，严格控制焊接炉的炉温、焊接气体环境、焊接时间、升降温速度等工艺技术参数，专用焊接工装完成焊接工艺，实现芯片、DBC 基板的无空洞焊接，要求芯片的焊接空洞率和焊接倾角在工艺标准内，芯片周围无焊球或堆焊，焊接质量稳定，一致性好。（5）助焊剂清洗：通过超声波清洗去除掉助焊剂。焊锡膏中一般加入助焊剂成分，在焊接过程中挥发并残留在焊层周围，因助焊剂表现为酸性，长期使用对焊层具有腐蚀性，影响焊接可靠性，因此需要将其清洗干净，保证产品焊接汉城自动气相清洗机采用全自动浸入式喷淋和汽相清洗相结合的方式进行子单元键合前清洗，去除芯片、DBC 表面的尘埃粒子、金属粒子、油渍、氧化物等有害杂质和污染物，保证子单元表面清洁。（6） X-RAY检测：芯片的焊接质量作为产品工艺控制的主要环节，直接影响着芯片的散热能力、功率损耗的大小以及键合的合格率。因此，使用 X-RAY 检测机对芯片焊接质量进行检查，通过调整产生 X 射线的电压值和电流值，对不同的焊接产品进行检查。要求 X 光检查后的芯片焊接空洞率工艺要求范围内。（7）芯片键合：通过键合铝线工艺，完成 DBC 和芯片的电气连接。使用铝线键合机完成芯片与 DBC 基板对应敷铜层之间的连接，从而实现芯片之间的并联和反并联。要求该工序结合芯片的厚度参数和表面金属层参数，通过调整键合压力，键合功率，键合时间等参数，并根据产品的绝缘要求和通流大小，设置合适的键合线弧高和间距，打线数量满足通流要求，保证子单元的键合质量。要求键合工艺参数设定合理、铝线键合质量牢固，键合弧度满足绝缘要求、键合点无脱落，满足键合铝线推拉力测试标准。（8）模块焊接：该工序实现子单元与电极、底板的二次焊接。首先进行子单元与电极、底板的焊接装配，使用真空焊接炉实现焊接，焊接过程中要求要求精确控制焊接设备的温度、真空度、气体浓度。焊接完成后要求子单元 DBC 基板和芯片无损伤、无焊料堆焊、电极焊脚之间无连焊虚焊、键合线无脱落或断裂等现象。（9）超声波检测：该工序通过超声波设备对模块 DBC 基板与底板之间的焊接质量进行检查，模块扫描后要求芯片、DBC 无损伤，焊接空洞率低于 5%。（10）外壳安装：使用涂胶设备进行模块外壳的涂胶，保证模块安装后的密封性，完成模块外壳的安装和紧固。安装后要求外壳安装方向正确，外壳与底板粘连处在灌封时不会出现硅凝胶渗漏现象。（11）端子键合&端子超声焊接：该工序通过键合铝线工艺，实现子单元与电极端子的电气连接，形成模块整体的电气拓扑结构；可以通过超声波焊接实现子单元与电极端子的连接，超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波焊接具有高机械强度，较低的热应力、焊接质量高等优点，使得焊接具有更好的可靠性，在功率模块产品中应用越来越广泛。（12）硅凝胶灌封&固化：使用自动注胶机进行硅凝胶的灌封，实现模块的绝缘耐压能力。胶体填充到指定位置，完成硅凝胶的固化。要求胶体固化充分，胶体配比准确，胶体内不含气泡、无分层或断裂纹。4. 极端条件下的可靠性测试4.1 单脉冲雪崩能量试验目的：考察的是器件在使用过程中被关断时承受负载电感能量的能力。试验原理：器件在使用时经常连接的负载是感性的，或者电路中不可避免的也会存在寄生电感。当器件关断时，电路中电流会突然下降，变化的电流会在感性负载上产生一个应变电压，这部分电压会叠加电源电压一起加载在器件上，使器件在瞬间承受一个陡增的电压，这个过程伴随着电流的下降。图4.1 a）的雪崩能量测试电路就是测试这种工况的，被测器件上的电流电压变化情况如图4.1 b）。图4.1 a)雪崩能量测试电路图；b)雪崩能量被测器件的电流电压特性示意图这个过程中，电感上储存的能量瞬时全部转移到器件上，可知电流刚开始下降时，电感储存的能量为1/2*ID2*L，所以器件承受的雪崩能量也就是电感包含的所有能量，为1/2*ID2*L。试验目标：在正向电流ID = 20A下，器件单脉冲雪崩能量EAS1J试验步骤：将器件放入测试台，给器件施加导通电流为20A。设置测试台电感参数使其不断增加，直至器件的单脉冲雪崩能量超过1J。通过/失效标准：可靠性试验完成后，按照下表所列的顺序测试（有些测试会对后续测试有影响），符合下表要求的可认为通过。测试项目通过条件IGSS USLIDSS or IDSX USLVGS(off) or VGS(th)LSL USLVDS(on) USLrDS(on) USL (仅针对MOSFET)USL: upper specification limit, 最高上限值LSL: lower specification limit, 最低下限值4.2 抗短路能力试验目的：把样品暴露在空气干燥的恒温环境中，突然使器件通过大电流，观测元器件在大电流大电压下于给定时间长度内承受大电流的能力。试验原理：当器件工作于实际高压电路中时，电路会出现误导通现象，导致在短时间内有高于额定电流数倍的电流通过器件，器件承受这种大电流的能力称为器件的抗短路能力。为了保护整个系统不受误导通情况的损坏，系统中会设置保护电路，在出现短路情况时迅速切断电路。但是保护电路的反应需要一定的时长，需要器件能够在该段时间内不发生损坏，因此器件的抗短路能力对整个系统的可靠性尤为重要。器件的抗短路能力测试有三种方式，分别对应的是器件在不同的初始条件下因为电路突发短路（比如负载失效）而接受大电流大电压时的反应。抗短路测试方式一，也称为“硬短路”，是指IGBT从关断状态（栅压为负）直接开启进入到抗短路测试中；抗短路测试方式二，是指器件在已经导通有正常电流通过的状态下（此时栅压为正，漏源电压为正但较低），进入到抗短路测试中；抗短路测试方式三是指器件处于栅电压已经开启但漏源电压为负（与器件反并联的二极管处于续流状态，所以此时器件的漏源电压由于续流二极管的钳位在-0.7eV左右，，栅压为正），进入到抗短路测试中。可知，器件的抗短路测试都是对应于器件因为电路的突发短路而要承受电路中的大电流和大电压，只是因为器件的初始状态不同而会有不同的反应。抗短路测试方法一电路如图4.2，将器件直接加载在电源两端，器件初始状态为关断，此时器件承受耐压。当给器件栅电极施加一个脉冲，器件开启，从耐压状态直接开始承受一个大电流及大电压，考量器件的“硬”耐短路能力。图4.2 抗短路测试方法一的测试电路图抗短路测试方法二及三的测试电路图如图4.2，图中L_load为实际电路中的负载电感，L_par为电路寄生电感，L_sc为开关S1配套的寄生电感。当进行第二种抗短路方法测试时，将L_load下端连接到上母线（Vdc正极），这样就使L_sc支路与L_load支路并联。初态时，S1断开，DUT开通，电流从L_load和DUT器件上通过，开始测试时，S1闭合，L_load瞬时被短路，电流沿着L_sc和DUT路线中流动，此时电流通路中仅包含L_sc和L_par杂散电感，因此会有大电流会通过DUT，考察DUT在导通状态时承受大电流的能力。当进行第三种抗短路方法测试时，维持图4.2结构不变，先开通IGBT2并保持DUT关断，此时电流从Vdc+沿着IGBT2、L_load、Vdc-回路流通，接着关断IGBT2，那么D1会自动给L_load续流，在此状态下开启DUT栅压，DUT器件处于栅压开启，但漏源电压被截止状态，然后再闭合S1，大电流会通过L_sc支路涌向DUT。在此电路中IGBT2支路的存在主要是给D1提供续流的电流。图4.3 抗短路测试方法二和方法三的测试电路图1） 抗短路测试方法一：图4.2中Vdc及C1大电容提供持续稳定的大电压，给测试器件DUT栅极施加一定时间长度的脉冲，在被试器件被开启的时间内，器件开通期间处于短路状态，且承受了较高的耐压。器件在不损坏的情况下能够承受的最长开启时间定义为器件的短路时长（Tsc），Tsc越大，抗短路能力越强。在整个短路时长器件，器件所承受的能量，为器件的短路能量（Esc）。器件的抗短路测试考察了器件瞬时同时承受高压、高电流的能力，也是一种器件的复合应力测试方式。图4.2测试电路中的Vdc=600V，C1、C2、C3根据器件的抗短路性能能力决定，C1的要求是维持Vdc的稳定，C1的要求是测试过程中释放给被测器件的电能不能使C1两端的电压下降过大（5%之内可接受）。C2，C3主要用于给器件提供高频、中频电流，不要求储存能量过大。对C2、C3的要求是能够降低被测器件开通关断时造成的漏源电压振幅即可。图4.4 抗短路能力测试方法一的测试结果波形图4.4给出了某款SiC平面MOSFET在290K下，逐渐增大栅极脉冲宽度（PW）的抗短路能力测试结果。首先需要注意的是在测试过程中，每测量一个脉冲宽度的短路波形，需要间隔足够长的时间，以消除前一次短路测试带来的器件温度上升对后一次测试的器件初始温度的影响，保证每次测试初始温度的准确。从图中可以看出，Id峰值出现在1 μs和2 μs之间，随着开通时间的增加，Id呈现出先增加后减小的时间变化趋势。Id的上升阶段，是因为器件开启时有大电流经过器件，在高压的共同作用下，器件温度迅速上升，因为此时MOSFET的沟道电阻是一个负温度系数，所以MOSFET沟道电阻减小，Id则上升，在该过程中电流上升的速度由漏极电压、寄生电感以及栅漏电容的充电速度所决定；随着大电流的持续作用，器件整体温度进一步上升，器件此时的导通电阻变成正温度系数，器件的整体电阻将随温度增加逐渐增大，这时器件Id将逐渐减小。所以，整个抗短路能力测试期间，Id先增加后下降。此外，测试发现，当脉冲宽度增加到一定程度，Id在关断下降沿出现拖尾，即器件关断后漏极电流仍需要一定的时间才能恢复到0A。在研究中发现当Id拖尾到达约12A左右之后，进一步增大脉冲宽度，器件将损坏，并伴随器件封装爆裂。所以针对这款器件的抗短路测试，定义Tsc为器件关断时漏极电流下降沿拖尾到达10A时的脉冲时间长度。Tsc越长，代表器件的抗短路能力越强。测试发现，低温有助于器件抗短路能力的提升，原因是因为，低的初始温度意味着需要更多的时间才能使器件达到Id峰值。仿真发现，器件抗短路测试失效模式主要有两种：1、器件承受高压大电流的过程中，局部高温引起漏电流增加，触发了器件内部寄生BJT闩锁效应，栅极失去对沟道电流的控制能力，器件内部电流局部集中发生热失效，此时的表现主要是器件的Id电流突然上升，器件失效；2、器件温度缓慢上升时，导致器件内部材料性能恶化，比如栅极电极或者SiO2/Si界面处性能失效，主要表现为器件测试过程中Vgs陡降，此时，器件的Vds若未发生进一步损坏仍能承受耐压，只是器件Vgs耐压能力丧失。上述两种失效模式都是由于温度上升引起，所以要提升器件的抗短路能力就是要控制器件内部温度上升。仿真发现导通时最高温区域主要集中于高电流密度区域（沟道部分）及高电场区域（栅氧底部漂移区）。因此，要提升器件的抗短路能力，要着重从器件的沟道及栅氧下方漂移区的优化入手，降低电场峰值及电流密度，此外改善栅氧的质量将起到决定性的作用。2） 抗短路测试方法二：图4.5 抗短路能力测试方法二的测试结果波形如图4.5，抗短路测试方法二的测试过程中DUT器件会经历三个阶段：（1）漏源电压Vds低，Id电流上升：当负载被短路时，大电流涌向DUT器件，此时电路中仅包含L_sc和L_par杂散电感，DUT漏源电压较低，Vdc电压主要分布在杂散电感上，所以Id电流以di/dt=Vdc/（L_sc+L_par）的斜率开始上升。随着Id增加，因为DUT器件的漏源之间的寄生电容Cgd，会带动栅压上升，此时更加促进Id电流的增加，形成一个正循环，Id急剧上升。（2）Id上升变缓然后开始降低，漏源电压Vds上升：Id上升过程中，Vds漏源电压开始增加，导致Vdc分压到杂散电感上的电压降低，导致电流上升率di/dt减小，Id上升变缓，当越过Id峰值后，Id开始下降，-di/dt使杂散电感产生一个感应电压叠加在Vds上导致Vds出现一个峰值。Vds峰值在Id峰值之后。（3）Id、Vds下降并恢复：Id，Vds均下降恢复到抗短路测试一的高压高电流应力状态。综上所述，抗短路测试方法一的条件比方法一的更为严厉和苛刻。3） 抗短路测试方法三：图4.6 抗短路能力测试方法二的测试结果波形如图4.6，抗短路测试方法三的波形与方法二的波形几乎一致，仅仅是在Vds电压上升初期有一个小的电压峰（如图4.6中红圈），这是与器件发生抗短路时的初始状态相关的。因为方法三中器件初始状态出于栅压开启，Vds为反偏的状态，所以器件内部载流子是耗尽的。此时若器件Vds转为正向开通则必然发生一个载流子充入的过程，引发一个小小的电压峰，这个电压峰值是远小于后面的短路电压峰值的。除此以外，器件的后续状态与抗短路测试方法二的一致。一般来说，在电机驱动应用中，开关管的占空比一般比续流二极管高，所以是二极管续流结束后才会开启开关管的栅压，这种情况下，只需要考虑仅开关管开通时的抗短路模式，则第二种抗短路模式的可能性更大。然而，当一辆机车从山上开车下来，电动机被用作发电机，能量从车送到电网。续流二极管的占空比比开关管会更高一点，这种操作模式下，如果负载在二极管续流且开关管栅压开启时发生短路，则会进行抗短路测试模式三的情况。改进抗短路失效模式二及三的方法，是通过给开关器件增加一个栅极前钳位电路，在Id上升通过Cgd带动栅极电位上升时，钳位电路钳住栅极电压，就不会使器件的Id上升陷入正反馈而避免电流的进一步上升。试验目标：常温下，令Vdc=600V，通过控制Vgs控制SiC MOSFET的开通时间，从2μs开通时间开始以1μs为间隔不断增加器件的开通时间，直至器件损坏，测试过程中保留测试曲线。需要注意的是，在测试过程中，每测量一个脉冲宽度的短路波形，需要间隔足够长的时间，以消除前一次短路测试带来的器件温度上升对后一次测试的器件初始温度的影响，保证每次测试初始温度的准确。试验步骤：搭建抗短路能力测试电路。将器件安装与测试电路中，保持栅压为0。通过驱动电路设置器件的开通时间，给器件一个t0=2μs时间的栅源脉冲电压，使器件开通t0时间，观察器件上的电流电压曲线，判断器件是否能够承受2μs的短路开通并不损坏；如未损坏，等待足够长时间以确保器件降温至常温状态，设置驱动电路使器件栅源电压单脉冲时间增加1us，再次开通，观察器件是否能够承受3μs的短路开通并不损坏。循环反复直至器件发生损坏。试验标准：器件被打坏前最后一次脉冲时间长度即为器件的短路时长Tsc。整个短路时长期间，器件所承受的能量为器件的短路能量Esc。4.3 浪涌试验目的：把样品暴露在空气干燥的恒温环境中，对器件施加半正弦正向高电流脉冲，使器件在瞬间发生损坏，观测元器件在高电流密度下的耐受能力。试验原理：下面以SiC二极管为例，给出了器件承受浪涌电流测试时的器件内部机理。器件在浪涌应力下的瞬态功率由流过器件的电流和器件两端的电压降的乘积所决定，电流和压降越高，器件功率耗散就越高。已知浪涌应力对器件施加的电流信号是固定的，因此导通压降越小的器件瞬态功率越低，器件承受浪涌的能力越强。当器件处于浪涌电流应力下，电压降主要由器件内部寄生的串联电阻承担，因此我们可以通过降低器件在施加浪涌电流瞬间的导通电阻，减小器件功率、提升抗浪涌能力。a）给出了4H-SiC二极管实际浪涌电流测试的曲线，图4.7 a）曲线中显示器件的导通电压随着浪涌电流的上升和下降呈现出“回滞”的现象。图4.7 a）二极管浪涌电流的实测曲线； b）浪涌时温度仿真曲线浪涌过程中，器件的瞬态 I-V 曲线在回扫过程中出现了电压回滞，且浪涌电流越高，器件在电流下降和上升过程中的压降差越大，该电压回滞越明显。当浪涌电流增加到某一临界值时，I-V 曲线在最高压降处出现了一个尖峰，曲线斜率突变，器件发生了失效和损坏。器件失效后，瞬态 I-V 曲线在最高电流处出现突然增加的毛刺现象，电压回滞也减小。引起SiC JBS二极管瞬态 I-V 曲线回滞的原因是，在施加浪涌电流的过程中，SiC JBS 二极管的瞬态功率增加，但散热能力有限，所以浪涌过程中器件结温增加，SiC JBS 二极管压降也发生了变化，产生了回滞现象。在每次对器件施加浪涌电流过程中，随着电流的增加，器件的肖特基界面的结温会增加，当电流降低接近于0时结温才逐渐回落。在浪涌电流导通的过程中，结温是在积累的。由于电流上升和下降过程中的结温的差异，导致了器件在电流下降过程的导通电阻高于电流在上升过程中导通电阻。这使得电流下降过程 I-V 曲线压降更大，从而产生了在瞬态 I-V 特性曲线电压回滞现象。浪涌电流越高，器件的肖特基界面处的结温越高，因此导通电阻就越大，而回滞现象也就越明显。为了分析器件在 40 A 以上浪涌电流下的瞬态 I-V 特性变化剧烈的原因，使用仿真软件模拟了肖特基界面处温度随电流大小的变化曲线，如图4.7 b)所示，在 40 A 以上浪涌电流下，结温随浪涌电流变化非常剧烈。器件在 40 A 浪涌电流下，最高结温只有 358 K。但是当浪涌电流增加到60 A 时，最高结温已达1119 K，这个温度足以对器件破坏表面的肖特基金属，引起器件失效。图4.7 b)中还可以得出，浪涌电流越高，结温升高的变化程度就越大，56 A 和 60 A 浪涌电流仅相差 4 A，最高结温就相差 543 K，最高结温的升高速度远比浪涌电流的增加速度快。结温的快速升高导致了器件的导通电阻迅速增大，正向压降快速增加。因此，电流上升和下降过程中，器件的导通压降会更快速地升高和下降，使曲线斜率发生了突变。器件结温随着浪涌电流的增大而急剧增大，是因为它们之间围绕着器件导通电阻形成了正反馈。在浪涌过程中，随着浪涌电流的升高，二极管的功率增加，产生的焦耳热增加，导致了结温上升；另一方面，结温上升，导致器件的导通电阻增大，压降进一步升高。导通电压升高，导致功率进一步增加，使得结温进一步升高。因此器件的结温和电压形成了正反馈，致使结温和压降的增加速度远比浪涌电流的增加速度快。当浪涌电流增加到某一临界值时，触发这个正反馈，器件就会发生失效和损坏。长时间的重复浪涌电流会在外延层中引起堆垛层错生长，浪涌电流导致的自热效应会引起顶层金属熔融，使得电极和芯片之间短路，还会导致导通压降退化和峰值电流退化，并破坏器件的反向阻断能力。金属Al失效是大多数情况下浪涌失效的主要原因，应该使用鲁棒性更高的材料替代金属Al，以改善SiC器件的高温特性。目前MOS器件中，都没有给出浪涌电流的指标。而二极管、晶闸管器件中有这项指标。如果需要了解本项目研发的MOSFET器件的浪涌能力，也可以搭建电路实现。但是存在的问题是，MOS器件的导通压降跟它被施加的栅压是相关的，栅压越大，导通电阻越低，耐浪涌能力越强。如何确定浪涌测试时应该给MOSFET施加的栅压，是一个需要仔细探讨的问题。试验目标：我们已知浪涌耐受能力与器件的导通压降有关，但目前无法得到明确的定量关系。考虑到目标器件也没有这类指标的参考，建议测试时，在给定栅压下（必须确保器件能导通），对器件从低到高依次施加脉冲宽度为10ms或8.3ms半正弦电流波，直到器件发生损坏。试验步骤：器件安装在测试台上后，器件栅极在给定栅压下保持开启状态。通过测试台将导通电流设置成10ms或8.3ms半正弦电流波，施加在器件漏源极间。逐次增加正弦波的上限值，直至器件被打坏。试验标准：器件被打坏前的最后一次通过的浪涌值即为本器件在特定栅压下的浪涌指标值。以上内容给出了本项目研发器件在复合应力及极端条件下的可靠性测试方法，通过这些方法都是来自于以往国际工程经验和鉴定意见，可以对被测器件的可靠性有一个恰当的评估。但是，上述方法都是对测试条件和测试原理的阐述，如何通过测试结果来评估器件的使用寿命，并搭建可靠性测试条件与可靠性寿命之间的桥梁，就得通过可靠性寿命评估模型来实现。

