超快速功率计

德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）发布公告称，该所研究人员在基于金刚石氮—空位（NV）中心的超灵敏激光阈值磁强计研究中取得重要进展，可通过受激发射实现64%的信号功率放大，并显示出创纪录的33%的超高对比度。该研究将为进一步开发用于室温和现有背景场下的高灵敏度磁场传感器铺平道路。相关成果发表在近日的《科学进展》杂志上。金刚石中的NV中心是由一个氮原子和一个碳空位组成的原子系统。在被绿色激光照射时，会激发出红光。由于这些原子级NV中心的光度取决于外部磁场的强度，因此它们可用于高空间分辨率的微磁场测量。研究人员成功制造出具有高密度NV中心的金刚石，进而研发高精细的NV激光腔，首次通过实验验证了激光阈值磁强计的理论原理。IAF研究人员扬杰斯克博士解释说：“由于其材料特性，具有高密度NV中心的金刚石在用作激光介质时可显著提高测量精度。”杰斯克团队通过CVD（化学气相沉积）工艺在金刚石生长中实现了高水平的氮掺杂，并使用电子束和热处理，在后处理中使NV密度增加了20—70倍。在表征过程中，他们优化了3个关键因素：高NV密度、通过高通量辐照实现取代氮的高转化率和高电荷稳定性，从而成功生产出具有高密度NV中心的高质量CVD金刚石。此前，NV中心已被用于量子磁传感，但信号一直是自发发射而不是受激发射或激光输出。现在，IAF的研究人员不仅通过受激发射实现了64%的信号功率增加，还创造了一项纪录：与磁场相关的发射显示出33%的对比度和毫瓦（mW）范围内的最大输出功率。

table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="600"tbodytrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "成果名称/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "一种埋地钢质管道电磁超声内检测用大功率高频激励源/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "单位名称/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "北京工业大学/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "联系人/p/tdtd width="174"p style="line-height: 1.75em "王新华/p/tdtd width="159"p style="line-height: 1.75em "联系邮箱/p/tdtd width="192"p style="line-height: 1.75em "wxhemma2005@163.com/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "成果成熟度/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "□正在研发 □已有样机 ■通过小试 □通过中试 □可以量产/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "合作方式/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "■技术转让 ■技术入股 ■合作开发 □其他/p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong成果简介： /strong /pp style="text-align:center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/d522591d-0f2d-4d4a-aa35-3ebf14093fb3.jpg" title="QQ图片20160314182424.jpg" width="380" height="250" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 380px height: 250px "//pp style="line-height: 1.75em " 大功率高频激励源一直是障碍埋地钢质管道电磁超声内检测技术发展的一个关键核心器件，项目以提高电磁超声检测探头的换能效率为目标，基于射频理论提出了一种DE类射频功率变换器技术，它是以D类谐振变换器为设计基础，既具有D类变换器高功率输出特性，又具有E类变换器工作频率高的优点，同时克服了目前D类变换器高频工作性能差以及E类变换器开关利用率低的缺点，实现了高压、高频和大功率输出的功能，大大提高了电磁超声换能器的换能效率。研制开发的大功率高频激励源克服了现有电磁超声用电容储能式脉冲激励源以及全桥逆变式激励源在使用过程中的输出频率低、可控性差、发热大、结构复杂以及难以用作埋地管道电磁超声内检测激励源等缺点，解决了障碍埋地钢质管道电磁超声内检测技术工程化中的关键难题，对提高埋地钢制管道电磁超声内检测仪器研制水平，并为进一步研制和开发更高频率的多通道程控激励源奠定了基础。开发的大功率高频激励源性能指标达到：输出电压400Vpp、输出电流21Ipp、最大输出功率1.5kW、输出激励信号频率1MHz，具有体积小，重量轻，发热小，能够满足埋地钢质管道电磁超声内检测技术的要求。/pp style="line-height: 1.75em "br//p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong应用前景：/strong br/ 研究成果主要用于研制和开发埋地钢质管道电磁超声内检测器，目前埋地钢质管道电磁超声内检测器在国内尚处于研制空白，研究成果为研制和开发埋地钢质管道电磁超声内检测器奠定了基础。依托研究成果研制开发的埋地管道电磁超声内检测器主要服务于我国生命线工程的安全检测，应用于国内外油田生产企业、石油化工、管道运行、城市燃气公司等行业的埋地长输油气管道、集输管道、成品油管道、站场管道、输水管道、城镇燃气管道的内检测工程需求，仪器需求量大，市场前景广阔。此外，大功率高频激励源是实现电能变换和功率传递的主要设备，是一种技术含量高、知识面宽，更新换代快的产品，产业不仅适用于埋地钢质管道电磁超声内检测，未来还将应用到交通、运输、航空、航天、航运等领域，通过拓展不同的应用领域，扩大产品的市场规模。/pp style="line-height: 1.75em "br//p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong知识产权及项目获奖情况：/strong br/ 依托该研究成果，已获得国家发明专利2项、计算机软件著作权1项，并得到了北京市科委2014年首都科技条件平台科学仪器开发培育项目& ldquo 基于电磁超声的埋地钢质管道内检测大功率高频激励源的研发培育& rdquo 的支持。 br/ （1）一种大功率高频激励源驱动电路及其实现方法，发明专利：201510515817.7br/ （2）一种满足大功率高频激励源高性能输出的阻抗匹配网络及其实现方法，发明专利：201510280132.9br/ （3）大功率高频激励源控制系统软件. 软件著作权：2015SR032591/pp style="line-height: 1.75em "br//p/td/tr/tbody/tablepbr//p

近日，一份某国内功率器件制造企业的上市招股书引爆了网络。来源：芯微电子招股书被媒体报道引发“群嘲”乃至“网暴”的这家公司名为黄山芯微电子股份有限公司，而讨论对象居然是学历。根据芯微电子的招股书，员工学历构成中，本科人数16人，占员工总数比例2%；研发人员88人，占比11.1%。而与此相对应的，高中及以下学历员工占83%，生产人员占82%。讲真，如果不看主营业务，没有谁会认为这是一家跟芯片有关的企业。这网友最大的质疑，莫过于这样一家“劳动力密集型”的工厂能玩转芯片制造吗？来源：芯微电子招股书同时，从芯微电子的“出身”来看，似乎也跟吃瓜群众心目中的高大上“芯片制造”扯不上关系。官网介绍，公司创建于1990年，系由原安徽省祁门县黄山电器有限责任公司整体变更设立的股份公司，产品以晶闸管为主。创始人王日新先后在祁门县溶口乡农科站、林化厂、活性炭厂、瓷土加工厂工作。1988年到沈阳工业大学力半导体专业学习了1年多后，算是“半路出家”，1990年成立了乡镇企业黄山电器厂——即芯微电子的前身。来源：芯微电子招股书此外，被报道提及多次的两位女性骨干学历也成为“槽点”。研发部副部长仅初中学历，有晶闸管业背景，30年时间才从车间主任干到了副部长。另一位封装制造一部部长同样是初中学历，13年时间从焊接组组长升到了部长。据介绍，黄山电器2020年才改制为股份公司，并更名为芯微电子。早期的芯微电子，在国内率先实现了晶闸管方形芯片产品国产化量产，一路获得了国家级高新技术企业、国家级专精特新“小巨人”企业、安徽省技术创新示范企业等荣誉。且不论技术先进性和产品知名度，从乡镇企业到创业板IPO申请获得深交所受理，芯微电子的历史就已经算得上标准的“草根逆袭”了。要知道，国内最先进的芯片制造企业成立不过22年，国内某顶尖芯片设计企业独立只有18年历史，而与芯微电子类似的功率器件企业多采用IDM模式（意味着生产成本和人数），上市的捷捷微电、扬杰科技立时间均晚于芯微电子。而更多的本土制造企业在改开大潮中湮没，在国企改制中式微.....在安徽这样人才外流严重的省份，在一个中国半导体很难想到的小城市生存打拼几十年，解决大量低学历人口的就业问题，这一点应该受人尊重。更何况，剥离国家计划、海归人才和各种资本的加持，芯微电子才是无数中国土生土长的小微电子制造企业的“缩影”。高学历是搞芯片制造的必选项吗？在上个世纪还真不一定。毕竟高等教育在国内普及是目前21世纪才见到的结果，而一个企业的成长周期远不止20年。同时，国内“学历内卷”伴随的芯片人才短缺近3年才被频繁提及，而大洋彼岸发明集成电路的美国，此时最缺的反而是产线工人。