7月25日，中国南车株洲所首家海外功率半导体研发中心在英国顺利落成，这也是我国轨道交通装备制造企业首个海外高端器件研发中心。　　以IGBT为代表的功率半导体器件技术是轨道交通装备关键技术之一，被业界认为是现代机车车辆的“CPU”，它广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、新能源等行业。　　株洲所掌握了最先进的半导体器件全压接技术，产品品种涵盖单一整流管、集整流管、晶闸管、快速整流管、快速晶闸管、GTO、IGCT等多个系列。产品电流等级从200安发展到10000安，电压等级从600伏发展到8500伏，具有广泛的适应性。2006年，株洲所自主研制出世界上第一只直径最大、容量最大的6英寸晶闸管，使我国80万伏超高压直流输电成为现实，输电能力提高60%。2008年，完成对世界著名功率半导体器件企业英国丹尼克斯半导体公司的并购，并将其4英寸IGBT芯片生产线改造为6英寸生产线。同时，在株洲完成了国内第一条高压IGBT封装线的建设。2011年，规划启动了国内首条8英寸IGBT芯片生产线，项目建成后，率先成为国内首家集IGBT芯片设计、模块封装及测试、系统应用的完整产业链。　　本次落成的海外功率半导体研发中心，以中长期项目(二至三年以上的市场项目)为研发重点，研发内容涉及基础研究、工艺改进、产品开发和平台建设，承担新一代IGBT技术开发，新一代HVDC晶闸管和碳化硅技术的研究开发工作，其取得的知识产权将由中国南车和丹尼克斯共同拥有。此举将支撑并引领中国南车大功率半导体器件产业的可持续发展，完善并提升其技术链，对今后IGBT芯片技术国产化进行人才储备也具有里程碑意义。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心冯衍研究员领衔的课题组，在高功率拉曼光纤激光器研究中取得新进展。提出了一种镱-拉曼集成的光纤放大器结构，有效地解决了拉曼光纤激光器功率提升的主要技术瓶颈问题，在1120nm波长，首次获得580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。　　近年来，高功率光纤激光器发展迅速。1&mu m波段的掺镱光纤激光器，近衍射极限输出功率可达20kW，多横模输出功率可达100kW。尽管如此，稀土掺杂光纤激光器的输出波长，因稀土离子能级跃迁的限制，仅能覆盖有限的光谱范围，限制了其应用领域。基于光纤中受激拉曼散射效应的拉曼光纤激光器是拓展光纤激光器波长范围的有效手段。　　该项研究中，在一般的高功率掺镱光纤放大器中注入两个或多个波长的种子激光，波长间隔对应光纤的拉曼频移量。处于镱离子增益带宽中心的种子激光率先获得放大后，在后续光纤中作为泵浦激光对拉曼斯托克斯激光进行逐级放大。初步的演示实验获得了300 W的1120nm拉曼光纤激光输出 接着采用较大包层(400&mu m)的光纤，获得了580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。结果发表于《光学快报》(Optics Letters)和《光学快讯》(Optics Express) [Opt. Lett. 39, 1933-1936 (2014) Opt. Express 22, 18483 (2014)]。鉴于目前高功率掺镱光纤激光器均采用主振放大结构，新提出的光纤放大器结构可用于进一步提升拉曼光纤激光的输出功率。初步的数值计算也表明，该技术方法有望在1～2&mu m范围内任意波长获得千瓦级激光输出。　　该项研究得到了中国科学院百人计划、国家&ldquo 863&rdquo 计划、国家自然科学基金等项目的支持。　　 千瓦级掺镱-拉曼集成的光纤放大器结构示意图　　输出功率随976 nm二极管泵浦功率的变化曲线，其中的插图为最高输出时的光谱。

近日，由中科院高能所和湖北汉光科技公司共同研制的2998MHz速调管批量中标武汉大学先进光源项目1.0 GeV电子直线加速器采购项目，标志着国产大功率速调管将批量应用于大型科研装置上，推广应用取得重大突破，为推动国产大功率速调管做大做强具有重要意义。该速调管是在陈和生院士工作站和大功率速调管合作研发基地平台的支持下，基于北京正负电子对撞机直线加速器用国产2856MHz速调管设计和运行经验，以周祖圣研究员为主的速调管研究团队负责设计、研发，湖北汉光科技股份有限公司负责加工制造，首支样管于2019年6月完成加工制造，并通过专家组测试验收，各项指标达到国际同类产品水平。速调管是超高真空微波功率放大器件，是加速器的主要设备，我国现正在运行的大型加速器科研装置所使用的大功率速调管大部分为进口。团队将以此为基础，再接再厉，攻坚克难，继续推动国产速调管的研发和更广泛应用，突破国产化关键技术，一方面满足国内科研、高技术产业的需求，同时带动相关高技术产业的发展。国产2998MHz速调管

世界上第一个太赫兹波段的行波光管放大器。　　日前，国际首次太赫兹功率比对在德国柏林举行，参加比对的德、美、中3国的国家计量院采用不同的技术路线，取得的测量结果都能相互吻合。其中，中国计量院参加比对的太赫兹辐射计测量不确定度最小、响应度最高，标志着我国太赫兹辐射功率计量能力步入国际领先行列。　　太赫兹介于红外和微波频段之间，是连接电子学和光子学的桥梁，在信息科学、材料科学、生物化学等许多领域具有重要应用价值和重大应用潜力。由于缺乏有效的测量方法和测量仪器，人们对于该频段的辐射特性了解甚少。随着太赫兹技术的发展和广泛应用，太赫兹辐射源、太赫兹探测器、太赫兹测量系统大量涌入市场。在高速宽带通信、功能材料研制、生物医学成像、机场港口安检、地沟油检测、危险化学品监测预警等许多领域的应用日益广泛。然而国际上缺少太赫兹相关参数测量标准，导致太赫兹产品的特性难以客观准确评估，无法科学评估并保障太赫兹研究和应用的有效性。　　为解决这一问题，先进国家的计量院相继开展此方面的研究。如德国联邦物理技术研究院(PTB)利用低温辐射计率先实现了太赫兹功率溯源至国际单位制 美国标准技术研究院(NIST)利用碳纳米管作为吸收体实现了太赫兹辐射功率的测量 中国计量院利用自主研制发明的一种太赫兹超强吸收材料实现了太赫兹辐射功率的绝对测量和量值溯源。　　为保障太赫兹计量量值准确可靠，2013年，德、美、中3国的国家计量院共同商定了比对方案和进程，对参比国家实验室提出了资格要求。以国际正式论文作为证明，经筛查后有4国的国家计量院符合参加条件，最终有能力参加比对的实验室仅有美国NIST、中国NIM和德国PTB3家，其中PTB为主导实验室。　　中国计量院参比负责人、激光室副主任邓玉强博士介绍说，此次比对规定在2.52THz和0.762THz两个频率点下进行，3国参比实验室分别采用互不相同的技术路线复现量值，在同一地点一起进行现场实验测量。最终比对结果表明，3国的现场测量结果都能相互吻合，等效一致。中国计量院在比对的两个频率点均以最小的测量不确定度取得国际等效。　　中国计量院参加此次国际比对所采用的太赫兹辐射计及其关键部件均由邓玉强和孙青2位副研究员自主研制发明，其中，太赫兹辐射计吸收材料的吸收带宽和吸收率均为目前国际最高水平，可实现100GHz到可见光波段辐射功率的高准确度测量，且响应光谱平坦。在PTB实验室的现场测量中，该太赫兹辐射计表现出卓越的性能，具有良好的重复性、稳定性和信噪比，非线性仅为0.4%，被德国国家计量院太赫兹辐射度实验室主任AndreasSteiger博士誉为&ldquo 具有德国产品的质量&rdquo 。　　据了解，此次为国际首次太赫兹功率比对，被国际光度辐射度咨询委员会(CCPR)关键量比对工作组主席YoshiOhno博士认为是&ldquo 太赫兹计量领域的重大里程碑&rdquo ，将对今后的太赫兹科学研究和太赫兹技术推广应用起到积极的推进作用。配备太赫兹量子级联激光器的纳米线探测器。　　太赫兹量子级联激光器的研制难度大，对结构设计、材料生长和器件工艺均有很高的要求。　　近日科学家们研发的一种能够检测光波的最新设备或能帮助打开电磁光谱的最后边界&mdash &mdash 太赫兹(Terahertz)光谱。

近日，成都岷山功率半导体技术研究院（PSTI）成功完成2000万元首轮融资。本次融资由深圳蜀芯投资企业领投，四川省天府芯云数字经济发展基金有限公司跟投。募得资金将用于功率半导体产品的创新研发、公共技术平台搭建以及产业人才队伍建设等方向，致力于解决产业链细分领域“卡脖子”问题，推动成都功率半导体产业集群快速建成。成都岷山功率半导体技术研究院 实景图快速成长期，首轮融资注入新的动力源2021年1月，成都高新区启动揭榜挂帅型研发机构(新型研发机构)“岷山行动”计划，共吸引92个团队申报，均来自国内外知名高校和科研院所。最终首批6个揭榜挂帅型研发机构项目脱颖而出，成都岷山功率半导体技术研究院是其中获得资金扶持力度最大的项目，补贴及投资共计近1亿元。2021年8月，成都岷山功率半导体技术研究院承载着推动成都高科技产业化发展以及建设新型研发机构集群的发展理念成功注册，正式开启在成都打造功率半导体产业集群的道路。以项目特点而言，“岷山行动”的揭榜项目均由业界核心领军人物发起，有顶尖创新平台作为支撑，并且具备良好的产业化前景，成都岷山功率半导体技术研究院亦是如此。研究院由前台积电高管张帅博士与前软银资本高管、现成都矽能科技有限公司总经理白杰先以及功率半导体著名专家张波教授共同发起成立，并由三位创始人分别领衔的技术专家团队、运营孵化团队、实验科研团队，联合国内外优质的功率半导体行业资源，发展新技术、研发新产品、提出新的解决方案、孵化新公司。成都岷山功率半导体技术研究院 签署揭榜任务书现场肩负行业责任，成都岷山功率半导体技术研究院自成立之初，就聚焦半导体人才的开发及公共技术平台的搭建。如今，成立仅一年有余，研究院就已聚集了49位全职员工，其中约70%为研发团队，共计33位。值得注意的是，研发团队人员均为专业科研人才，人均拥有接近10年的行业经验及项目管理经验。同时，研究院还在高新南区、西区打造了共计约3000平的办公场所，包括约1500平的公共平台实验室，为科研人才专注产品研发打造优越的硬件环境。随着研究院发展路径扩展，人才吸附力无疑将进一步增强。在研发支持上，研究院也是不遗余力。除了人才队伍的搭建，资金上也提供了极大的支持——2022年，研究院在研发支持上的资金投入已超过了1000万。而在公共技术平台方面，研究院已成功打造了PSTI-ADT切割联合实验室和可靠性测试及失效分析实验室。两大实验室均配备了千万级专业设备以及经验丰富的专业工程师。目前，两大实验室均已正式开业，并通过成都市高新区公共技术平台的申请。与此同时，在项目孵化上也是捷报频频。截至目前，成都岷山功率半导体技术研究院已成功孵化了2个新公司，分别为成都帕斯特复锦电力技术有限公司、成都锦蕊半导体有限公司。前者已突破多项高压大功率电力电子器件关键技术并获得5项发明专利授权，后者已成功认定为成都高新区高层次四派人才企业。不仅如此，研究院亦高度重视自主研发和知识产权专利的工作，截至目前，研究院申报知识产权专利数量已达60项，其中已审批通过的专利有20项。建树不断，彰显出成都岷山功率半导体技术研究院持续生长的生命力，随着首轮融资资金注入与支持下，相信研究院的生长生命力还将不断攀升，加之时代政策的扶持，让成都功率半导体产业集群的落地，大有可期。响应时代号召成都岷山功率半导体技术研究院启幕新征程近年来，随着绿色发展的主旋律奏响，在国家“碳中和”政策助推下，在新能源汽车、充电桩、光伏和风电等领域中的功率半导体发展前景被持续看好。因此，发展功率半导体不仅是在于时下良好的市场前景，亦是节约能源消耗、助推绿色经济发展的时代要求，更是助力我国半导体产业解决“卡脖子”技术问题的历史性要求。作为成都“岷山行动”首批揭榜挂帅的项目，成都岷山功率半导体技术研究院承接成都高新区探索科技成果转化新路径，构筑主导产业新的动力源的科技发展理念，聚焦功率半导体领域发展，聚集产业人才，同时引进国外先进资源，为成都创新科研机构发挥创新引领和示范带动作用。融资资金的注入，无疑为研究院的未来发展打下了良好的基础。成都岷山功率半导体技术研究院院长张帅表示：研究院首轮融资瞄准的是对成都功率半导体行业能提供价值贡献的战略投资人，包括熟悉产业并有情怀的民间投资机构和肩负推动发展成都和四川当地半导体产业的国有平台。在开放本轮融资不到一个月时间，民间战略投资机构就完成了1500万领投打款，国有投资平台也积极跟投500万。我们将利用本轮融资获得的资金继续加强研发团队建设、研发项目投入和可靠性测试及切割公共平台建设，加快成都岷山功率半导体技术研究院的发展速度并尽快孵化出更多的企业，带动产业集群发展，并力争在高新区贡献更多的税收，兑现我们对成都高新区政府的承诺，并回报各位领导和专家的信任与支持。成都岷山功率半导体技术研究院总经理白杰先表示：研究院的本轮融资来自于有产业资源的合作伙伴，除了其带来资金的支持外，我们都共同瞄准了功率半导体这个大有可为的半导体细分赛道，新股东的加入将为我们带来更多产业化、资本运作方面的助力。融资不是目的，而是加速公司成长的方式，感谢投资人给予我们的信任。关于成都岷山功率半导体技术研究院成都岷山功率半导体技术研究院，为2021年成都高新区“岷山行动”首批项目中支持力度最大的项目，获得近1亿元补贴及投资。研究院运营主体为成都复锦功率半导体技术发展有限公司，由前台积电高管张帅博士与前软银资本高管、现成都矽能科技有限公司总经理白杰先以及功率半导体著名专家张波教授共同发起成立，并由三位创始人领衔的技术专家团队、运营孵化团队、实验科研团队，联合国内外优质的功率半导体行业资源，发展新技术、开发新产品、提出新的解决方案、孵化新公司。在成都高新区“岷山行动”的政策支持下，成都岷山功率半导体技术研究院将以研发为基础，以专家团队和经验丰富的工程师团队为核心，以商业化为目的，未来将打造一个覆盖车规级、工业级和消费级功率半导体的新型产业化研发机构。旨在打造以成都高新区为中心的、辐射全国的功率半导体生态，在产业链条上通过自身研发及结合周边合作伙伴进行全面布局。最终将成都高新区打造为全国功率半导体产业高地。

记者27日从中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)获悉，由该所济南研究部(济南中科核技术研究院)自主研发、可为功率半导体做“CT”(计算机断层扫描)的功率半导体封测新添“利器”——“全自动绝缘栅双极晶体管(IGBT)缺陷X射线三维检测设备”，近日在湖南株洲举行的功率半导体行业联盟第八届国际学术论坛上亮相推出，备受业界关注。中科院高能所副研究员、锐影检测科技(济南)有限公司(锐影检测)总经理刘宝东博士接受媒体采访介绍说，IGBT是一种功率半导体器件，被誉为电力电子装置的“心脏”，在高铁、新能源汽车、轨道交通、智能电网、航空航天等领域应用广泛。IGBT模块在运行过程中会产生大量的热，需要及时散掉，它通常存在两个焊料层，焊料层气孔会严重影响散热效率，可能导致重大安全事故，因此需要对气孔率严格控制。目前，常用的检测手段是超声检测，但非常容易受散热柱的干扰，导致检测偏差。同时，超声检测要将模块浸入到水中，需要隔离水的工装，还需要人工操作，检测过程复杂，难以实现在线检测，效率较低。此外，普通的二维X光成像会将IGBT模块两个焊料层混在一起，无法区分，并且有些大功率模块带有散热柱，会严重影响气孔检测的准确率。针对这些问题，中科院高能所研发团队基于10余年在大尺寸板状物三维层析成像领域的技术积累，在成功研发专用于板状古生物化石的X射线三维层析成像仪器(1.0版)基础上，面向国家重大需求的工业CT，针对集成电路先进封装的检测需求，突破一系列关键技术，研发出分辨率更高、更成熟的2.0版“全自动IGBT缺陷X射线三维检测设备”。刘宝东称，该2.0版设备依托X射线计算机层析成像技术和先进的缺陷智能检测软件算法，并将人工智能算法引入检测系统，可对不合格产品进行自动识别及分拣，为IGBT模块封测提供全自动在线无损检测解决方案，从而大大提高检测效率，保障IGBT模块的产品品质。他表示，在功率半导体封测设备研发过程中，研发团队也积累了丰富的工程化经验。而作为中科院高能所与地方合作孵化的科技成果转化企业，锐影检测为团队经验技术转化为成熟产品提供了良好平台，从而打通从技术研发到产品应用的“最后一公里”。

据美国科学促进会网站8月18日报道，美国国家标准技术研究院利用世界最黑材料——森林状多壁碳纳米管作涂层，研制出一种激光功率检测器，可用于光通讯、激光制造、太阳能转换以及工业和卫星运载传感器等先进技术领域的高精度激光功率测量。研究论文发表在最新的《纳米快报》上。　　这种新型检测器几乎不会反射可见光。在波长从400纳米的深紫，到4微米的近红外线波段，反射少于0.1%，在4微米—14微米的红外光谱中，反射少于1%。这和伦斯勒理工学院2008年报告的超黑材料相似。2009年一个日本团队也有类似研究。　　正是受到伦斯勒理工学院的研究论文《世界最黑人造材料》的启发，国家标准技术研究院的科研人员对精细碳纳米管进行了较为稀疏的排列，把它作为一种热检测器的涂层，制成了用于测量激光功率的设备。碳纳米管是热的良导体，提供了一种理想的热量检测器涂层。虽然镍磷合金在某些波段能反射更少的光，但不能导热。　　纽约石溪大学的合作研究人员在一种热电材料钽酸锂上，生长出了碳纳米管涂层，涂层吸收激光转换成热量，温度上升产生了电流，通过测量电流大小能确定激光的功率。涂层越黑，光吸收的效果越好，测量结果就越精确。其独特之处在于，纳米管是生长在热电材料上，而其它研究中是生长在硅材料上。　　国家标准技术研究院用过各种各样的材料来做检测器涂层，包括扁平状的单壁纳米管。最新的涂层是一种竖直的森林状多壁纳米管，每根细管直径小于10纳米，长约160微米，深管有助于吸收随机散射光和任何方向的反射光。　　由于技术上要求检测器能测量的反射光谱更加广泛，国家标准技术研究院用了5种不同的方法花了数百小时来测量越来越弱的反射光，结果精确度都能达到要求。研究人员计划将设备的刻度运行范围扩展到50微米甚至100微米波长，这或许可为太赫兹射线功率测量提供一种标准。