借由高功率显微镜和机器学习，美国科学家研发出一种新算法，可在整个细胞的超高分辨率图像中自动识别大约30种不同类型的细胞器和其他结构。相关论文发表在最新一期的《自然》杂志上。　　领导该COSEM（电子显微镜下细胞分割）项目团队的奥布蕾魏格尔说，这些图像中的细节几乎不可能在整个细胞中手动解析。仅一个细胞的数据就由数万张图像组成，通过这些图像追踪该细胞的所有细胞器，需要一个人花60多年时间。但是新算法可在数小时内绘制出整个细胞。　　除了《自然》上两篇文章外，研究团队还发布了一个数据门户“开放细胞器”，任何人都可通过该门户访问他们创建的数据集和工具。这些资源对于研究细胞器如何保持细胞运行非常宝贵，过去科学家们并不清楚不同细胞器和结构怎样排列——它们如何相互接触及占据多少空间。现在，这些隐藏的关系首次变得可见。　　在过去十年中，研究团队使用高功率电子显微镜从多种细胞中收集了大量数据，包括哺乳动物细胞。　　最新的机器学习工具可在电子显微镜数据中精确定位突触，即神经元之间的连接。研究人员调整了算法来绘制或分割细胞中的细胞器，该分割算法为图像中的每个像素分配一个数字，这个数字反映了像素离最近的突触有多远，算法使用这些数字来识别和标记图像中的所有突触。COSEM算法的工作方式与之类似，但维度更多。研究人员根据每个像素与30种不同类型的细胞器和结构中的每一种的距离对每个像素进行分类。然后，算法整合所有这些数字来预测细胞器的位置。　　研究人员表示，利用这些数字，该算法还能判断特定的数字组合是否合理。例如，一个像素不能既位于内质网内，同时又位于线粒体内。　　为了回答诸如细胞中有多少线粒体或它们的表面积是多少等问题，研究团队构建的算法结合了有关细胞器特征的先验知识。经过两年的工作，COSEM研究团队最终找到了一套算法，可为迄今为止收集的数据生成良好的结果。　　目前，研究团队正在将成像提升到更高的细节水平，并进一步优化工具和资源，创建一个更为广泛的细胞标注数据库和更多种细胞和组织的详细图像。这些成果将支持未来的新研究领域——4D细胞生理学，以了解细胞在构成有机体的不同组织中的相互作用。

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。

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。

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。

CEL-NP2000-Sun180太阳光功率计主要用在户外测量波长范围为300nm～3000nm的太阳光总辐射，可以实现测试太阳光0-180°连续全天候角度下的光功率辐射值，实现全天候测量。太阳光功率计感应面向下可测量反射辐射值，也可用于测量入射到斜面上的太阳辐射，加遮光环可测量散射辐射。CEL-NP2000-Sun180太阳光功率计可广泛应用于户外气象、太阳能利用，太阳光测量，农林业、建筑材料老化及大气环境监测等部门的太阳辐射能量的测量。太阳光功率计由双层石英玻璃罩、感应元件、遮光板、表体、干燥剂等部分组成。双层玻璃罩是为了减少空气对流对辐射表的影响。内罩是为了截断外罩本身的红外辐射而设的。感应元件是太阳光功率计的核心部分，由快速响应的绕线电镀式热电堆组成，感应面涂特种无光黑漆、热结点，当有太阳光照射时温度升高，与另一面的冷结点形成温差电动势、电动势与太阳辐射强度成正比，实现实时的测量。主要技术指标：1.灵敏度:7～14μvw-1m-22.光谱范围：300nm～3000nm3.测量角度：0-180°（全方位）4.测试范围：0～2000Wm-25.年稳定度：≤±2%6.余弦响应：≤±7%（太阳高度角10°时）7.方 位：≤±2%（太阳高度角10°时）8.响应时间：＜10s（95％响应）9.非 线 性：不大于±2%10.温度漂移系数：不大于±2%（-10～40℃）11.输出信号 0～20mV

实验室就是战场搞科研也是打仗——国防科大光电学院创新纪实　　2013年3月，国防科技大学光电科学与工程学院某课题组突破了光纤后处理、光纤盘整体冷却、宽波段光纤色散特性测量和光纤模式控制技术等具有自主知识产权的核心关键技术，研制出“高平均功率近红外全光纤超连续谱光源”，平均功率超过了国际同类研究的3.6倍，入选“2012年中国光学重要成果”。　　该院院长秦石乔教授刚刚主持召开了一个项目阶段性报告会，又急匆匆地赶往某实验室，组织课题负责人现场会商某难题，他接受采访时说：“习主席要求我们牢记能打仗、打胜仗是强军之要，作为军队的科技工作者，就是要牢固树立实验室就是战场、搞科研也是打仗的理念。”　　在科研中啃硬骨头　　光纤激光代表了高能激光的发展方向和趋势，具有重要的应用价值。单根光纤单模到底能出多大功率的激光?美国的劳伦斯国家实验室断言最大可以达到36千瓦，该院高能激光技术研究所周朴副研究员愣是不信这个邪，他带领学员通过扎实的理论分析，作出了73千瓦的论断，论文发表后，引起国际光学界的高度关注。　　光纤激光相干合成是激光领域的一个研究热点，由于系统复杂、研制难度很大，此前国际上此类系统的最大输出功率仅为725瓦。该所刘泽金教授率领课题组从最基本的物理机制出发，发明了两种新的相位控制方法，研制出“千瓦级光纤激光相干合成试验系统”，各项技术指标均达到了该领域国际最高水平。　　“在战场上赢家只有第一，第二就意味着失败，我们在高能激光的研制领域要始终保持冲锋姿态，在核心关键技术上牢牢掌握主动权。”高能激光技术研究所所长许晓军研究员说。　　今天的丢脸是明天的光荣　　该院某研究所从事某激光器件研制已经40多年了，他们早在上世纪80年代就研制出了原理样机，但是能否真正在武器装备上发挥作用，当时大家心里都没有底。第一代学术带头人高伯龙院士鼓动大家：“我们研制的器件，只有能够在装备上得到应用，才算尽到了军人的职责。我们必须一直到研制出实用性强的器件为止。”最终在上世纪90年代研制出了实用化的激光器件。　　新世纪初，某新型器件由于性能优异，被海军部队选作核心导航部件，靶场试验屡获成功。海军某领导在试验现场夸奖道：“这是海军部队此类试验第一次取得百分百的成功，非常值得庆贺啊。”但是，研究所的科研人员生怕器件还存在问题影响作战性能，又组织了一次次严格的试验。果然发现器件光强不太稳定，会对若干年后的使用造成隐患。　　在党委会上，研究所的科研人员统一了思想：不能因为今天丢脸，就为明天的使用留下隐患。他们主动找到海军相关部门，说明了情况。海军领导对此很是理解，主动提出给他们半年时间查找解决问题的方法。最终，他们改进了该型器件，并使得某武器平台的打击精度有了较大的提高。海军领导高兴地说：“你们是干实事的人，武器装备由你们研制，我们上战场一百个放心。”　　不苦不累不科研　　2010年，上级把某重大设备研制的任务交给该所。院党委有意识锤炼年轻人，安排了一批平均年龄不到40岁的年轻干部担当技术负责人。当时，面对一些接近物理极限的技术指标，大家一筹莫展。所党委及时组织思想动员，邀请老领导老专家讲传统话使命。李传胪教授当年“挖地三尺干革命”的科研故事，激发了年轻一代的斗志。大家天天泡在郊外的试验外场，早上很早就赶去，晚上十一二点钟才拖着疲惫的身子回来。　　平时工作忙，没有时间交流，研究所就实行每周6天工作制，利用周六组织大家集中交流研讨。小袁和小张是一对夫妻，同在研究所。两人一个负责微波源部分的研制工作，一个负责天线部分的研制工作。为了完成任务，夫妻两人把小孩丢给老人，每天一起去外场试验，见面就讨论技术问题，在相互的启发中收获了很多灵感。这种定期开“诸葛亮会”的做法已经坚持了两年多，许多技术难题因而得到了解决。　　2012年，研制工作取得重要进展，顺利通过了上级部门组织的转阶段评审。该所政治协理员曹亮激动地说：“年轻的科技工作者面对不亚于战场的环境压力，表现得非常顽强，这一点非常值得骄傲和自豪。”　　质量过硬才能打得赢　　近年来，学院承担的装备型号研制任务越来越多。学院为此专门成立装备研制工程与质量管理办公室，从一线科研人员中抽调经验丰富的工程技术人员专职从事装备研制的工程与质量管理工作。　　办公室成立后，部门人员认真查阅了总部、工业部门几千份有关装备研制质量管理的文件规定，虚心向业内的专家请教，制订了一系列质量管理的规章制度，组织开展装备研制过程质量工作。某型号装备交付部队，一般保修期为1年，但是考虑到该装备属高新技术武器，装备使用部队对维修保养工作存在疑虑，学院主动提出将保修期延长1年。　　在采访中，该办公室主任表示：“我们虽然是院校，是装备承研单位，但是我们同样是军人，深知为部队提供管用、好用的高新装备的重要性。”就是抱着这样一颗心，前仆后继的光电人为铸造共和国利剑作出了重大的贡献。

近日，中科院大连化学物理研究所研究员卢宪波和研究员陈吉平团队在电化学生物传感器的研发中取得新进展。团队设计合成了一系列二维导电金属有机框架（cMOFs），在此基础上制备的生物传感器展现出优异的电化学性能，实现了多种介质中神经毒剂的超灵敏抗干扰快速检测。相关成果发表在《分析化学》上。由于MOFs超高的孔隙率、巨大的比表面积以及可调整的结构和性能，各个领域已经对其展开了广泛的研究。然而，绝大多数MOFs的固有绝缘特性，阻碍了其在电子器件中的应用。卢宪波和陈吉平团队一直致力于新型纳米传感器在环境污染物快速检测上的应用研究。神经毒剂的急性毒性可致人、动物等死亡，其在化学中毒性疾病发病占比最高，亟需发展快速、廉价的检测方法满足应急检测需求。该工作中，团队合成了一系列基于不同金属中心和共轭有机配体的cMOFs，其良好的导电性和稳定性以及纳米尺度上活性位点的有序排列展现出对提高传感器关键性能的优异协同效应，而良好的导电性源自于金属中心和共轭配体之间的面内扩展d-π共轭。研究人员通过对cMOFs结构的原子级调整，发现了金属中心的种类以及孔径大小在电化学性能中的决定性作用。超小的羟基苯醌配体（THQ）具有明显的二维螯合效应，进一步提高了cMOF的导电性和稳定性。团队开发了基于cMOFs的电化学生物传感器，发现基于Cu3(THQ)2的传感器性能优异，通过显著降低信号底物的氧化电位提高了传感器的抗干扰能力，同时传感器灵敏度提高达到一个数量级。研究进一步证明了Cu3(THQ)2上密集的混合价铜和分析物之间电荷转移的重要作用，实现了多种介质中神经毒剂的超灵敏抗干扰快速检测。这项研究展示了cMOFs作为新型电极材料在电化学传感上的巨大潜力。

滨松光子学株式会社（静冈县滨松市，董事长：昼马 明 ，以下简称“滨松光子学（株）”）将传统泵浦用半导体激光器的功率提高了三倍，并优化了放大器的设计 ，成功开发了只有桌面尺寸大小，可以产生1焦耳（以下，j）的高能量、300赫兹（以下，hz）高重复频率的功率激光器。一般的激光器的输出功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，而该课题实现了小型却高功率、高重复频率的激光器。本产品的诞生，通过去除细小的污垢的激光清洁来提高了传统加工的生产效率，同时，期待它在金属材料的激光成形、延长金属器件的使用寿命的激光喷丸等方面的新应用。该产品的开发是内阁办公室主导的综合科学技术与创新研发推进项目（impact）的一部分，是佐野雄二负责的“普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会”研发项目的一环，由滨松光子学（株）中央研究所产业开发研究中心副所长川嶋利幸等人开发，而且今后我们也将继续推进研究成果的产品化。此外，该新研发的产品将于11月1日（星期四）起连续3天在actcity滨松（滨松市中町区）举行的滨松光子综合展“2018photon fair”上展出。＜关于功率激光器＞功率激光器主要由振荡器和放大器组成。 振荡器由泵浦用半导体激光器、激光介质、全反射镜、输出镜和光开关组成，放大器由泵浦用半导体激光器和激光介质组成。 由振荡器发出的激光通过放大器时，从三种高能量状态（激发状态）的三段激光介质接收能量实现高功率输出。功率激光器的结构＜新产品概述＞该产品搭载了最新研发的泵浦用半导体激光器，虽然只有桌子尺寸大小，但却是可以产生1j的高脉冲能量且300hz的高重复频率的功率激光器。滨松光子学（株）已经开始制造并销售300hz的重复频率下输出功率为100w的泵浦用半导体激光器。此次，结合公司独有的晶体生长技术和镀膜技术，将传统泵浦用半导体激光的功率提高到世界最高水平300w，同时放大器在激光介质的长度和横截面积上下功夫，并采用具有提高冷却效率的放大器，解决了由于热问题导致激光介质损坏或破坏的问题，成功输出了传统放大器的3倍能量。这是因为放大器采用了新的散热设计，提高了激光的放大效率。此外，由于采用半导体激光器作为泵浦光源，具有高于市面上销售的氙灯泵浦脉冲激光器约10倍的光电转换效率，约100倍的泵浦光源的寿命。通过控制零部件的数量，成功实现了器件的稳定输出、小型以及低成本。一般激光器的功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，但本产品却实现了小型而又高功率和高重复频率的特性。利用该产品，可以对附着于材料上的小污垢进行激光清洁，以提高传统加工的生产效率。此外，我们也期待脉冲激光器在工业领域的新应用，如飞机的金属材料等可以在不使用模具的情况下进行变形加工完成激光成形，以及通过激光喷丸来提高金属器件的使用寿命等。＜研发背景＞激光在金属材料的钻孔、焊接、切割等方面有着广泛地加工用途，为了提高生产效率，光纤激光器和co2激光器等各种各样的激光都在朝着高功率的方向发展。激光分连续输出一定强度激光的cw（continuous wave）激光和短时间内重复输出激光的脉冲激光，目前cw激光是激光加工领域的主流。另一方面，脉冲激光不同于cw激光，它正在朝着新型激光加工的应用方向发展。采用半导体激光器作为泵浦光源的功率激光器，它具有高功率、高重复频率的特性，但因为半导体激光器价格昂贵很难推向产品的实用化，而市场上销售的j级脉冲激光器上使用的泵浦光源多采用氙灯光源，对激光器内部有严重地热影响，因此重复频率只能限制在10hz左右。像这样，为了进一步提高生产效率，同时扩大用途，对小型且可以发出高功率、高重复频率脉冲激光的激光器的需求日益增加。主要规格＜委托研究信息＞此研究成果，是通过以下的科研课题项目得到的。内阁办公室创新研发推进项目（impact）项目负责人：佐野雄二研发项目：普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会研发课题：开发高功率小型功率激光器研究负责人：川鸠利幸（滨松光子学株式会社 中研研究所 产业开发研究中心 中心副主任）研发时间：2015年~2018年本研究开发课题是致力于开发桌子大小、高功率、高重复且稳定性高的脉冲输出的功率激光器。＜项目负责人佐野熊二的评论＞“普及功率激光器以实现安全、安心和长寿的社会”的impact计划，推动了大功率脉冲激光器的小型化、简化和高性能的发展，这对于探索最先进的科学和工业是不可缺的，同时，我们也正在推进相关基础技术和应用技术的开发，旨在提供可以随时随地使用，具有高稳定性的廉价激光器，向工业领域的创新努力。此次，滨松光子学（株）的开发团队采用了自有的先进半导体激光器作为泵浦高能脉冲激光器的光源，通过优化激光器件，以低价格实现前所未有的小型、高功率、高重复的激光设备。从限制成本和生产效率的角度来看，在我们之前放弃引入激光设备的领域，也期待会有更多的应用。功率激光器设备的结构 功率激光器设备外观