8月3日，地产行业上市公司皇庭国际突然宣布跨界并购半导体公司——德兴市意发功率半导体有限公司（以下简称“意发功率”）。公告显示，皇庭国际下属全资子公司皇庭基金与意发产投基金的部分合伙人德兴产融基金管理有限公司、杨仲夏达成转让协议。转让方拟将其持有的全部份额（实缴出资额4600万元，占意发产投基金实缴总金额的20%）全部转让给皇庭基金。意发产投基金持有意发功率的股权比例为 66.6667%，交易完成后，皇庭基金将成为意发产投基金的执行事务合伙人及管理人，并持有对意发产投基金的实缴出资份额人民币4600万元（占意发产投基金实缴总金额的20%）。本次收购完成后，皇庭国际将通过意发产投基金间接持有意发功率的股权。意发功率成立于2018年，是江西省第一家芯片制造公司，也是江西省政府2018年度招商引资的实施主体。公司主要从事功率半导体器件及智能功率控制器件的设计、制造及销售，具备从芯片设计、晶圆制造到模组设计一体化的能力。公司产品广泛应用于工控通信、工业感应加热、光伏发电、风力发电、充电桩和新能源车等领域。其战略发展规划是稳定现有白色家电类功率半导体产业，积极开拓已被客户认可的光伏发电市场，并利用现有的充放电功率半导体的技术积累，积极拓展充电桩控制芯片、电动车控制芯片业务。截至3月31日，皇庭国际账面货币资金仅为3743万元。此外，公司目前拖欠中信信托27.5亿元的借款逾期未还。对于此次收购，皇庭国际表示，在功率半导体行业快速发展的大背景下，意发功率将迎来巨大的发展空间。本次收购是公司围绕“商管+科技”发展战略布局半导体行业的第一步，有助于公司形成新的业务。未来，公司将以意发功率半导体为基础，通过扩大再生产、产业链上下游的延伸等多种途径，提高上市公司盈利能力。同花顺（300033）金融研究中心8月5日讯，有投资者向皇庭国际（000056）提问， 董秘你好，请问公司的收购为什么要选择这个功率半导体公司，有没有长远的发展计划？公司回答表示，尊敬的投资者，您好！1、公司于2021年8月4日发布了公告《关于收购德兴市意发功率半导体有限公司股权的公告》，本次收购意发功率半导体公司主要是为推动公司战略转型，是公司围绕“商管+科技”发展战略布局半导体行业的第一步。公司做出上述决策，是综合考量行业发展及自身情况等多种因素后，做出的慎重选择。2、功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，是重要且不可替代的基础性电子产品，广泛应用于国民经济建设的各个领域。受益于新能源汽车、光伏/风电、5G基站、特高压、城际铁路、智能家电等行业的快速发展，功率半导体行业将迎来新的景气周期。3、意发功率半导体公司是一家集设计、生产集销售于一体的IDM模式的半导体公司，公司在技术、产品、客户等方面具有较强的竞争优势，且公司晶圆生产线已经投产，目前正处于产能爬坡的阶段，预计明年将进入满产状态。经过与意发半导体公司的多次、深入洽谈后，公司认为意发功率是一家非常理想的合作方。4、除本次收购外，公司还在与意发功率其他股东就股权收购及合作事宜进行沟通，后续根据相关谈判的进展，公司将及时履行审议及信息披露义务。未来，公司将以意发功率半导体为基础，通过扩大再生产、产业链上下游的延伸等多种途径，稳步深耕功率半导体业务，提高上市公司盈利能力。5、感谢您的关注。

第五届先进高功率电池国际研讨会The 5 th International Conference on Advanced High Power Battery （CHPB-5）时间：2022年11月1-2日地点：中国.苏州主办单位中国化学与物理电源行业协会中国电子科技集团公司第十八研究所承办单位北京中联毅晖国际会展有限公司第一轮通知我们刚刚在苏州召开的第六届先进电池正负极材料国际论坛（ABCA-6）取得了圆满成功，在疫情不稳定的情况下，会议参加人数达到了800人！在此，我们向所有参会人员、演讲嘉宾以及赞助商表达衷心的感谢！ABCA-6是以纯电动汽车动力电池技术发展为主线的会议，主要涉及动力电池正负极材料创新研究与应用的新进展，以及材料产业链创建与发展。对于纯电动汽车而言，动力电池一般是高比能量设计，即具有高的能量密度，确保一次充电的行驶距离；具有长的循环寿命和日历寿命，确保电池总行驶里程超过数十万公里和至少10年以上的使用寿命。ABCA-6论坛充分展示了近年来动力电池关键正负极材料以及辅助材料（导电剂、粘合剂等）研究与应用的新进展，其在确保动力电池比能量、寿命等要求方面起到了越来越重要的作用。尤其是本届会议特邀加拿大著名教授、锂电池专家、美国Tesla公司首席顾问杰夫.丹做了专题演讲，他用大量实验结果阐明，采用合适工艺与配方、特别是电解质添加剂等的优化，使采用NMC三元正极材料的动力电池完全可以满足电动汽车总行驶里程100万公里和使用期数十年，乃至一个世纪的要求，为新能源汽车的可持续发展提供了重要技术支撑。从全球来看，预计到2025年，全球新能源汽车销量将达到1800万辆；到2030年，全球电动汽车销量预计达到3000万辆规模。从国内来看，2021年我国汽车销售量重新转为正增长，销量达到了2628万辆，增幅为3.8%，结束了调整期。按照每年3%至5%的增速预测，到2035年，我国汽车年销量有望达到目前的1.5至2倍，约为4500万辆，再叠加4倍的渗透率成长空间，预计到2035年时，新能源汽车销量有6至8倍的成长空间，发展前景非常广阔。尽管COVID-19疫情依然严重，但来自韩国市场研究机构SNE Research发布的报告显示，2022年1-6月，全球动力电池装机量高达202GWh，较去年的115GWh大幅提升75.65%。随着疫情控制加强，我国汽车产业正在恢复增长，其中新能源汽车稳定保持世界第一的位置。因此，实现由工业和信息化部指导、中国汽车工程学会组织行业1000余名专家历时一年半修订完成的《节能与新能源汽车路线图2.0》中设定的目标是可以期待的。其中到2025年，BEV和PHEV年销量占汽车总销量15%-25%；到2025年混合动力乘用车当年销量占比达到50-60%（平均油耗达到5.6L/100km）。这预示我国未来的动力电池市场会越来越大。2021年中国动力电池的投资已超过万亿，产能扩张到1000 GWh； 2025年中国动力电池出货量将进入TWh时代，产值进入万亿级别。行业研究机构统计显示，2022上半年全球新能源汽车销量约408.7万辆，同比增长65%，相应的全球动力电池装机量为196GWh，同比增长82%。其中，排名前十的电池企业合计约183GWh，占总装机量的94%。相对于我国快速发展的BEV和PHEV市场而言，我国混合动力（微混/轻混和中混/全混）汽车也迎来了快速发展的良好机遇，如珠海COSMX冠宇通过快充电池材料的研究，在持续降低电池容量设计的前提下，大幅提升了12V锂离子电池的功率特性，推出一款“ 小体积、轻量化且低成本的启停电池”，取代目前采用的铅酸电池。不久以前， 中国化学与物理电源行业协会发布了《48V微混锂离子电源系统》（T/CIAPS0019—2022）标准 ，该标准的实施将极大地推进12-48V低电压电池技术与产品在混动车辆上的发展与应用。除混合动力车辆领域的发展需求外，近年来我国在电动工具和无人机装备等领域成为产销大国，由此对高性能、低成本、长寿命、高安全性“先进功率型”电池提出了创新要求， 为行业持续大力推进“新型高功率电池技术发展与推广应用”提供了重要依据。前四届论坛取得了丰硕成果，2022 年将继续举办第五届“先进高功率电池国际研讨会”，在当前我国技术与市场需求持续发展的有力支撑下，在广泛听取了业界的意见和建议基础上，进一步拓展和深化了论坛的内容，具体如下四个方面。1、先进高功率电池体系向多元化或混合体系创新发展：包括由金属氢化物镍电池扩展至锌镍电池，由双层超级电容器扩展至混合型电容器，由铅酸电池扩展至锂离子电池、钠离子电池，以及其它全新的混合电源体系等（如铅酸/功率型锂离子电池，超级电容器/高比能量锂离子电池）。2、增加先进高功率电池材料和化学体系最新研究进展：现有高功率电池综合性能的进一步提升，离不开新型电极材料、其它关键材料和集成创新技术的支撑。本次会议将增加“新型功能性电解质材料，含新型溶剂、盐（含离子液体）、各种添加剂等”和“隔膜材料，如低阻抗隔膜、高热稳定性隔膜或创新性处理技术等”的创新研究与应用等。3、拓展先进高功率先进电池的技术探讨：混合动力用先进功率型电池，不仅关注大电流脉充放电，更关注“大电流脉冲充电（可获取高效率瞬时能量回收），如微混或轻混车辆中使用的48V电池，充电功率要求高于放电功率等；消费者对电池低温充放电性能要求越来越高。因此对电池提升快充电性能、低温大电流充放电的创新技术研究将予以特别交流安排。4、拓展高功率电池应用领域的技术探讨：本届会议将继续围绕微混、轻混和全混合动力汽车、电动工具、无人机、电网储能调频等及相关电池系统的技术需求、创新研究与应用进展开展探讨。一、主要内容1、微混/轻混车辆市场展望及低电压应用（48V以内）的电池技术创新，特别是12&48V新型电池技术进展：1）微混车/轻混车辆市场现状与发展趋势及其对12&48V电池技术创新的要求；2）12&48V高功率锂离子电池或钠离子电池创新技术与应用进展；3）先进铅酸电池的技术进展（包括12&48V铅酸电池）；4）其它可能的48V电池体系及技术进展（如氢镍、锌镍、超级电容器或混合电源等）；5）12&48V电池系统集成技术（包括电性能、安全、循环、环境适应性、可靠性等）；6）12&48V高功率电池的标准化进展；7）适合极端条件下（如-40℃或更低、+50℃或更高等）的高功率电池技术开发与应用等。2、混合动力车辆（中混/全混）市场展望及高电压应用（100-300V或更高）的先进电池及体系创新技术进展：1）混合动力车辆市场发展现状及趋势分析；2）功率型金属氢化物镍电池技术及其在混合动力车辆上的应用新进展；3）其它功率型电池（锂离子、钠离子、锌镍、铅碳、超级电容器、锂离子超级电容器及其混合电源体系等）技术发展及其在混合动力车辆上的应用新进展；4）功率型电池系统集成技术（包括电性能、安全、循环、环境适应性、可靠性等）；5）功率型电池的评价技术及相关标准等。3、电动工具市场趋势及其对功率型电池的新要求：1）电动工具市场（包括北美、欧洲、亚太、拉美等地区市场）发展现状及趋势分析；2）功率型电池技术（包括锂离子和锌镍等电池技术）进展；3）超大电流持续放电对功率型锂离子电池应用的新挑战；4）电动工具用锂离子电池的能量密度和功率密度的发展趋势；5）电动工具的使用工况与功率型电池和电池包（块）的技术指标要求与评价技术。4、无人机市场趋势及其对功率/能量兼顾型电池的新要求：1）无人机市场趋势分析，包括消费级、行业级和农用级等；2）锂离子电池提升能量密度的技术方案及发展规划；3）全（半）固态电池的技术方案及发展规划；4）电池极限低温环境下充放电能力的研究进展；5）电池极限高温环境下长循环寿命的研究进展等。5、电网储能调频市场趋势及其对功率型电池的新要求6、起吊设备市场趋势及其对功率型电池的新要求7、列车高牵引力市场趋势及其对功率/能量型电池的新要求8、先进高功率电池的关键材料技术创新与应用进展：1）先进高功率电池新型正负极材料的研究与应用进展；2）降低高功率电池内部阻抗的关键材料研究与应用进展，包括高导电率电解质，高导电电极添加剂如碳纳米管、科琴黑等，低电阻粘合剂，高导电集流体，高强度/低离子电阻薄型隔膜等的研究与应用等；3）先进高功率电池全新正负极材料体系研究与应用进展等。9、提升先进高功率电池在高充电倍率下的充电接受能力：1）各种先进高功率电池的充电性能比较；2）镍氢高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；3）锌镍高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；4）锂离子高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；5）超级电容器的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；6）其它新型高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）等。二、会议会期与方式：以大会演讲方式进行，会议安排两天技术交流（关于设立分会场、看报告数量）。三、会议征文：1、大会报告遴选：采取邀请、推荐与投稿相结合，特别欢迎踊跃投稿；2、投稿或推荐安排；1）凡期望能够在本次会议上发表论文单位与个人，均可直接投稿或推荐演讲人及题目（包括推荐国外人员）；2）投稿时只需先交上题目与摘要（说明涉及的主要成果内涵，最长一页纸）；3）推荐演讲人时，请写明演讲人姓名、国家、主要从事研究内容以及详细联系方法（电子邮件地址）；3、推荐演讲人截止时间定于2022年9月25日；个人或单位投稿截止时间初定2022年10月10日。四、会议注册费：2022年10月25日前报名并交费：2800元/人2022年10月25日后报名及现场交费：3400元/人银行账号：单位名称：中国化学与物理电源行业协会地址：天津市滨海新区华苑产业区（环外）海泰华科七路6号开户行：中国银行天津西青支行开票注意事项：如果需要增值税专用发票，请提供单位名称、税号、地址、电话、开户行、账号。2022年11月后及现场交费的，增值税专用发票将于报到现场领取。正式注册代表享有：1、会议提供的资料及参会胸卡；2、会议茶歇提供的饮料及点心；3、会议提供的自助午餐；4、参加会议与讨论以及会议组织的活动；5、会后会议提供的总结报告 6、优惠的会议用房；7、会员单位代表参会可享受10%注册费优惠（仅限于2022年10月25日前报名并交费）。五、会议赞助：为了共同办好这次论坛，热烈欢迎各企业、科研院所,特别是大型电池/材料企业以及为电池/材料企业提供设备/仪器和服务的厂家赞助本次会议，并借此机会提高公司或单位的知名度。有关赞助事宜，请联系会议组委会。赞助商：本次会议设置总冠名、专场冠名、晚宴冠名、白金赞助商等赞助形式，赞助商根据不同的形式可分别享受到相应的权益。参展商：每个展位费用20000元（往届展商九折优惠），双开口展位23000元。包括2人的用餐、展台搭建、资料费用等。六、组委会联系方式：中国化学与物理电源行业协会E-mail:luhui@ciaps.org.cn北京中联毅晖国际会展有限公司E-mail:shaojie@sinobattery.com.cn中国化学与物理电源行业协会2022年8月30日