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。

第四届国际高功率激光科学与工程学术研讨会，为您带来疫情期间全球高功率激光研究最新进展。由中国科学院上海光学精密机械研究所发起并主办，中国激光杂志社、中国工程物理研究院、上海交通大学IFSA协同创新中心等联合主办的第四届国际高功率激光科学与工程学术研讨会（HPLSE 2021）将于2021年4月12–16日（报道：12日，大会时间：13-16日）在苏州举办。HPLSE国际学术研讨会已经成为国际上高功率激光和高能量密度物理领域最具规模和水平的国际会议之一，为全球高功率激光和物理学专家打造高端、活跃的学术交流平台。 众星联恒将携手日本NTT-AT共同亮相本次大会，并将有幸于14日下午在大会专题1分会场和各位专家学者就《X射线多层膜——原理、工艺、特点及其在静态和超快X射线衍射中的应用》主题进行交流分享。NTT-ATNTT-AT有着多年的EUV/XUV/SXR/X-RAY光学元件的研发与销售经验。在全球范围内，与来自高能密度物理，等离子体物理，同步辐射科学，阿秒科学等领域的众多科学研究者开展了紧密合作，积累了大量独特的设计、制造技术，其产品在业内享有很高的评价。专题一: 高能量密度物理激光等离子体相互作用惯性约束核聚变实验室天体物理核光子学超亮X射线及其应用激光驱动电子与离子加速极端非线性与相对论光学众星在主会场(17)及专题一分会场(13)均设有展台，诚挚邀请各位专家学者莅临，我们将在现场为您提供专业化的咨询服务。大会专题Topic 1: High energy density physics 高能量密度物理Topic 2: High power laser systems 高功率激光系统Topic 3: Laser components for high power laser 高功率激光单元器件Topic 4: Advanced laser technologies and applications 先进激光技术及应用

在基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）的激光雷达和面部识别系统中，对激光束的多属性评估至关重要。这些属性包括功率、频谱和时间脉冲形状，它们共同决定了激光性能的优劣。然而，捕获和准确测量这些属性，特别是对于准直、发散、连续和脉冲光源，极具挑战性。Labsphere的多功能激光功率积分球和传感器凭借其出色的性能和精确度，为解决这些问题提供了有效方案。我们可根据您的需求提供激光功率测量积分球。选择不同的尺寸和涂层以满足您特定的测试激光功率水平。同时，根据测试激光的波长以及光学探测器的光谱响应度校准范围，我们可为您定制最合适的光学探测器，确保满足您的所有需求。特点确保激光器发出的功率能够被全面收集，无论其发散角度或偏振状态如何。高效地衰减高功率，以防止传感器过载。集成第二个探测器端口，用于进行光谱监测或扩大波长覆盖范围。减少在裸露状态下，传感器有效区域响应不均匀所引起的误差。应用&bull 连续（CW）与脉冲激光测量&bull 实验室与生产测试&bull 镜头校准&bull 激光功率质量评估LPMS 配备皮安计和激光功率软件&bull 第n波长的平均辐射功率（连续波）&bull 第n波长的平均峰值辐射功率（脉冲）&bull 探测器采样率（Hz）&bull 探测器扫描间隔（秒）&bull 激光功率密度：单位面积的瞬时激光束功率，单位为W/cm2，可选择以cm2为单位的光束面积需要输入光束面积&bull 最大功率（连续波）&bull 最小功率（连续波）&bull 峰值辐射功率（脉冲）&bull 脉冲宽度或脉冲持续时间间隔&bull 辐射功率范围（连续波）&bull 辐射功率（W）&bull 重复率/频率（脉冲）&bull 标准偏差（连续波）&bull 总脉冲数&bull 波长（由客户根据激光输出和校准数据表选择）

北京时间10月3日17时50分许，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、匈牙利-奥地利物理学家费伦茨克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮呂利耶（Anne L’Huillier），以表彰他们在阿秒光脉冲方面所做出的贡献。2023年每项诺贝尔奖的奖金也由去年的1000万瑞典克朗，增加到1100万瑞典克朗，约合人民币720万元。“阿秒”是时间单位，即10-18秒。按照时间长短划分，从秒开始依次是毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)、飞秒(10-15秒)、阿秒(10-18秒)。而“阿秒光脉冲”就是指持续时间在阿秒量级的光脉冲。如此短的脉冲持续时间也为其带来了重要的应用。对此，诺贝尔奖给出的获奖理由如下：获奖理由：三位2023年诺贝尔物理学奖获得者因其实验而获得认可，这些实验为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具。Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier已经证明了一种制造超短光脉冲的方法，可以用来测量电子移动或改变能量的快速过程。当人类感知到快速移动的事件时，它们会相互碰撞，就像一部由静止图像组成的电影被感知为连续的运动一样。如果我们想调查真正短暂的事件，我们需要特殊的技术。在电子的世界里，变化发生在十分之几阿秒——阿秒如此之短，以至于一秒钟内的变化与宇宙诞生以来的秒数一样多。获奖者的实验产生了短到以阿秒为单位测量的光脉冲，从而证明这些脉冲可以用来提供原子和分子内部过程的图像。1987年，Anne L’Huillier发现，当她将红外激光传输通过稀有气体时，会产生许多不同的光泛音。每个泛音是激光中每个周期具有给定周期数的光波。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的；它给一些电子额外的能量，然后以光的形式发射出去。Anne L’Huillier继续探索这一现象，为随后的突破奠定了基础。2001年，Pierre Agostini成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲只持续250阿秒。与此同时，Ferenc Krausz正在进行另一种类型的实验，这种实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。获奖者的贡献使人们能够对以前无法遵循的快速过程进行调查。诺贝尔物理学委员会主席伊娃奥尔森表示：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解电子控制的机制。下一步将利用它们。”。在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，理解和控制电子在材料中的行为很重要。阿秒脉冲也可以用于识别不同的分子，例如在医学诊断中。魏志义：我国激光产业发展迅速，未来可期实际上我国也一直在阿秒激光领域深耕，培养了一批杰出的科研人员。当前国内研究超快激光和阿秒激光的主要代表人物是来自中国科学院物理研究所的魏志义研究员，主要研究领域为超短超强激光物理与技术，包括飞秒激光放大的新原理与新技术、阿秒激光物理与技术、光学频率梳及应用等。魏志义研究员长期致力于超短脉冲激光技术与应用研究，主要成果有：提出了高对比度放大飞秒激光的一种新方法，得到同类研究当时国际最高峰值功率的PW（1015瓦）超强激光输出，创造了新的世界纪录；发明了同步不同飞秒激光的新方案，研制成功综合性能国际领先的同步飞秒激光器；建成国内首个阿秒（10-18秒）激光装置，得到了脉冲宽度小于200阿秒的极紫外激光脉冲；发展了新的光学频率梳技术，研制成功综合性能先进的系列飞秒激光频率梳；利用新的脉冲压缩技术与国外同事一起获得了亚5fs的激光脉冲，打破了保持10年之久的超短激光脉冲世界纪录；研制成功系列二极管激光直接泵浦的新型全固态超短脉冲激光，开发成功多种飞秒激光产品并提供国内外多家用户。仪器信息网在世界光子大会上有幸采访了魏志义研究员。魏志义表示，超快激光（即超短脉冲激光）领域激光领域前沿研究主要关注如何实现越来越窄的激光脉冲宽度，窄的激光脉冲可以用于物质中分子、原子甚至电子的运动过程研究，因为运动过程决定了物质的一些规律和属性。科研人员关注的另一方面是激光功率，更高功率的激光可能用于武器、加工、医疗等领域。功率方面的研究主要包括峰值功率和平均功率，其中峰值功率研究我国处于世界前列。魏志义在采访中表示其对高频功率非常关注和感兴趣。谈到国内在相关领域的前沿研究进展时，魏志义表示，我国在激光领域具有比较好的基础，与国外水平接近，虽然在整体上还有较大差距,但在部分领域有所领先。在超快脉冲激光方面，我国上世纪八九十年代与国际水平差距并不大，如西安光机所、天津大学、中山大学做得都非常不错。当前超快激光脉冲突破到阿秒量级，国内包括物理所在内的一些单位也拥有产生阿秒脉冲激光的能力，可以用来开展研究工作。在激光高频功率方面，上海光机所等单位在峰值功率研究上已达国际领先水平，并将国际水平推向了新的高度。据介绍，物理所十多年前在峰值功率方面取得了很好的研究成果，做到了当时国内最好也是国际上最高的的峰值功率。但在高频功率方面我国还是与国外有较大差距，特别是在产业方面。魏志义建议，接下来不仅要在极端指标方面，还要在可靠稳定性、高频功率方面做出突破，更好的提供给广大用户开展应用工作。魏志义也强调，我国当前在超快激光研究方面有些落后，但也在奋起直追，跟国际最高水平相比有一定差距，在高频物理方面，工业应用方面差距更大。但同时，魏志义表示这些年我国激光产业发展非常迅速，未来可期。

在英国科学与技术设施委员会（STFC-UKRI）中央激光研究所，微靶制造科学家们正积极投身于高功率激光实验的微靶研究。新一代激光器提升了重复频率(高达10Hz)，这让高重复制靶法成为了重要的研究途径。在这些高功率激光实验中，科学家们依赖微流控装置实现亚微米级的液体片靶。然而，他们发现，依赖传统的机械加工或蚀刻来制造微流控通道，既耗时又昂贵。因此，研究小组正在寻求一种创新的解决方案，以便能够快速制作新的靶设计几何体原型来满足他们的实验需求。01、研究开发靶研究团队利用微流控设计了一种液体靶，当液体从微通道流出时产生了液体叶片靶。通道的设计会直接影响到叶片的质量，通过叶片的宽度和厚度判断。设计目标为制造出宽度为几毫米、厚度为几百纳米的叶片，以实现高精度实验需求。图1：当液体从通道中流出时产生的液体叶片靶由于液体的行为随通道的变化而变化，因此通道设计对实验来说尤为关键。需要平滑的通道以减少湍流，同时要严格控制出口的形状，因为它对最后的叶片质量起到重要影响。02、精密3D打印制造通道为了创建液体片，该团队利用摩方精密microArch S240打印出 20mm x 15mm x 5mm 的结构，其中有一个30μm 深的通道和一个 100μm 的出口。当然，与微型且精确的通道相比，该结构尺寸相对较大。但使用摩方精密设备打印较大的零件时，可同时保持通道所需的精度和准确度。现今通道选用钨材质，得益于钨能实现精确加工。在这种背景下，研究团队运用摩方精密 microArch系列设备的高精度 3D 打印系统，迅速准确地构建通道，为科研和快速原型设计提供了高效且成本较低的解决方案。图2：原钨件图3：高精度3D打印制造零件的特定部分原文链接：https://bmf3d.com/resource/high-precision-microfluidic-devices-for-high-power-laser-experiments/microArch S240microArch S240 作为摩方精密一款面向工业批量生产的超高精密3D打印机，不仅荣获全球光电科技领域最高奖—"棱镜奖（Prism Award）"，且具有以下突出特点和优势：高公差低层厚:光学精度高达10μm，±25µ m的加工公差，打印层厚10~40μm 打印体积扩大:满足工业打印的需求，可达100mm×100mm×75mm，实现更大规模的小部件产量；打印速度提升:最高提升10倍以上，快速缩短加工周期，为客户节省时间和成本；多种材料支持:支持多种高粘度陶瓷浆料（≤20000cps），以及耐候性工程光敏树脂、磁性光敏树脂等功能性复合材料的打印；应用领域广泛:卓越的精度、扩大的打印体积和多材料兼容性，满足客户在尺寸、性能和效率方面的多重需求。摩方精密作为目前全球唯一可以生产最高精度达到2μm精度，微尺度3D打印技术及颠覆性精密加工能力解决方案提供商，会持续专注于精密器件免除模具一次成型能力的研发，为客户提供制造复杂三维微纳结构技术解决方案。

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”。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人，和美国、澳大利亚的研究人员及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”为题，于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然⋅通讯》上。硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更快速率的自旋比特操控。电偶极自旋共振的一种方案是通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，但这会使自旋量子比特感受到更强的电荷噪声，从而降低自旋量子比特的退相干时间，同时降低自旋量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍硅基自旋量子比特单元的二维扩展。另一种有效方案是使用材料中天然存在的自旋轨道耦合进行自旋量子比特操控。硅基锗量子点中的空穴载流子处于P轨道态，因而天然具有较强的本征自旋轨道耦合效应和较弱的超精细相互作用。利用电偶极自旋共振技术，仅通过单个交变电场即可实现对空穴自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基自旋量子比特单元的二维扩展。鉴于此，近几年硅基锗空穴体系中的自旋轨道耦合研究和实现超快自旋量子比特操控成为该领域关注的热点。自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率及比特初始化与读取的保真度。因此，测量并确定自旋轨道耦合场的方向是实现高保真度自旋量子比特的首要任务。研究组在2021年首次在硅基锗量子线空穴量子点中实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控[NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基础上，李海欧等人进一步优化器件性能，在耦合强度高度可调的双量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取，观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择共振谱中所展示的不同自旋翻转模式，实现了自旋翻转速率超过540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人员通过建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献来自于该体系的强自旋轨道耦合效应（超短的自旋轨道耦合长度）。研究结果表明硅基锗空穴自旋量子比特是实现全电控量子比特操控与扩展的重要候选体系，为实现硅基半导体量子计算奠定了重要研究基础。图1. (a)硅基锗量子线空穴双量子点和自旋比特操控示意图，(b)自旋比特翻转速率随微波功率增加而增加， (c)微波功率为9dBm时，自旋比特操控速率可达542MHz。中科院量子信息重点实验室博士后王柯和博士研究生徐刚（已毕业）为论文共同第一作者。中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员和中科院物理所张建军研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧研究员得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。