3月26日上午，由陕西省发展和改革委员会主办，中国科学院西安光学精密机械研究所、陕西电子信息集团、西安炬光科技有限公司等单位承办的“陕西省高功率激光器及应用产业联盟成立揭牌暨项目签约仪式”在西安光机所隆重举行。陕西省副省长吴登昌、陕西省决策咨询委员会副主任崔林涛、中国科学院院士侯洵、中国科学院院士姚建铨以及陕西省、西安市政府有关部门领导，该产业联盟所有成员单位代表等共400余人出席了揭牌暨项目签约仪式。　　为了贯彻落实《关中——天水经济区发展规划》，以建设西安统筹科技资源改革示范基地为契机，中国科学院西安光机所、陕西电子信息集团、西安炬光科技有限公司等三家单位发起组建陕西大功率激光器及其应用产业联盟的倡议。倡议指出，陕西在大功率激光器产业的技术和产业配套等方面具有较好的基础，为集群形成和发展提供了良好的条件，但还存在着产业分散、关联度低等问题，在一定程度上制约了全省大功率激光器产业的发展。因此，为大力促进我国大功率激光器产业快速发展，组建陕西大功率激光器及其应用产业联盟将刻不容缓。　　在陕西省发改委等单位的大力支持下，目前陕西省高功率激光器及应用产业联盟已集合了全省在该领域中的近20家企业、大专院校和科研单位入盟。通过整合资源，并充分利用中国科学院西安光机所和西安炬光科技有限公司在高功率半导体激光器领域的技术、人才和产业等优势，建设陕西省激光产业集群，打造一条技术领先、产业集聚、竞争力强的全新的产业链，以加快培育战略性新兴产业，推动结构调整和发展方式的转变。　　在本次签约仪式上，西安炬光科技公司与国投高科技投资有限公司签署了战略投资协议 与美国知名的激光器制造企业阿波罗公司(Apollo Instruments)签署了“光学整形与光纤耦合业务收购协议” 与西安光机所签署了“激光投影仪项目协议”，同时还与在陕的工业加工、医疗设备、科学研究等十余个激光器应用企事业单位签约了投融资项目和产品研发项目，总额近2亿元。　　大会期间，陕西省发改委副主任张振红代表省发改委宣读了“关于成立陕西省高功率激光器及应用产业联盟的复函” 中国科学院西安光机所所长赵卫代表陕西省高功率激光器及应用产业联盟在大会讲话 陕西省副省长吴登昌、陕西省决策咨询委员会副主任崔林涛、中国科学院院士侯洵、中国科学院院士姚建铨为联盟的成立共同揭牌。

截至3月20日，在曙采超稠油蒸汽驱杜84-33-69井现场，辽河油田采油工艺研究院井下大功率电加热提干装置，自1月11日成功投运，已连续平稳运行70天，加热功率突破1兆瓦，在每小时5.5吨的注汽速度下，井底蒸汽干度提高36%。超稠油蒸汽驱杜84-33-69井现场这标志着世界首台套1兆瓦井下大功率电加热蒸汽提干装置试验成功，迈出了辽河油田实现能耗及碳排总量双控降的坚实一步，在国内外稠油热采领域开辟出一条崭新的绿电消纳、降碳减排之路。研究背景作为国内陆上最大的稠油生产基地，辽河油田主要通过蒸汽锅炉实现注蒸汽热采开发，期间产生的热损失会极大增加能耗和碳排放量，严重制约油田绿色低碳转型发展。油田生产现场为实现国家“碳达峰、碳中和”目标，辽河油田围绕集团公司“清洁替代、战略接替、绿色转型”发展战略，加大清洁能源替代和控碳减碳力度，油田公司加大了井下大功率电加热技术攻关力度，按照 400千瓦、1兆瓦、3兆瓦“三步走”战略部署开展技术攻关与应用，助力辽河油田实现绿色转型发展。井下大功率电加热技术采油院企业高级专家张福兴表示：“以往稠油注汽都是在井口烧天然气，这套装置通过电加热器实现井口内外转换，可以在井下对蒸汽进行二次加热，相当于一个地下的清洁锅炉，大大提高了加热效率，可以通过降低锅炉出口干度的方式减少天然气用量，与此同时通过电加热达到提升井底蒸汽干度的效果。”井下大功率电加热技术工作原理看似简单，但每次技术升级难度极大。十三年的攻关历程，才带来了井下大功率电加热技术的成功突破。2011年：率先研发出150千瓦、450℃电点火装备，在多个油田推广应用90余井次，增油降本效果显著。2021年：成功研发出国内领先的400千瓦井下大功率电加热提干技术。2022年：着手研究1兆瓦井下大功率电加热技术。2023年：成功研发出世界首台套1兆瓦井下大功率蒸汽提干装置。从400千瓦到1兆瓦，意味着什么？张福兴表示，这是革命性、颠覆性的突破。科研人员多次深入现场在没有任何成熟经验借鉴参考下，科研团队通过成百上千次理论计算、仿真模拟及室内试验，历时15个月研发，成功突破450℃高温、4千伏高电压绝缘、每米5000瓦高功率密度、外径38毫米极限预制工艺、井口长期高温高压密封技术等7大行业性难题，总体技术达到国际领先水平。项目组计划在深层SAGD、超稠油蒸汽驱开展包括杜84-33-69井在内的3口井先导试验3年，试验期内预计总节约天然气36.75万方，累增油1.2万吨。下一步，项目组将依托集团公司科技专项《稠油大幅度提高采收率关键技术研究》及板块公司先导试验项目《稠油开发井下大功率电加热技术研究与试验方案》，推动传统地面燃气锅炉向新型井下清洁蒸汽发生器转变，在规模推广1兆瓦大功率电加热技术的基础上，加快攻克3兆瓦井下蒸汽发生技术，全面提升电气化率，完成能耗结构调整、实现绿色转型发展。到2030年，井下大功率电加热技术将在辽河油田超稠油蒸汽驱、深层SAGD等领域实现规模应用。从世界首座电热熔盐储能注汽试验站到世界首台套1兆瓦井下大功率电加热蒸汽提干装置，永攀科研高峰的辽河人不惧失败不畏挑战再次攻克难关创造奇迹。

记者日前从中科院电工所获悉，由该所太阳能热发电实验室承担研制的大功率太阳炉聚光器近日在宁夏惠安堡镇竣工，其成功研制表明我国科研工作者已掌握了大型高精度聚光器的核心技术和制作工艺。　　“太阳能聚集供热方法的研究及成套设备的开发”是国家“973”项目和“863”太阳能制氢课题子课题。大功率太阳炉聚光器经过近3年的研制，各项技术参数经过精心调试，已达到合同要求，并在太阳能制氢试验试运行中产出氢气。　　据介绍，该太阳炉系统由3个平整度为1毫米的120平方米的正方形定日镜、跟踪控制系统、300平方米大型高精度抛面聚光器、太阳炉和制氢系统组成。其中，定日镜边长11米，成三角形排列，后面一座高出前面两座1.8米。聚光器为旋转抛物面，旋转轴与地面平行，距地3米。根据惯例，太阳直射辐射按照1000瓦/平方米计算，该太阳炉的总功率是0.3兆瓦。此套系统是我国自主研发的第一台大功率太阳炉聚光器，总聚光面积300平方米，跟踪精度好于1毫弧度，峰值能流密度设计值高达10兆瓦/平方米。该太阳炉的热功率在世界排名第三，前两位分别位于法国的科学研究中心(CNRS)和乌兹别克斯坦物理研究所内。　　该系统通过将平面定日镜作为反射器把太阳光反射到对面的抛面聚光器上，经过抛面聚光器聚焦至焦点位置的太阳炉中心处，中心高温高达约3000℃，可在氧化气氛和高温下对试验样品进行观察，不受燃料产物的干扰。目前，该系统平台与西安交通大学的反应器接口已经成功产出氢气。

近日，住友矿山表示，计划量产新一代功率半导体晶圆，而且会使用自主研发的最新技术将价格降低10%到20%。住友矿山希望凭借这种新型碳化硅晶圆抢占美国科锐等领先企业的市场，使全球份额占比达到10%，预计2025年实现月产1万片。住友矿山是全球最大的车载电池正极材料厂商，拥有物质结晶技术，现将利用其他业务所培育出的技术实力进入半导体材料领域。据了解，住友矿山所开发的技术是在因结晶不规则而导致价格较低的残次品“多晶碳化硅”上贴一层可以降低发电损耗的“单晶碳化硅”可将价格降低10%~20%。纯电动汽车的逆变器在采用这款新型晶圆所制成的碳化硅功率半导体时，能将电力损耗降低10%左右。通过提高功率半导体的性能，减小整个单个装置的尺寸，有利于延长纯电动汽车的续航里程。从技术的角度来说，与硅基功率器件制作工艺不同，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，需要在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，最后在外延层上制造各类器件。传统的碳化硅外延基于单晶衬底，以实现晶格匹配和降低缺陷密度（微管、位错、层错等），但是单晶碳化衬底制备的成本较高。“住友矿山可实现从多晶碳化硅衬底上外延单晶硅层材料，在技术与成本上具有明显的优势。”赛迪顾问集成电路中心高级咨询顾问池宪念表示。而成本方面，相对于硅基材料功率半导体，碳化硅功率半导体能够降低电力功耗，会是功率半导体产品领域未来具有发展潜力的竞品。此外，消费终端的生产对于价格十分敏感，住友矿山碳化硅新晶圆的成本能够降低1~2成，价格优势将会成为住友矿山有效的竞争力之一。随着电动车对碳化硅功率半导体的需求日渐增长，这条新赛道上的竞争也越来越激烈。目前除了美国科锐外，美国II-VI公司及罗姆旗下的德国SiCrystal等也在涉足碳化硅半导体晶圆业务。对于这项新技术是否可以帮助住友矿山抢占科锐市场的问题，池宪念认为，美国科锐公司是全球6/8英寸碳化硅单晶衬底材料可实现产业化的龙头公司，在市场和技术上具有领先优势。如果住友矿山的新一代碳化硅半导体晶圆材料能够通过下游厂商的验证，并实现量产，则其将成为美国科锐公司的有力竞争者。

近日，住友矿山表示，计划量产新一代功率半导体晶圆，而且会使用自主研发的最新技术将价格降低10%到20%。住友矿山希望凭借这种新型碳化硅晶圆抢占美国科锐等领先企业的市场，使全球份额占比达到10%，预计2025年实现月产1万片。住友矿山是全球最大的车载电池正极材料厂商，拥有物质结晶技术，现将利用其他业务所培育出的技术实力进入半导体材料领域。据了解，住友矿山所开发的技术是在因结晶不规则而导致价格较低的残次品“多晶碳化硅”上贴一层可以降低发电损耗的“单晶碳化硅”可将价格降低10%~20%。纯电动汽车的逆变器在采用这款新型晶圆所制成的碳化硅功率半导体时，能将电力损耗降低10%左右。通过提高功率半导体的性能，减小整个单个装置的尺寸，有利于延长纯电动汽车的续航里程。从技术的角度来说，与硅基功率器件制作工艺不同，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，需要在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，最后在外延层上制造各类器件。传统的碳化硅外延基于单晶衬底，以实现晶格匹配和降低缺陷密度（微管、位错、层错等），但是单晶碳化衬底制备的成本较高。“住友矿山可实现从多晶碳化硅衬底上外延单晶硅层材料，在技术与成本上具有明显的优势。”赛迪顾问集成电路中心高级咨询顾问池宪念向《中国电子报》记者表示。而成本方面，相对于硅基材料功率半导体，碳化硅功率半导体能够降低电力功耗，会是功率半导体产品领域未来具有发展潜力的竞品。此外，消费终端的生产对于价格十分敏感，住友矿山碳化硅新晶圆的成本能够降低1~2成，价格优势将会成为住友矿山有效的竞争力之一。随着电动车对碳化硅功率半导体的需求日渐增长，这条新赛道上的竞争也越来越激烈。目前除了美国科锐外，美国II-VI公司及罗姆旗下的德国SiCrystal等也在涉足碳化硅半导体晶圆业务。对于这项新技术是否可以帮助住友矿山抢占科锐市场的问题，池宪念认为，美国科锐公司是全球6/8英寸碳化硅单晶衬底材料可实现产业化的龙头公司，在市场和技术上具有领先优势。如果住友矿山的新一代碳化硅半导体晶圆材料能够通过下游厂商的验证，并实现量产，则其将成为美国科锐公司的有力竞争者。

工欲善其事，必先利其器。高功率全固态激光器技术就是先进制造领域的一把利器。长期以来，国外在高功率激光技术领域一直对我国实行严密的技术封锁，严重制约了我国先进制造领域工业关键激光成套装备的发展。为摆脱我国在这一技术领域的长期被动落后局面，抢占战略主动权，自&ldquo 十五&rdquo 开始，863计划持续对该项技术进行大力支持，经过多年攻关，相继突破3kW、4kW、6kW和8kW的激光输出，到&ldquo 十一五&rdquo 中期，成功研制了具有完全自主知识产权的工业级5KW全固态激光器，打破了国际禁运。　　为加速成果转化应用，&ldquo 十二五&rdquo 期间，863计划继续设立&ldquo 先进激光材料及全固态激光技术&rdquo 主题项目，中国科学院半导体研究所牵头承担，以工业应用需求为导向，研制系列化的高稳定、高可靠的工业级全固态激光器及其装备，并在激光焊接、表面处理等领域实现产业化应用。目前，在项目研究成果基础上，我国首个具有自主知识产权的高功率全固态激光器生产线已在江苏丹阳建成，并实现批量生产 在汽车零部件激光焊接领域，自主研制的全固态激光器成功打破国外垄断，实现了产业化应用突破，自2012年以来，已为奇瑞汽车焊接了超过10万套自动变速箱的核心部件，为北京奔驰汽车焊接了近3万套天窗 攻克无预热情况下的激光熔覆防微裂纹、微气孔等核心技术，为全球第三大石油装备制造商威德福公司成功研制出超高耐磨转井部件，实现威德福首次将该类高难度核心部件从英国的剑桥转移到亚洲进行生产。　　经过863计划长期的持续支持，我国的高功率全固态激光器产品已初步形成了从自主研制激光器到成套装备集成再到应用的完整产业链。随着我国激光技术的不断进步，更多的高功率全固态激光器产品走上成熟的工业化进程，将为提升我国先进制造产业核心竞争力，扭转关键成套装备基本依靠进口的被动局面，加强国防建设提供有力的装备保障和技术支撑。

前言 风电功率预测是指对未来一段时间内风电场所能输出的功率大小进行预测，以便安排调度计划。风功率预测意义重大：通过风功率预测系统的预测结果，电网调度部门可以合理安排发电计划，减少系统的旋转备用容量，提高电网运行的经济性；提前预测风功率的波动，合理安排运行方式和应对措施，提高电网的安全性和可靠性；对风电进行有效调度和科学管理，提高电网接纳风电的能力；指导风电场的计划检修，提高风电场运行的经济性。 测风塔系统测风塔系统是风功率预测重要组成部分，其包括：风塔、传感器、电源、数据处理存储装置、安全与保护装置和传输设备等。传感器分为风速传感器、风向传感器、温度传感器、气压传感器和湿度传感器等，用来测量指定的环境参数为风功率预测提供依据。其中风速风向传感器以机械式和超声波测量为主。机械式风速风向传感器造价低，但是也存在着非常明显的缺陷：风速升高或降低时，由于惯性作用，升速或减速慢；有活动部件，极易磨损，易受沙尘等恶劣天气的损耗，易受冰冻、雨雪干扰，需定期维护； 对于阵风测量精度低；启动风速阈值高；风杯受到的风压力正比于空气密度，空气密度的变化将会影响测量精度； 风速和风向分立式，需要单独拉线，成本增加；本地采集端需要数据采集器进行模拟量到数字量的转换，成本增加而超声波风速风向仪很好地解决了以上的不足，技术成熟，安装方便，同时数字接口输出，可以节省本地数据采集器的成本。 Lufft测风塔解决方案Lufft作为全球专业的气象传感器供应商，其提供的超声波传感器WS200-UMB和气象五参数WS500-UMB很好地满足地测风塔数据的要求。WS200-UMB可以安装在30米、50米、70米和80米测量风速和风向，而WS500-UMB安装在10米高度测量风速、风向、温度、湿度和气压等参数。本文将从组成、传感器、数据采集、供电、防雷和通讯等几个方面阐述。 系统组成根据规范要求，系统配置包括：传感器（4* WS200，1*WS500）、机箱、太阳能板、电池和支架等组成。其中机箱内含有：电源模块、太阳能控制器、数据采集模块、通信模块，防雷模块、开关和接线端子等部件。 Lufft测风塔系统框图 现场安装示意图 传感器参数气象五参数WS500-UMB可以测量风速、风向、温度、湿度、露点温度、空气密度和气压，并配备电子罗盘，修正真风向。同时输出测量质量，判别测量输出数据的有效性。超声风探头配备加热功能，供电允许的情况下，有效抵制结冰积雪。 WS200-UMB WS500-UMB Lufft超声风传感器和气象五参数，性能良好，提供的数据丰富，产品特色总结如下:数字接口输出，无需外接数据采集器进行模数转换，可以直接连接数字通信模块（光端机或DTU），降低成本；除基本数据外，气象五参数还可以输出空气密度和风速风向的标准偏差数据；配备电子罗盘，现场安装施工难度大，人为调正北指向误差大，可用设备自身的修正风向；通过配置传感器参数，可以通过预留的接口连接第三方降水传感器，数字接口统一输出；探头具备加热功能，供电允许的情况下，可以有效防止结冰引起传感器的无法测量的问题，保证数据的完整性；测风质量是Lufft产品特有的技术指标，是传感器自身在测量过程中，单位时间内测量的有效次数与总次数比值的百分比；其体现了测量数据的有效性，尤其是同一地点不同设备输出数据的差别比较大的情况下，判断孰优孰劣的有力依据。 数据采集存储由于Lufft的传感器都是RS485数字接口，可以采用总线模式连接到数据采集模块或通信模块。同时，数据的采集和存储相对比较简单，不需要专门的数据采集器，可以选择带多个RS485口和以太网口的RTU模块（存储功能可以定制）。通信协议可以使用市场主流的Modbus协议。

全国大功率激光器应用分技术委员会在武汉成立　　曾被国外垄断的大功率激光器技术，通过技术标准创新，现已转化为我国具有完全自主知识产权的尖端产品。11月11日，全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会大功率激光器应用分技术委员会，在湖北武汉东湖国家自主创新示范区成立。　　大功率激光器是激光产业的高端核心技术。30年来，我国对大功率气体激光器、大功率固体激光器、高功率激光传输聚焦加工系统、大功率激光加工工艺等，实行了引进、吸收和消化，逐步开发出各种大功率的激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面处理的成套设备。随着这些高新技术的广泛应用，使钢铁、汽车、能源、电子、船舶等支柱产业的技术能力和制造水平得到迅速提升。　　然而，与美国、欧盟、日本等国相比，目前我国在大功率激光器的制造水平和应用规模上，尚处在初级研制或小规模生产阶段，尤其是高端的大功率激光器与激光加工成套设备几乎全部依赖国外进口。究其原因，主要是我国的大功率激光器尚未达到生产标准化，难以保证产品质量和提高技术档次，同时也限制了发展规模。因此，大功率激光器应用专业的标准研制，是促进我国激光产业科学发展的攻关大课题。　　近几年来，武汉华工激光工程有限公司旗下的科威晶激光技术有限公司，在引进生产大功率激光器的过程中，借助武汉华工激光工程有限公司的自主研发和标准创新，成功地开发出4000瓦轴快流二氧化碳激光器。这项拥有完全知识产权的大功率激光器，入选国家重点新产品计划，今年产销量可望达到120台。从此，国产大功率激光器实现了规模化量产，跻身于世界大功率激光器7大生产企业。　　武汉华工激光工程有限公司自主制定的大功率激光器生产标准，达到了国外先进水平。自2008年开始，湖北省和武汉市的质监部门积极支持该公司筹备激光领域的国家级标准化分技术委员会，以此提高我国大功率激光器应用专业的整体水平，缩短与国际先进水平的差距。经国家标准化管理委员会批准，由武汉华工激光工程有限公司申办的全国光辐射和激光设备标准化技术委员会大功率激光器应用分技术委员会，正式落户武汉东湖国家自主创新示范区。　　在全国大功率激光器应用分技术委员会一届一次工作会议上，确定北京工业大学激光工程研究院院长左铁钏等25位专家担任该委员会委员，武汉华工激光工程有限公司为该委员会秘书处承担单位。　　据了解，作为我国激光领域的首个国家级标准化分技术委员会，将站在行业发展的战略高度，对国内外大功率激光器应用加工设备的相关标准进行对比分析 组织编制大功率激光器应用的标准体系，制定大功率激光器应用技术和安全辐射等基础标准。

氮化镓（GaN）器件具有更高耐压，更快的开关频率，更小导通电阻等诸多优异的特性，在功率电子器件领域有着广泛的应用前景：从低功率段的消费电子领域，到中功率段的汽车电子领域，以及高功率段的工业电子领域。相比于横向器件，GaN纵向功率器件能提供更高的功率密度、更好的动态特性、更佳的热管理及更高的晶圆利用率，近些年已取得了重要的进展。而大尺寸、低成本的硅衬底GaN纵向功率器件更是吸引了国内外众多科研团队的目光。中科院苏州纳米所孙钱研究团队在读博士研究生郭小路及其他团队成员的合作攻关下，经过近三年时间的不懈努力，先后在高质量异质外延材料生长及掺杂精确调控、器件关态电子输运机制及高压击穿机制、高性能离子注入保护环的终端开发等核心技术上取得突破，该系列研究工作先后发表于电子器件领域国际专业学术期刊IEEE Electron Device Letters, vol. 42, no. 4, pp. 473-476, Apr 2021. Applied Physics Letters, vol. 118, no. 24, 2021, Art. no. 243501. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 11, pp. 5682-5686, 2021。团队成功研制出的高性能硅衬底GaN基垂直肖特基二极管，具有优异的正向导通性能（Ron=1.0 mΩcm2），开关比高达1011，理想因子低至1.06，正向输出电流1660A/cm2。器件的关态耐压达603V，器件的Baliga优值（衡量器件正反向电学性能的综合指标）为0.26GW/cm2。器件在175oC的高温及380V反向偏压下，开关性能仍未发生失效，综合实现了耐高温、耐高压等优异特性。硅衬底GaN基纵向功率二极管器件性能目前处于国际前列。上述系列工作的主要作者为中科院苏州纳米所在读博士研究生郭小路，团队特别研究助理钟耀宗博士和已毕业博士生何俊蕾等为相关工作作出了重要贡献，通讯作者为孙钱研究员和周宇副研究员。上述工作得到了国家自然科学重点基金项目、国家重点研发计划课题、中国科学院重点前沿科学研究计划、江苏省重点研发计划项目等资助。图1. GaN 水平器件与垂直器件的特点比较图2. GaN基纵向功率二极管的关态击穿电压与开态导通电阻（Ron,sp）的评价体系。国内外相关研究团队的自支撑衬底和硅衬底GaN基肖特基势垒二极管（SBD）,结势垒肖特基二极管（JBS），凹槽MOS型肖特基二极管（TMBS）器件性能的比较。图3.（a）硅基GaN纵向功率二极管的外延结构（b）外延材料的CLmapping（c）器件的结构示意图（d）制备器件的离子注入保护环。图4.（a）线性坐标下与（b）对数坐标下有、无离子注入保护环(GR)终端的硅基GaN纵向SBD的正向IV曲线（c）不同温度下硅基GaN纵向SBD的开态导通电阻（d）离子注入保护环个数对反向击穿耐压的影响。(e)有、无离子注入保护环对硅基GaN纵向SBD温度特性的影响。