微型激光测振仪在超声领域的应用最近几年，超声技术在各个领域的应用越来越多，比如利用超声波原理进行医学治疗的设备也在临床实践中被广泛应用。医学超声设备主要是基于高频振动波（超声波）传入人体组织，并在局部产生热效应、机械效应和空化效应，引起目标组织的改变，从而达到治疗的目的。昊量光电全新推出的微型激光测振仪是一种非接触式的振动测量仪器，能够精确测试医学超声设备的超声振动特性和模态，在产品的研发、质检和性能优化过程中起到了至关重要的作用。激光测振仪在医学超声领域的应用具有如下优势：1、激光聚焦光斑小、空间分辨率高，能够快速定位并测量超声手术刀、洁牙器等小尺寸超声器件；2、采用非接触式的测量方法，高效便捷，可以快速检测产线上的超声设备性能，确保产品一致性，甚至可以检测超声设备在工作状态下的超声波输出特性，更加真实地反映设备的实际使用性能；3、超声检测带宽大，最高可检测5MHz左右的高频超声，同时能满足20pm以下的微弱振动分辨率要求，检测精度极高；4、集成式光学自研芯片，无需额外控制器，体积小巧使得安装测试变得更加便捷，提高测量精准性！一、 超声换能器测振超声换能器是一种将电磁能转化为机械能（声能）的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成，常见的超声波清洗器、超声雾化器、B超探头等都是超声换能器的应用实例。针对超声领域应用需求，昊量光电全新推出了一套完整的台架式超声振动测量仪。作为这款测量仪核心部件的激光传感器，利用了集成光学技术将原有复杂光学元器件集成于微小芯片中，结合具有自主知识产权的调频连续波（FMCW）相干光检测原理，以小型集成化的设计模式，实现了传统复杂大型设备的测量能力。测试：20kHz 频率功率换能器，工作距离：375px振动图谱：在换能器在各个位置的测量结果。当换能器频率在 Mhz 附近时，幅度测量对测量精度的要求大大提高。结果显示，昊量测振传感器能很好的分辨振幅的实时波形，得到 nm 级的测量精度。二、 超声手术刀超声手术刀是一种通过激发20 kHz~60 kHz 超声振动的金属探头（刀头），对生物组织进行切割、消融、止血、破碎或去除的外科手术仪器。超声手术刀的工作性能一般与刀头的超声输出功率、频率直接相关，因此对刀头的超声特性探测至关重要。超声手术刀的刀头尺寸一般为5-10 mm，这种小尺寸结构很难采用接触式传感器测量其超声特性，而激光测振仪则可以轻松将激光聚焦到刀头位置，精确测量超声振幅与频率。三、 超声洁牙器 超声洁牙器主要工作原理是：将高频振荡信号作用于超声换能器，利用逆压电效应（或磁致伸缩效应）产生超声振动并传递至工作尖，工作尖受到激励产生共振，利用工作尖的超声波共振可以将牙齿表面的菌斑、结石或牙周表面的细菌等清除。依据我国医药行业标准（YY 0460-2009）和国际电工委员会标准（IEC 61205：1993）,超声洁牙器工作尖的超声输出特性是重要的检测指标。常规超声洁牙器工作尖振动频率主要设计范围在18 kHz~60 kHz，其中以42 kHz工作频率最为常见。同时工作尖尺寸往往较小（＜1mm），无法采用传统的接触式振动传感器进行检测。因此，对于超声洁牙器振动性能的检测，通常采用激光测振仪完成，其非接触式的检测方式便于开展产线上产品的逐个检测，是产品良率和一致性的有力保障。某品牌的洁牙器尖端测振四、 超声焊接 超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。五．技术参数介绍昊量光电全新推出的微型超声测振仪光学元件集成化可以实现更加复杂的设计和更多的功能。集成光学芯片可以在一个单一的光学基底上包含数十到数百个光学元件，包括激光器、调制器、光电探测器和滤波器等。相对于传统基于分立器件的多普勒测振仪，MV-H以其低功耗、高性能、小型化的优势，为客户带来了低成本、便于集成的解决方案，也为激光振动传感器的广泛应用奠定了基础。1.产品参数指标2.软件功能完善3.丰富的配件可选上海昊量光电作为这款微型超声测振传感器在中国大陆地区蕞大的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

6月24日，湖南省功率半导体产业对接会暨功率半导体行业联盟第八届发展战略高峰论坛在株洲举行。会上，4个功率半导体项目现场签约，分别为特种变压器智能制造基地项目、SiC半导体设备与基材生产基地、沃坦科通信连接器项目、功率半导体基板批量制造基地项目。其中，SiC半导体设备与基材生产基地项目建设单位为株洲诺天电热科技有限公司（以下简称诺天科技）。诺天科技致力于中高频感应加热设备和工业控制设备的开发生产与推广应用，产品广泛应用于航天、交通、机械、冶金、轨道交通机车车辆行业等几十种加工制造行业中。此前披露的环评报告显示，该项目总投资约1.5亿元，规划用地面积14053.85平方米，总建筑面积11211.89平方米，主要建设内容包括新建1栋3F厂房1#（总建筑面积7780.69平方米）、1栋5F厂房2#（总建筑面积3391.60平方米），1栋1F门卫3#（建筑面积39.60平方米），配套建设给排水工程、停车位、环保设施等。据悉，目前，株洲功率半导体器件产业集群规模达460亿元，构建了从“芯片—模块—装置—系统”的完整产业链，集群产品广泛应用于轨道交通装备、智能化输配电工程、新能源汽车等领域，远销欧美、东南亚等地区。近年来，株洲SiC产业蓬勃发展，德智新材料半导体用SiC蚀刻环项目、顺为科技集团IGBT/SiC功率半导体模块项目等多个SiC相关项目相继签约落地。其中，德智新材料半导体用SiC蚀刻环项目总投资约2.5亿元，主要用于半导体用SiC蚀刻环的研发、制造，投产后年产值超1亿元。顺为科技集团IGBT/SiC功率半导体模块项目总投资7.5亿元，主要生产工业调频、充电桩、储能逆变、光伏/风力发电用IGBT模块等，建成达产后可年产400万个IGBT模块及100万个SiC模块，预计年产值8亿元。此次包括SiC半导体设备与基材生产基地项目在内的4个功率半导体项目签约落地，有望推动株洲功率半导体器件产业集群规模进一步发展壮大。

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。

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。

准分子激光剥蚀系统在地质行业已经有广泛的应用，近年来，全球知名的激光剥蚀生产厂家Teledyne Photon Machines推出了短脉宽（＜5ns）超快速（脉冲频率300Hz及以上）准分子激光剥蚀系统IRIDIA。该系统联用不同厂家的ICP-MS、ICP-TOF-MS等，可广泛应用于各种不同基质样品的分析。2023年8月24日，由国家地质实验测试中心主办期刊《岩矿测试》、仪器信息网联合主办的新一期“现代地质及矿物分析测试技术与应用”网络研讨会将召开。期间，上海仪真分析仪器有限公司产品经理栗斌将分享报告《短脉宽超快速准分子激光剥蚀系统在地质及矿物分析中的应用》，介绍短脉宽超快速准分子激光剥蚀系统在地质领域较难分析样品（如石英、萤石）中的应用，以及LA-ICP-MS/LA-ICP-TOF-MS成像技术在地质及矿物分析中的相关解决方案。欢迎大家报名参会，在线交流。附：“现代地质及矿物分析测试技术与应用”网络研讨会 参会指南1、进入会议官网（https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/geoanalysis230824/）进行报名。扫描下方二维码，进入会议官网报名2、报名开放时间为即日起至2023年8月23日。3、报名并审核通过后，将以短信形式向报名手机号发送在线听会链接。4、本次会议不收取任何注册或报名费用。5、会议联系人：高老师（电话：010-51654077-8285 邮箱：gaolj@instrument.com.cn）6、赞助联系人：张老师（电话：010-51654077-8309 邮箱：zhangjy@instrument.com.cn）