功率器件可靠性研究和失效分析的基本介绍邓二平（合肥工业大学 电气与自动化工程学院 230009）摘要：功率器件可靠性是器件厂商和应用方除性能参数外最为关注的，也是特性参数测试无法评估的，失效分析则是分析器件封装缺陷、提升器件封装水平和应用可靠性的基础。可靠性测试项目的规范性、严谨性和可追溯性，对于功率器件可靠性评估和失效分析至关重要，也是保障分析结果全面性、准确性和有效性的基础。本文结合团队多年的可靠性和失效分析研究的相关经验，对研究步骤等进行了基本介绍，旨在为行业的发展提供可能的参考。1、引言功率器件近年来在国内得到了大力发展，尤其是第三代半导体器件SiC MOSFET与新能源汽车应用的结合，迎来了功率器件国产化的重大发展机遇，包括芯片、封装、测试和设备等。而可靠性研究和失效分析则是器件封装后评估器件长期稳定运行的基础，对器件封装改进、可靠性评估等具有重要意义。本文结合团队多年的可靠性研究经验，主要介绍了进行功率器件可靠性研究和失效分析的一些基本步骤、原理和需要注意的事项等，具体测试电路请参考相应的测试标准（如IEC、MIL、JESD和AGQ等测试标准）。功率器件主要包括：Si IGBT/diode, Si MOSFET/diode, SiC MOSFET/diode, GaN器件，目前市场上比较成熟的产品还是以硅基为代表的IGBT器件，电压等级最高可到6500V，电流目前最大到3600A。随着使用开关频率的提升、能耗要求和基础材料的发展，SiC基的功率器件己逐渐成熟，典型的代表是SiC MOSFET，新能源汽车的800V平台正大量使用1200V的SiC MOSFET。进一步地，GaN工艺的不断成熟以及在射频领域的发展经验，目前600V左右的高频开关领域GaN器件非常有优势，尤其是车载充电机(OBC)。不同类型的功率器件具有不同的特性，因此在测试方法和细节上要有所区分，如SiC器件由于栅极的不稳定性以及GaN动态的快速性需要重点关注。2、测试项目分类功率器件的测试一般分为基本特性测试来表征器件性能优良、极限能力测试来评估器件的鲁棒性、可靠性测试来评估器件长期运行稳定性以及失效分析助力器件改进和优化升级，具体如下。2.1 基本特性测试主要包括：静态特性测试（以IGBT为例一般指饱和压降Vces，阈值电压Vgeth，集-射极漏电流Ices，栅-射极漏电流Iges，稳态热阻Rth等静态参数）和动态特性测试（一般指双脉冲测试，包括开通延时时间td(on)，下降时间tf等动态参数），其中动态特性测试还可包括安全工作区SOA的测试，有RBSOA和SCSOA。静态特性主要表征模块的一些基本性能参数，是表征模块优良的重要指标，如饱和压降Vces表征器件的导通能力，Vces越小，模块工作过程中的导通损耗越小，相同条件下温升越小。器件加速老化可靠性实验前必须进行模块的基本特性测试，尤其是静态特性测试，一方面确保被测器件功能的完整性，另一方面可用于老化后的对比分析，助力器件失效模式的分析。但一般在可靠性老化测试中不进行器件的动态特性测试，即使是进行栅极老化的高温栅偏实验，一方面是动态特性测试时间很短，封装的老化并不会影响器件的动态特性，另一方面器件的部分动态特性可通过Iges和Vgeth表征，甚至可进行栅极电容的测试来表征。2.2极限能力测试主要包括：短路能力测试、浪涌能力测试和极限关断能力测试，考核的是器件在极端工况下的能力，尤其是关断能力。如短路能力测试主要考核器件在短路(一般有3类短路情况)条件下器件的极限关断能力，一般为10µs能关断电流的数值，主要考核芯片的能力。浪涌能力则是考核反并联二极管抗浪涌能力，一般是10ms正弦半波的冲击，尤其是SiC MOSFET的体二极管非常重要，可能还会影响栅极的可靠性，由于时间较长，主要考核封装的水平。极限关断能力则是考核器件饱和状态下在毫秒级的关断能力，如电网用的直流断路器需要在3ms关断6倍的额定电流。从物理和传热学理论来看，短路测试虽然会有大量的能量产生，最终也是由于能量超过芯片极限而损坏，但由于测试时间非常短，反复的短路测试不会引起封装的老化，而浪涌能力和极限能力测试则将进一步影响封装的老化，是加速老化测试未来应该重点关注的测试。进一步地，极限能力是特种电源等极端应用时需要重要关注的测试。2.3可靠性测试主要包括：功率循环、温度循环、温度冲击、机械冲击、机械振动、高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏和高低温存储等，额外的还包括盐雾等测试。按照应力的来源区分其实可分为电应力加速老化和环境应力加速老化，从器件研发到量产以及应用过程中，需要经过大于10项可靠性测试，机械冲击、机械振动、温度存储等主要考核的是器件在运输或者存储过程中的可靠性，而最重要的测试主要有高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏、温度循环和功率循环。这些实验也是工业界和学术界研究最多，最复杂的测试，尤其是功率循环测试。通过上述加速老化实验，提前暴露器件在芯片设计、封装工艺、样品制备、运输存储、实际应用过程中可能存在的问题，一方面可为器件厂商提供改进建议，优化器件的性能并提高器件可靠性，另一方面可为器件的应用方提供技术指导以及实际产品设计和可靠性验证提供数据支撑。2.4失效分析主要包括：SAM超声波扫描分析、X-ray材料损伤检测分析、SEM电子显微镜分析、光学显微镜分析和有限元仿真分析。SAM超声波扫描分析主要是通过超声波对器件内部各层材料进行探伤，尤其是材料的界面处，当存在一个空洞时，返回的超声波能量和相序发生了变化，即可进行定位。X-ray则更多是用于材料本体探伤研究，多用于材料级的失效分析，SEM电子显微镜和光学显微镜也是一样，但光学显微镜需要打开模块才能对相应的位置进行深入探究。有限元仿真分析是一个除实验外最好的检测、分析和研究手段，通过实验测量数据的对比和修正，完全重现实验过程中器件内部的细节和薄弱点，也是失效分析最难和最为重要的环节。3、可靠性研究步骤可靠性研究的基本步骤如下图1所示，一般需要在可靠性测试前进行一些基本特性测试确保器件的性能以及方便与老化后的进行对比分析，然后进行加速老化等可靠性测试，再进行基本特性测试和失效分析，探究器件的失效模式和失效机理。为了进一步深入探究器件内部各层材料在可靠性测试过程中的应力分布情况，可采用SAM超声波扫描以及有限元分析方法配合进行相应的失效分析。上述可靠性测试中高温栅偏100%与芯片有关、高温反偏约80%情况与芯片有关，也有因为封装老化导致的退化、高温高湿反偏测试也是类似的情况，其他所有可靠性测试均与封装有关，尤其是热特性和机械特性有关。图1所示的基本步骤也只是通用的研究过程，对于具体的问题还需要进行特定的对待和分析。比如大部分情况在可靠性研究中是不会进行极限能力测试的，但如果要研究器件老化对极限能力的影响，则需要进一步考虑，包括多应力的耦合测试。图1 功率器件可靠性测试基本流程这里以Si基IGBT器件的功率循环为例简单介绍一下可靠性加速老化的基本流程和各项参数测试的必要性，如下图2所示。以Infineon公司1200V, 25A Easypack封装的IGBT器件为例进行功率循环的老化测试、寿命评估和失效机理研究等。第I步：确定研究对象，也就是FS25R12W1T4，此封装内有6个开关组成的三相全桥，如下图3所示。上桥臂的IGBT开关共用一个上铜层，下桥臂的IGBT开关均是独立的，这里以U相的下桥臂开关S2为例，减小热耦合影响。S2的上铜层面积与芯片面积相当，热扩散角小，导致散热条件相对较弱，热量会更集中于芯片焊料层。第II步：器件基本特性测试，包括常温下饱和压降Vces (@VGE=15V，Ic=25A，Tvj=25ºC)，阈值电压Vgeth (@VGE= VCE，Ic=0.8mA，Tvj=25ºC)，集-射极漏电流 Ices (@ VGE=0V，VCE=1200V， Tvj=25ºC)，栅-射极漏电流 Iges (@VCE=0V，VGE=20V，Tvj=25ºC)，具体条件来源于器件的数据表datasheet。需要说明的是，这里只测试了器件常温下的基本特性，一方面是用于判断器件的性能与好坏，另一方面用于老化后进行对比，常温下的数据即可满足要求。若测试过程中发现某个器件的某个参数超过datasheet里的规定值，则说明此器件是不良品，需要更换新的器件进行测试。进一步地，还可通过此数据来评估各器件间的一致性。第III步：SAM超声波扫描，通过专有设备如SAM301进行器件封装内部各层材料连接状态的检测和参照，将模块倒置于装有去离子水的设备中，超声波从器件的基板开始向下探测，可得到器件各层材料的二维平面图，如下图4所示。此模块没有系统焊接层，因此只展示了器件最薄弱的，也是可靠性测试最为关注和重要的芯片焊料层和芯片表面键合线连接状态，对于新器件而言，各层的连接状态良好。做完SAM后还有一个非常重要的一步，尤其是对于硅胶封装的模块，将模块拿出后必须倒置放置24小时以上，以充分晾干模块内的水分 。进一步地，还需要通过加热板或者恒温箱将器件放置在85ºC环境中至少半小时以上，更加充分的挥发模块内的残余水分以不影响模块的性能。对于TO封装的器件来说，尤其有环氧树脂的充分保护以及环氧树脂吸水性差等特点，加上放置时间很短以及没有高温作用等，可不进行此步骤，但做电学特性实验前必须保证器件表面己无明显水分。在进行热阻等测试前，还需要进行连线，最好通过焊锡连接，以确保连接的可靠性。图2 Si基IGBT器件功率循环测试基本流程 (a) 内部结构 (b) 等效电路图3 FS25R12W1T4模块的内部结构(a) 芯片焊料层 (b) 芯片表面键合线图4 FS25R12W1T4模块SAM超声波扫描结果第IV步：温度关系校准，对于功率器件而言，器件的结温是评估模块电学特性和热学特性最重要的参数，结温不仅可反映模块的散热能力，还可影响器件的电学特性，甚至是可靠性。现在方法中，只有电学参数法测量结温适用并广泛应用于器件可靠性测试中，如热阻测试、功率循环、高温反偏等测试。一般来说，对于低压器件，测量电流选择合适的话，温度校准曲线将呈现完美的线性关系，如下图5所示。可以看到4个器件的曲线均呈现很好地线性关系，虽然在截距上存在一定的差异，但斜率几乎一样，说明芯片的一致性好，此微小差异一般来源于热电源的位置或者加热源的差异，但这种小差异可忽略。图5 FS25R12W1T4的温度校准曲线@IM=100mA第V步：瞬态热阻抗Zth测试，在进行功率循环测试之前，一般为了获得模块内部芯片PN结到散热器甚至环境的热路径情况，以及用于与老化后的状态进行对比，以定位模块失效位置，需要进行瞬态热阻抗Zth测试。通过两次不同散热条件下Zth的测试，也称为瞬态双界面法，可直接获得模块结到壳的热阻值Rthjc，以评估模块的整体性能。将被测器件按功率循环测试的要求安装到测试设备的水冷散热器上，放置好热电偶以以测量相应位置的温度，如壳表面，散热器或环境温度。瞬态热阻抗测试其实相当于一次功率循环，通过给被测器件通过相应的测试电流以加热器件至热平衡状态，降温过程测量器件的结温变化。这里需要注意的是，测试电流越大，测量电路的信噪比越大，测试结果越好，但要保证器件的最大结温不能超过器件允许的最大结温。此器件测量得到的Zthjs如下图6所示，测试条件为升温时间ton=5s, 降温/测量时间toff=40s, 测试电流IL=25A, 水冷温度Tinlet=58ºC, 测量延时tMD=200µs。图6 FS25R12W1T4的瞬态热阻抗曲线，#40器件在功率循环前的结果第VI步：功率循环加速老化测试，做完Zth测试和所有准备工作后，即可进行功率循环的测试，本实验室的测试设备有3条测试支路，每条支路可串联4个器件，共计12个通道，实验过程可以用2条支路或者3条支路。本次测试的器件为4个，每条支路串联2个被测器件，先通过调节测试电流，使得所有器件的结温差在目标温度范围左右，然后再通过控制各个器件的栅极电压来达到精细化和逐点调节。进一步地，通过控制外部水冷的入口温度调整所有器件的最大结温在目标温度范围左右，然后再通过安装条件的修正来达到各个器件的精细化和逐点调节。最终得到的测试条件为升温时间ton=2s, 降温时间toff=2s, 测试电流IL=29.7A, 水冷温度Tinlet=58ºC, 最大结温Tjmax≈150ºC，结温差ΔTj≈90K，测量延时tMD=200µs。功率循环条件设置完成后，只需要在程序中设定相应的保护即可实现完全无人值守运行，保护变量一般应该包括电压Vce保护，电流IL保护，热阻Rth保护，结温Tj保护，水温Tc保护，电源输出保护等。设置完成后的程序运行界面如下图7所示，可看到4个器件的测试条件相应比较接近。值得注意的是，上述测试过程中设置了测量延时，这是由于在半导体器件电流关断时，载流子复合需要时间，尤其是双极性器件。在这个延时时间里，芯片的结温其实是持续下降的，这就导致我们在延时时间tMD后测量的结温并不是器件真正的最大结温，而存在一定的误差，需要通过一些方法进行修正，如根号t方法，具体这方面的内容需要参考相关论文。而此结温的误差将会导致器件的寿命数据存在一定的差异，需要通过现有的模型进行相应的修正。进一步地，我们也看到不可能使得所有器件的数据完全一致，达到我们的想要的测试条件，最终在进行寿命对比时，需将所有器件的条件均归一到同样的条件以保对比的公平性和数据的正确性，如下图8所示。图7 功率循环运行界面示意图图8 功率循环寿命数据第VII步：瞬态热阻抗Zth测试，当模块老化到一定程度或者达到失效判定条件后，需要停止功率循环测试，对其进行瞬态热阻抗测试，进一步准确定位老化位置。测试条件与功率循环前一致，下图8列举了#40器件在不同功率循环次数条件下的测试结果，可以看到，随着老化程度的增加，器件的热阻增加。进一步地，可以看到在模块功率循环前没有经过老化(No.68)时，整个曲线均较小，当老化到一定程度后(No.76888)，热阻增加不是非常明显，可以理解为裂纹的形成过程。当功率循环加速老化持续进行(No.91522)，这个过程为焊料裂纹生长过程，热阻增加非常明显。图9 #40器件功率循环前后Zthjs结果对比第VIII步：SAM超声波扫描，将功率循环测试后的器件，利用原有的参数设置进行SAM超声波扫描，通过对比可得到器件芯片焊料层和键合线的老化状态，利于器件的失效模式和失效机理研究。下图10展示的是#40功率循环老化后IGBT芯片焊料层和芯片表面键合线的连接状态，可以看到芯片焊料层出现了白点，有严重老化的迹象，这也与图9的结果相吻合。而键合线的状态由于焊料的老化，改变了超声波的路径，使得键合线的状态很难识别，从实验结果来看并没有发生严重的老化。(a) 芯片焊料层 (b) 芯片表面键合线图10 #40器件功率循环老化后的SAM结果值得说明的是，图中的S3和S6也出现了老化是因为之前做过不同ton的实验，但也可以看到S2和S6的老化程度和现象比较一致，更集中于中心区域，而S3则比较均匀，这是由于S3具有更大的散热面积，使得S3焊料的温度分布更均匀。这里想给大家展示的是如何通过SAM图来获得相应的老化信息，要有全局观念，要知道整个实验的计划、过程、细节和数据等，才能给出更为准确的结论。第IX步：器件特性参数测试，完成器件的SAM测试后，仍然要将器件放置干燥处理后才能进行相应的电气特性测试，采用相同的实验条件对上述参数进行测量。一般情况下，上述参数在功率循环老化后不会发生变化，SiC MOSFET由于栅极可靠性问题可能会存在一定程度的阈值电压偏移。同时，Si IGBT一般也会存在轻微的阈值电压偏移，而且是负偏移，但一般在5%以内，这也侧面说明利用阈值电压作为温敏参数可能存在的误差。一般器件的温敏关系约为-2mV/ºC，假定器件的初始阈值电压为5V，则电压偏移25mV，最终导致约12 ºC的误差。第X步：有限元仿真分析，没有仿真解释和验证的实验数据是不可信的，因为实验数据很大程度依据于测试人员、经验、测试方法、测试条件等各方面因素；而没有实验验证的仿真分析也是不可信的，能否解释实际现象很关键。因此，有限元仿真分析其实与实验是相辅相成的，仿真的第一步必然是建立仿真模型，并修正和验证仿真模型的有效性。对于功率循环来说，考核的主要是器件封装在往复周期性温度变化过程中的热应力，因此，模块的热流路径至关重要，可通过瞬态热阻抗来修正模型。下图11为仿真和实验获得的模块S2瞬态热阻抗曲线，仿真与实验结果有非常高的吻合度，最后的些许差异来源于不同的安装条件，从两个实验结果也可看到。图11 S2的瞬态热阻抗曲线对比实验验证后的有限元仿真模型就具备与真实器件相同的热流路径了，可以用来进行功率循环仿真分析。这里值得一提的是，对于功率循环的功率循环仿真分析，必须使用电-热耦合仿真，一方面是纯热仿真没有芯片的电热耦合作用，另一方面是纯热仿真没有键合线的自发热现象，这会导致仿真结果的偏差。这里以S2和S3的有限元仿真来进行说明，下图12为功率循环仿真的结温变化曲线，芯片的结温提取的是芯片表面平均温度，这是与VCE(T)方法获得的值最接近的表征。仿真所用的条件均来源于实验测量结果，仿真过程与实验测试过程一样，通过调整芯片的电导率来获得不同的功率最终达到相同的结温差，调整环境温度来达到相应最大结温。(a) S2在不同ton条件下仿真的结温曲线 (b) S3在不同Tjmax条件下仿真的结温曲线图12 仿真得到的结温曲线获得与实验相同的结温后就可以进行器件内部更为细致和全面的分析，下图13为S2和S3在相同的功率循环条件下芯片表面的温度分布，由于铜散热面积的差异，导致温度分布有所差异，最终导致失效位置发生了变化，如图10所示。因此，通过电气参数的测试可以知道器件的整体变化情况，但无法定位到具体位置，而通过SAM超声波扫描则可获得基本位置信息，但无法准确分析其原因以及产生的机理。最终通过有限元仿真可以得到器件内部更为细节的信息，实现对器件的失效机理研究和封装结构优化。但最为根本的是要把握器件的所有信息，结果能进行相互验证，缺一不可。(a) S2, ton=2s, ΔTj=89.5K和Tjmax=147.7˚C (b) S3, ton=2s, ΔTj=90.9K和Tjmax=152.1˚C图13 芯片表面温度分布4、总结上述以功率循环为例详细描述了需要进行的哪些实验、步骤和原理，严格按照上上述实验步骤再加上一些经验基本上就具备了全面分析功率器件老化失效的能力。但要达到更高水平，尤其是能在做实验过程中主动解决所有遇到的问题，还需要更为细致和深入的学习，其中最最最为核心的就是要把握每个测试的基本原理。只有把握了这些参数、测试的基本测试原理，逻辑思路和功率器件的基本物理过程，才能更深刻的理解一些问题，并解决实际中遇到的问题。主要参考文献[1] MIL-STD-883G, United States Department of Defense Test Method Standard: Microcircuits, Method 1012.1 Thermal Characteristics, 1980.[2] Electronic Industries Association, Integrated Circuit Thermal Measurement Method – Electrical Test Method, EIA/JEDEC Standard, JESD51-1, 1995 (www.jedec.org ).[3] ECPE/AQG 324, Qualification of Power Modules for Use in Power Electronics Converter Units (PCUs) in Motor Vehicles [S], 2018. [4] U. Scheuermann and R. Schmidt, “Investigations on the Vce(T)-Method to determine the junction temperature by using the chip itself as sensor,” in Proc. PCIM Europe, 2009, pp. 802–807. [5] E. Deng and J. Lutz, "Measurement Error Caused by the Square Root t Method Applied to IGBT Devices during Power Cycling Test," 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Vienna, Austria, 2020, pp. 545-548, [6] 邓二平,严雨行,陈杰,谢露红,王延浩,赵雨山,黄永章.功率器件功率循环测试技术的挑战与分析[J/OL].中国电机工程学报:1-20[7] 赵雨山,邓二平,马丛淦,谢露红,王延浩,黄永章.考虑器件结构布局的功率循环失效模式分离机制[J].中国电机工程学报,2022,42(07):2663-2672.[8] 陈杰,邓二平,张一鸣,赵子轩,黄永章.功率循环试验中开通时间对高压大功率IGBT模块失效模式的影响及机理分析[J].中国电机工程学报,2020,40(23):7710-7721.[9] 邓二平,赵雨山,孟鹤立,陈杰,赵志斌,黄永章.电动汽车用功率模块功率循环测试装置的研制[J].半导体技术,2020,45(10):809-815.[10] 邓二平,陈杰,赵雨山,赵志斌,黄永章.90 kW/3000 A高压大功率IGBT器件功率循环测试装备研制[J].半导体技术,2019,44(03):223-231.作者简介邓二平(1989)，男，教授，博士，“黄山学者”优秀青年，中国能源学会专家委员，2013年哈尔滨工业大学获得学士学位，2018年华北电力大学获得博士学位，2018年6月留校任教(2018年~2022年华北电力大学)，2018年10月，德国开姆尼茨工业大2年学博士后，2022年5月，合肥工业大学教授。第二完成人获2021年电工技术学会技术发明二等奖1项，主持、参与多项国家项目和企业项目(30余项)，发表高水平论文70余篇，其中SCI检索论文30余篇，申请专利30余项。研究方向为功率器件(IGBT、SiC MOSFET和GaN器件)封装、可靠性和失效机理研究，如可靠性测试方法、测试技术、失效分析以及寿命状态监测等。