波长调谐范围覆盖6-20μm的高重复频率（10 MHz）、高平均功率（10 mW）飞秒激光源具有重要的应用，由于大量分子在这个波段具有振动跃迁，因此有望用于痕量气体检测以及对由气体、液体或固体组成的复合系统进行与物理、化学或生物学相关的非侵入性诊断。但由于增益介质的缺乏，这些中红外源通常利用高功率近红外飞秒激光器驱动光学差频产生（DFG）来实现：近红外激光脉冲的一部分用作泵浦脉冲，另一部分采用非线性波长转换产生波长可调的信号脉冲，泵浦脉冲和信号脉冲之间的DFG产生可调谐的中红外脉冲。利用传统非线性光学手段产生的信号光脉冲能量较低，限制了中红外光源的功率，导致长波中红外飞秒光源无法广泛应用。针对该难点，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在长期开展基于超快激光脉冲产生及波长转换的基础上，利用自相位调制的光谱旁瓣滤波（SPM-enabled spectral selection，SESS）技术，基于高功率掺铒光纤激光器在高非线性光纤中得到了波长范围覆盖1.6-1.94μm、功率高达300mW（~10nJ）的信号脉冲，再与1.55μm的泵浦脉冲在GaSe晶体中差频得到了波长覆盖7.7-17.3μm的中红外激光脉冲，最大平均功率可达58.3mW。图1. 实验装置图实验装置如图1所示，前端为自制的高功率掺铒光纤激光器系统，重复频率为32MHz，经过啁啾脉冲放大后得到平均功率为4W、脉冲能量为125nJ、宽度为 290fs的脉冲。将激光脉冲分成两份，一份作为泵浦脉冲，另一份耦合到SESS光纤中进行光谱展宽。光纤输出处的展宽光谱由二向色镜分离，长通滤波器（图中的LPF1）将最右边的光谱旁瓣过滤出来作为信号脉冲。泵浦脉冲经过时间延迟线与信号脉冲在时间上重合后聚焦到GaSe晶体上，光斑大小约为50μm。再通过另一个截止波长为4.5μm的长通滤波器，生成的中红外光束经焦距为75mm的90°离轴抛物面镜准直。利用校准的热敏功率计测量中红外脉冲的平均功率，傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪来测量输出光谱。图2（a）为1mm-GaSe后输出光谱和功率，光谱范围为7.7-17.3μm，最大平均功率为30.4 mW。为了进一步提高输出功率，我们采用2mm厚的GaSe晶体，结果如图2（b）所示，整个光谱调谐范围内脉冲功率均大于10mW，最大平均功率达58.3mW。相比于以往基于掺镱光纤的中红外光源，本研究成果将DFG平均功率提高了一个数量级，并首次实验上观测到了工作在光参量放大机制下的高重频DFG过程。该高功率长波中红外光源基于结构紧凑的光纤激光器，可以用于实现中红外双光梳，从而推动中红外光梳在精密光谱学中的前沿应用。相关结果发表在最近的Optics Letters上（https://doi.org/10.1364/OL.482461），被选为Editor's Pick并成为当天下载量最多的5篇论文之一。图2. 在不同厚度GaSe后测量到的中红外光谱和功率:（a） 1mm-GaSe（b）2mm-GaSe。该工作得到了国家自然科学基金（批准号：No.62227822和62175255）、中国科学院国际交流项目（批准号：No. GJHZ1826）和国家重点研发计划（批准号：No. 2021YFB3602602）的支持。论文第一作者为物理所博士生刘洋，常国庆特聘研究员为通讯作者，赵继民、魏志义研究员也参与了该工作的设计和讨论。

近日，在中国科学院科研仪器设备研制项目的支持下，中科院空天信息创新研究院激光工程技术研究中心基于声光偏转器(AOD)调谐技术和光参量振荡技术(OPO)实现了8.0-8.7μm长波激光的可调谐超快波长切换，波长切换时间优于100μs，波长个数≥70个，单个波长谱宽≤30nm。该激光器能够在长波波段快速扫频且具有极高的峰值功率，将为我国复杂环境中的毒性气体遥测、光电对抗等提供优质的激光光源。光参量振荡技术(OPO)是非线性光学频率变换技术。随着非线性红外晶体制备技术的提升，基于OPO产生高峰值功率高重复频率长波激光成为目前激光技术研究领域的热点。然而，OPO技术通常基于温度、晶体转动、泵浦源波长调节等方式实现激光波长的调谐。项目团队提出基于声光偏转器调节参量光角度和相位匹配条件，进而实现输出波长的快速调节。历时3年，该团队先后突破了2μm激光源、红外晶体及谐振腔镜损伤特性表征、行波腔调谐补偿等关键技术，完成了超快波长切换的宽调谐范围长波固体激光光源的技术验证。后续，项目团队将按照中科院科研仪器设备研制项目的既定目标，开展工程样机研制和应用示范工作。AOD驱动频率与输出的长波激光波长

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，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）全光量子源团队开发完成了国内首台产品级高功率飞秒振荡器——Fermion-007。该产品弥补了国内瓦量级飞秒振荡器的产品空白，在国际上仅有立陶宛Light Conversion等少数几家公司具有相当技术指标的产品。Fermion-007采用了多项创新技术，仅一级振荡器即可输出大于7W、重频80MHz的飞秒脉冲激光，其指标、可靠性均达到国际先进水平。目前，研发团队已接到超快电镜应用领域的商业合作订单。作为产生飞秒脉冲激光的“种子”，超快飞秒振荡器（Ultrafast femtosecond oscillator）具有高重频、高光束质量等优势，但输出功率普遍较低，往往需要对其进行功率放大以满足应用需求。然而，这种“振荡器+放大器”的技术路线会大大增加系统复杂度，导致成本变高、可靠性变差，从而限制了飞秒激光的受众范围。此外，超快电镜、飞秒双光子显微成像等应用对激光重复频率也有较高要求，因此，高功率飞秒振荡器成为相关领域的急需产品。飞秒振荡器主要分为光纤和固体两大类。固体振荡器虽然技术难度较高，但最高输出功率比光纤高3个量级，且具有更高重频和更长的锁模器件寿命，是满足应用需求的最佳技术方案。二者的具体对比见表1。表1 光纤、固体飞秒振荡器参数对比光纤飞秒振荡器固体飞秒振荡器直接输出功率百pW至mW量级几十mW至W量级最高重复频率百MHz几GHz飞秒锁模方式/器件寿命SESAM/3个月1. SESAM/3个月2. 克尔透镜锁模/无寿命问题技术难度技术门槛较低。基于标准化光纤器件、光纤熔接机设计、生产。技术门槛较高。对于腔型设计、调试经验、工程化等均有要求较高。对于产品商业化而言，工程水平的高低起决定作用。定制化程度激光器结构、指标类似，激光表现主要依赖于光纤、熔接仪器等的上游器件的性能。结构灵活性好，适合针对应用定制功率、重频、脉宽、中心波长等指标国内商业化现状5-10家商业化公司目前尚无商业化公司基于上述应用需求和技术路线分析，北京量子院开发了Fermion系列高功率全固态（DPSS）飞秒振荡器。在不需要额外放大的情况下，Fermion-007可直接输出大于7W、80MHz的飞秒脉冲激光，脉冲宽度~120fs，中心波长1035nm。此外，输出激光还具有优异的光束质量和长期稳定性，两维M2小于1.2，12小时连续运转功率均方根值小于0.3%。图1 Fermion-007 光谱及脉冲宽度测量图2 Fermion-007 光束质量及长期稳定性工程化是激光器从实验样机蜕变成可用产品的核心环节。Fermion-007采用了低热阻晶体封装、一体化密封、温湿度负反馈控制等多项工程技术，并对腔体、冷却模组的设计进行了模拟优化，以降低高泵浦热量对激光器运行环境的不利影响。激光器采用克尔透镜锁模（Kerr-lens mode locking）作为飞秒脉冲产生、维持的机制，相比可饱和吸收体（SESAM）具有更长的寿命和更高的器件可靠性。此外，研发团队首次将新型“射频同步技术”应用到Fermion-007中，用以自启动及维持飞秒锁模状态，从根本上克服了克尔透镜锁模飞秒振荡器长期存在的“失锁”问题。图3 Fermion-007 机械热分布及水路的模拟高功率飞秒振荡器在双光子显微成像、光参量泵浦等领域应用广泛。近年来，随着相关技术的发展，超快电镜、超快电子衍射等标准化仪器对此类激光器的市场需求也在迅速提升。超快电子显微镜（Ultrafast electron microscopy(UEM)）是由传统电镜升级改造而成的高端分析仪器，“飞秒激光驱动光阴极”系统是其新增的核心模块。升级后的超快电镜除了拥有原子尺度的空间分辨率外，还具有飞秒-皮秒尺度的超高时间分辨率，由此成为研究材料动力学过程的有力工具。图4 Fermion系列产品在超快电镜中的应用研发团队与相关系统商开展了新型超快电镜开发的前沿合作，首次提出利用飞秒振荡器产生高重频的超快电子，以降低激光脉冲对光阴极造成的损伤风险。该方案有望从根本上解决此类仪器长期存在的光阴极可靠性问题，提高超快电镜产品的使用寿命和市场竞争力。据合作系统商的预估，超快电镜未来3年总市场需求量可达到50台/年。研发团队简介高功率飞秒振荡器是量子院全光量子源团队于子蛟助理研究员主导完成的研究项目。全光量子源团队于2020年由鲁巍教授组建，隶属于北京量子院技术产业开发中心。团队致力于打造支撑量子产业相关的关键激光设备，包括超快超强激光装置（TW-PW系统）、激光加速桌面光源及应用、新型高端科研飞秒激光器的前沿技术研究、产品研发及产业化落地。

讲到滨松的激光技术，最早要从参与激光核聚变研究开始讲起。为实现激光核聚变的能源开发，滨松与大阪大学的激光工程学院合作，共同推进用于固态激光激发的高功率输出LD的研发以及相关技术的研究。滨松四大事业部之一的激光事业部 在不断成熟的过程中，滨松也希望将自身的激光技术带入产业应用中。以此为原点，积极推进了各类激光技术的研发。逐渐拥有了包括了半导体激光器、固体激光器、激光器配套附件、以及有着全球专利的隐形切割等产品。正在工作的滨松隐形切割引擎（SDE）世界首创也是唯一可进行晶圆内部切割的技术，与多个知名厂商有着紧密合作关系 随着中国制造2025的不断深入推进，激光技术已成为一种不可或缺的支撑技术，在晶圆切割、手机屏幕粘贴、玻璃切割、塑料焊接以及表面处理等众多应用中都不可替代。而针对这些应用，滨松可提供从元器件一直到整套系统的全产线产品。并以各自的独特性能，为目前的技术应用带来更好的可能。 元器件产品半导体激光器泵浦源作为光纤激光器的重要组成部分，主要由半导体激光器芯片（CWLD）和快轴准直镜（FAC）封装而成。滨松拥有两款输出功率分别为12 W和22 W的 CWLD芯片，对应的条宽分别为100 μm和190 μm。由于CWLD发射的激光在快轴方向的发散角较大，大约达到25°，非常不利于之后的光纤耦合，因此需要在芯片发射前加上FAC，进行快轴方向光束准直。为此，滨松可提供在800 nm~1050 nm波长范围为内透过率达到99%以上的FAC来解决上述问题。同时，对于FAC的尺寸规格（长度、高度、宽度）以及有效焦距，可根据需求进行定制。模块化产品为了解决大功率半导体激光器封装的问题，滨松可为客户提供巴条模块和叠阵模块供选择。巴条模块主要有以下两款产品：L8413-50-808（808 nm）及L8413-50-940（940 nm），输出功率分别为50 W和60 W。巴条模块除了可以单个使用外也可以组合使用。多个巴条模块呈线阵排列，在与冷却装置配合使用时可达到高输出功率以及高可靠性。此外，滨松还可将多个巴条一起封装成940 nm的叠阵模块。该叠阵模块内含15个巴条，输出功率高达1200 W（80 W/Bar）。当然，我们可以在叠阵前面加上FAC，对快轴方向的激光进行准直，耦合效率高达95%。 叠阵模块可用于高功率固体激光器泵浦源或是材料的表面处理。巴条模块叠阵模块半导体激光器随着传统工业制造朝着更加精密的方向发展，激光焊接俨然成为激光加工领域的市场风口。激光加热光源（LD-Heater & SPOLD）作为滨松在激光焊接领域的主要产品，其重要程度自然不言而喻。激光加热光源适用于新型的塑料焊接和OLED屏幕焊接。这些产品主要有能量分布均匀的平顶光束、改变镜头实现可变光斑面积、可实时监测表面温度，加工效果“可视化”等优势。针对不同的客户需求，滨松可提供波长为808nm、915nm以及940nm，输出功率从10W至200W的产品。目前在OLED屏焊接和无损拆解、智能腕表的防水焊接等中都发挥着重要作用。LD-Heater & SPOLD 除了激光加热光源之外，滨松也提供基于叠阵模块集成开发的直接输出半导体激光器（DDL）。该产品的中心波长为940nm，输出功率为4000 W、6000 W（可选）。主要应用为表面处理包括熔覆和淬火。为了获得更好的处理效果，DDL输出的光斑为矩形平顶光束，即照射到材料表面光斑形状为矩形，并且能量分布均匀。此外，为了满足各种不同材料的处理需求，输出的矩形光斑的长宽比例可以通过附加镜头实现1:1~1:5改变。直接输出半导体激光器（DDL）光斑长度比 超快激光加工解决方案皮秒固体激光器（Moil-ps）与Wavefront Shaper空间光调制器模块的结合，是滨松可为超快激光加工提供的，包括激光器和整形系统的全套解决方案。滨松超快加工解决方案 此套方案可实现在ITO薄膜上同时钻孔1000个（单孔直径为1.5 μm），也可实现在电子元件上微型二维码的一次成型，大大提升加工效率。ITO薄膜同时钻孔1000个，单孔直径1.5μm电子元件微型二维码一次成型Wavefront Shaper空间光调制器模块是滨松在光束整形领域的新品。同时采用了均匀激光强度分布的匀化器、非球面透镜成像的光学系统等高性能光学器件并配合核心器件——滨松空间光调制器（LCOS-SLM），实现了高强度的激光加工。（滨松LCOS-SLM可以承受200W以上的平均功率）相对于元件级别的LCOS-SLM，Wavefront Shaper更容易连接到系统，可实现简单的计算机控制系统（各种DLL适配），并具备温度控制功能（提高激光毁伤阈值）。在光束整形、像差校正、三维加工、并行加工等中有着广泛的应用。滨松Wavefront Shaper空间光调制器模块 2019年，湖北工业大学-滨松中国-金顿激光共同建立的“激光加工联合实验室”。目前主要进行的，就是基于滨松空间光调制器的精密激光加工方案（钻孔、切割、打标等）的研究，包括不同应用的相位图计算算法、光路系统的搭建与优化、不同材料和应用的实验工艺验证等等。依托联合实验室，滨松也可以更快的为国内客户提供产品应用验证、打样等服务。激光隐形切割引擎&下一代激光加工引擎隐形切割可以说颠覆了现有的切割概念。该方法将激光聚焦至晶圆内部进行预切割，再通过扩张膜的张力实现晶圆的划片。相比传统的砂轮切割，可以实现完全干式工艺，切割后晶圆无崩片、高强度，并且可缩小切割道的宽度。滨松隐形切割是世界首创，也是唯一可进行晶圆内部切割的技术，目前在全球拥有600多项专利。为了提高使用的便捷性，滨松可为客户提供系统化产品——隐形切割引擎（SDE）。目前，已有4000台以上的隐形切割设备，在世界各大半导体工厂中稳定运行着。以深厚的隐形切割工艺积累，和卓越的SLM控制技术为基础，滨松最新开发出了下一代激光加工引擎JIZAI。其灵活性极强，客户可以自由选配SLM、扫描镜、自动对焦镜、物镜等内部器件，来获得不同成本和性能要求的JIZAI模块。JIZAI概念图这个小模块可以实现任意形状的加工光束，比如多点并行加工、像差校正、平顶光束等等。紧凑轻巧，可自由移动，在多点打标、内部打标、玻璃打孔、微通道成型等众多激光加工作业中都可应用。内部打标玻璃打孔微通道成型滨松成立于1953年，已有66年的历史，其与中国结缘于1988年合资工厂的建立。为顺应中国市场发展，2011年全资子公司——滨松光子学商贸（中国）有限公司于北京成立，负责集团在中国的产品技术、服务、市场以及销售，随后在上海和深圳设立了分公司，以更好地服务于各地区的客户。针对激光加工的市场需求，滨松中国于本土配备了专门的产品技术、市场及销售人员。在提供更快速、优质、本土化的服务外，还会基于滨松集团的广阔视野，为客户带去具有价值的前沿产品技术、应用、市场信息。同时我们也不断推进着与国内高校的合作，如通过成立联合实验室（湖北工业大学-滨松激光加工联合实验室）这种方式，进一步优化产品的使用，加强与市场联系。以期为客户提供可更好满足应用需求的优质产品解决方案。

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。

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。