由工业和信息化部电子第五研究所提出，并主责起草的《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》（T/CASA 015）和《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法》（T/CASA 016）两项团体标准已完成征求意见稿的编制，根据《CASAS管理和标准制修订细则》有关规定，为保证标准的科学性、严谨性和适用性，现公开征求意见。《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》（T/CASA 015）规定了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法，评价器件在承受规定应力的条件下是否符合规定的循环次数。对于提升SiC MOSFET器件的可靠性评价与分析技术能力，支撑SiC MOSFET器件的可靠性改进具有重要意义。《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法》（T/CASA 016）规定了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法，适用于SiC MOSFET分立器件的结壳热阻测试。具体通知如下：关于《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》等2项团体标准征求意见的通知各有关单位：由工业和信息化部电子第五研究所提出，并主责起草的《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》（T/CASA 015）和《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法》（T/CASA 016）两项团体标准已完成征求意见稿的编制，根据《CASAS管理和标准制修订细则》有关规定，为保证标准的科学性、严谨性和适用性，现公开征求意见。请各有关单位及专家对本标准提出宝贵建议和意见，于2021年11月30日前以邮件的形式将《团体标准征求意见反馈表》反馈至联盟秘书处。特此通知。北京第三代半导体产业技术创新战略联盟2021年11月3日

有望将电机系统运行效率提高2%—3%　　近日，由湖南银河电气有限公司、湖南省计量检测研究院和国防科学技术大学联合研制的“变频功率标准源”在长沙通过鉴定。　　当前，国内外变频功率标准源的输出电压、电流只能达到1000V、100A，且只有美国等几个少数国家拥有该项技术成果。针对国家电机节能重点工程、变频功率、变频能量计量等领域的技术难题。由上述合作单位研制的“变频功率标准源”，其输出电压、电流已达到10000V、500A，在电机低频率、低转速的情况下，输出频率可拓展至5Hz，成功解决了变频电机能量消耗的测量统一性问题。　　以中国工程院张钟华院士为首的专家鉴定委员会一致认为：该项目研究的变频功率测量技术属当今国际计量领域的前沿课题，技术难度大。课题组采用数字合成、大功率放大、智能测控等技术，首次成功地研制出了变频大功率标准源，解决了目前其他国家无法解决的变频电量传感器、变频电量分析仪、变频高电压、变频大电流、变频电机效率等仪器设备、技术参数的量值溯源问题。解决了我国在节能减排等领域变频功率测量技术的瓶颈问题，研制的高电压、大电流变频功率标准源，填补了国内外空白，整体技术达到国际先进水平，其中的量程和频率范围等技术指标居国际领先水平。　　该成果有助完善面向战略性新兴产业发展、民生改善以及其他重点领域的计量基本标准体系建设 可为国家“电机系统重点节能工程”的变频电机效率测试、电机试验和电机节能改造提供计量保障 有望在“十二五”期间，将电机系统运行效率提高2%—3%，达到年节电能力800亿千瓦时的目标。

朱良漪，原机械部国家仪表总局副局长、中国仪器仪表学会分析仪器分会名誉理事长，是仪器仪表和自动化控制领域最早的开拓者，影响中国仪器仪表和自动化控制行业发展的奠基人。为纪念朱良漪先生矢志不渝推动我国分析仪器事业发展的精神，以及激发企业及广大科技工作者积极投身于分析仪器的创新工作中，由中国仪器仪表学会设置、中国仪器仪表学会分析仪器分会承办执行“朱良漪分析仪器创新奖”，共分为“创新成果奖”和“青年创新奖”两个奖项。　　“朱良漪分析仪器创新奖”的设立不只是对朱老的怀念与敬意，更是对分析仪器创新精神的坚守与传承。自2017年举办至今，“朱良漪分析仪器创新奖”已成功颁发四届，先后有12项分析仪器创新成果、14位青年创新科学家获奖。　　2021年度朱良漪分析仪器创新奖已经完成评审，最终获奖结果即将揭晓公布。在此之前，中国仪器仪表学会分析仪器分会与仪器信息网将联合走访“朱良漪分析仪器创新奖”往届获得者，倾听了解他们在获奖之后的新成就与新感受。　　2018年，钢研纳克检测技术有限公司(简称：钢研纳克)NX-100F系列食品重金属检测仪荣获“朱良漪分析仪器创新奖”之“创新成果奖”。 评审组认为：NX-100F系列食品重金属检测仪首次提出采用能量色散XRF测定粮食中的重金属元素，通过高压大功率管，大面积厚晶体探测器及特殊算法，实现了低含量重金属测定 在粮食应用领域，解决了探测器灵敏度的问题，使得设备能够应用到粮食安全监测领域，解决了食品中重金属的快速测定问题，具有很好的市场前景 有较强的创新性，产生了较好的经济效益和社会效益。　　获奖项目历经了怎样的研发历程，后续还将有哪些创新计划?以下为钢研纳克自述：　　“镉大米”事件推动产品问世　　2013年起，以“镉大米”为代表的粮食重金属污染问题逐渐受到广大人民群众的关注，本着对百姓口粮负责的态度，国家粮食局提出了分库存储、分类利用的原则，随后对粮食收储和监管部门提出了“谁流出，谁负责”的要求，国务院也进一步明确了粮食安全首长负责制。从事粮食生产流通、分析检测、仪器设备研发等相关领域的专家通过对这一难题的认真分析和梳理，一致认为，在收购、仓储、流通、贸易、加工、监管等各环节进行快速鉴别和筛查是解决粮食重金属污染问题的首要前提。　　面对数以万亿斤的检测对象，面对低于0.2mg/kg(稻谷中镉含量国标限值为0.2mg/kg，百万分之0.2)严苛的检测要求，当时普遍采用的包括原子吸收、原子荧光、ICP、ICP-MS、阳极溶出电化学等在内的各种检测方法，或因为需要微波消解等繁复的前处理过程，无法在易用性、快捷性等方面满足基层对快检筛查的需求 或因为对操作人员的素质要求较高，无法保证测试结果的准确性、一致性 或因为检测设备复杂精密，维护和使用要求较高，无法在基层进行推广。　　面对这一史无前例的高难度挑战，钢研纳克研发团队依托自身在检测设备研发、分析方法研究、标准制定、标物制备等领域深耕数十载的深厚积淀，秉持“纳百川，克难关”精神，全力攻坚，优选X射线荧光法为实现路径，从搭建实验平台开始，不断优化设计，不拘一格进行器件选型，反复实验挑战器件性能。试制数十个不同材质、厚度、外形的准直器、滤光片等光路器件 会同供应商一起设计高管压大功率X射线源，优化耐压和散热性能 与海外供应商一起实验，优化高性能探测器的细节，设计验证方法和验收指标 开发专用软件，通过数十万个样品的测试，优化痕量元素测试方法。经过近百个日夜的辛苦鏖战，第一代NX-100F型食品重金属检测仪问世。　　到最广大的基层粮库中去检验、完善　　2014年2月，国家粮食局组织了《粮食中镉含量检测方法国家标准适用性验证》工作，钢研纳克NX-100F是参加并通过验证的第一个，也是当时唯一一个X射线荧光光谱分析仪器。通过全国多位粮油检测专家的实际鉴定，该仪器具有对稻谷中镉元素的检出限可达0.038mg/kg，测试准确、快速、操作简便、无需制样、仪器零耗材、对操作人员素质几乎无要求特点。随后，钢研纳克研发团队携带仪器深入田间地头，到最广大的基层粮库中去检验、完善自己的产品，在湖南、湖北、浙江、江西、辽宁、云南、四川、中国农业科学研究院等进行了不同形式的验证工作。　　经过钢研纳克的不懈努力，团体标准《CAIA /SH001-2015 稻米 镉的测定 X射线荧光光谱法》、行业标准《LS/T 6115-2016 粮油检验 稻谷中镉含量快速测定 X射线荧光光谱法》相继推出并实施，GBW(E)100348-100362成套大米粉成分分析标准物质研制成功并获批上市，X荧光型粮食重金属快检仪器和方法逐渐为行业认可并接受。　　2018年，成果《NX-100系列食品重金属检测仪》参加了第二届“朱良漪分析仪器创新奖”的申报，并获得“创新成果奖”，纳克人深受鼓舞，并以更饱满的热情投入到X荧光方法检测粮食重金属仪器的优化完善中。开发了XRF检测铅砷的方法，拓展了仪器适用范围，并推出了具有高度自动化水平的NX-100FA产品，标配84位自动进样系统，降低基层检测人员频繁换样的劳动强度。　　我们的努力和“朱良漪创新奖”的影响力，使得NX-100系列仪器不断获得市场的认可，2018年至今的三年间，钢研纳克粮食重金属快检仪器共部署2000余台，服务于湖南、湖北、四川、浙江、广西、广东、辽宁、江西等省市和中储粮系统的各级收储与检测站点，取得了良好的经济社会效益。　　受此鼓舞，钢研纳克的其他研发团队也踊跃参与朱良漪创新奖的申报，《XRFZ-1000烟气重金属在线监测系统》项目和员工刘明博个人，分别获得2020年度的创新成果奖以及青年入围奖。　　“十四五”朝两个方向发力　　“十四五”开局，面对日益严峻的国际形式和纷繁复杂的市场变化，钢研纳克分析仪器研发团队着重从强化自身以及解决“卡脖子”两个方面发力。优势领域的设备，在可靠性和检测性能方面加大研发投入，精益求精 关键元器件研发领域，积极同国内具有技术优势的团队和科研院所合作进行开发和攻关，保证元器件供应的稳定畅通。　　分析仪器是小众行业，但却在国民经济中有着举足轻重的地位，相信随着社会的不断发展和进步，随着人们对生活品质要求的不断提升，随着越来越多优秀团队和青年在“朱良漪先生创新精神”指引下加入分析仪器事业中来，分析仪器行业一定会迎来“百家争鸣”，形成欣欣向荣的局面。