功率半導(dǎo)體器件是能量變換中最為核心的部件，其封裝技術(shù)水平?jīng)Q定了整個變換器的性能水平和工作效率，其可靠性水平更是決定了變換器的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。不同應(yīng)用場景對功率半導(dǎo)體器件使用壽命要求是不一樣的，5年到40年不等，如消費(fèi)品一般為5年，工業(yè)產(chǎn)品一般為10年，汽車一般為20年，電力機(jī)車一般為30年，電網(wǎng)現(xiàn)在要求是40年。近年來，隨著新能源汽車、新能源發(fā)電和儲能等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對功率半導(dǎo)體器件的需求和要求提出了更多挑戰(zhàn)，尤其是封裝和可靠性方面。從整個功率半導(dǎo)體行業(yè)鏈條芯片工藝封裝可靠性應(yīng)用來看，封裝和可靠性是與實(shí)際應(yīng)用最接近和結(jié)合最緊密的環(huán)節(jié)，同時，測試又是各個環(huán)節(jié)都不可或缺的。芯片制造需要測試、封裝需要測試、可靠性需要測試，以及實(shí)際應(yīng)用也需要測試來評估器件的狀態(tài)等，隨著用戶對器件的理解加深以及要求提升，國內(nèi)對功率半導(dǎo)體器件封裝、測試和可靠性的需求也越來越強(qiáng)烈。國內(nèi)在功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先，得益于完善的教育機(jī)制和人才培養(yǎng)體系、融洽的產(chǎn)學(xué)研氛圍，以及最為重要的市場推動，但在器件封裝、測試和可靠性領(lǐng)域起步較晚，整個產(chǎn)業(yè)還存在很大的缺口，尤其是人才培養(yǎng)方面極缺。
本書是基于當(dāng)下功率半導(dǎo)體行業(yè)迅猛發(fā)展對高校學(xué)生尤其是研究生以及行業(yè)工程師基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)測試技能等需求，并充分結(jié)合筆者課題組新研究生入學(xué)基礎(chǔ)培訓(xùn)大綱的核心內(nèi)容，以及行業(yè)前沿學(xué)術(shù)研究而編寫的。在內(nèi)容選取和章節(jié)編排上堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合，一方面考慮了高年級本科生或研究生的科研需求，有一定的基礎(chǔ)理論知識；另一方面融合了行業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求和工程師實(shí)踐的復(fù)現(xiàn)性和可參考性，以實(shí)際案例對測試標(biāo)準(zhǔn)、測試方法和測試結(jié)果分析等進(jìn)行了詳細(xì)描述。在內(nèi)容闡述上力求簡明扼要和圖文并茂，爭取把每個知識點(diǎn)講透，方便讀者自學(xué)和工程師在實(shí)際工作中參考。因此，本書編寫的出發(fā)點(diǎn)更多的是考慮實(shí)踐，關(guān)于功率半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體理論知識和工藝過程，可參考國內(nèi)外其他半導(dǎo)體相關(guān)的專業(yè)書籍。
本書共分為10章，第1章和第2章為功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識，有助于讀者對功率器件有個全面和基礎(chǔ)的認(rèn)識；第3章到第5章為器件的特性測試內(nèi)容，有助于讀者對功率器件的特性進(jìn)行全面把握，了解器件在實(shí)際應(yīng)用中的特性；第6章到第8章為器件的可靠性測試，分為三大類環(huán)境可靠性、電應(yīng)力可靠性和功率循環(huán)，便于讀者在理解器件可靠性，做可靠性測試分析、數(shù)據(jù)分析和壽命模型時有所參照；第9章講述的是高壓芯片及應(yīng)用時需要重點(diǎn)關(guān)注的問題宇宙射線失效，對應(yīng)的是浴盆曲線中間(隨機(jī)失效部分)，有助于指導(dǎo)器件應(yīng)用方在高海拔地區(qū)的降額使用，以保證系統(tǒng)的失效率；第10章是結(jié)合前面9章的內(nèi)容及當(dāng)前行業(yè)發(fā)展需求，對功率半導(dǎo)體器件封裝、測試和可靠性這三個大的方面進(jìn)行了展望，預(yù)測了未來發(fā)展趨勢。各章具體內(nèi)容如下。
第1章功率半導(dǎo)體器件，重點(diǎn)從器件的應(yīng)用角度出發(fā)來探究不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�功率半�?dǎo)體器件的需求，尤其是封裝形式和可靠性的要求，然后針對不同芯片材料給出了現(xiàn)有主流器件(PiN二極管、MOS器件、IGBT器件、SiC MOSFET、GaN HEMT和GaAs二極管)的基本工作原理，最后從半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)、工藝、測試角度出發(fā)介紹了半導(dǎo)體基本工藝、晶圓級測試和仿真分析技術(shù)。
第2章功率器件的封裝，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)有分立式封裝、模塊式封裝和壓接型封裝三大類的特點(diǎn)、材料、工藝和設(shè)備，然后針對器件的柵極驅(qū)動以及數(shù)據(jù)表進(jìn)行了深入解讀，最后結(jié)合功率器件封裝設(shè)計(jì)的需要，對封裝的仿真分析技術(shù)進(jìn)行了介紹。
第3章器件特性測試，重點(diǎn)從器件靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)三個方面來展示、論述，對測試標(biāo)準(zhǔn)、測試技術(shù)、測試設(shè)備等進(jìn)行了分析，并結(jié)合各參數(shù)的特點(diǎn)分析了測試電路和難點(diǎn)等。
第4章器件結(jié)溫測試，結(jié)溫是功率器件封裝、測試、可靠性和應(yīng)用最重要的參數(shù)之一，其準(zhǔn)確測量一直是行業(yè)難題。本章重點(diǎn)從器件結(jié)溫的定義、測試方法、測試原理，以及存在的難點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)論述，同時還展示了器件內(nèi)部多芯片并聯(lián)及單芯片表面結(jié)溫分布的測量技術(shù)。
第5章器件極限能力測試，重點(diǎn)對功率器件的短路能力、極限關(guān)斷能力和浪涌能力的測試標(biāo)準(zhǔn)、測試技術(shù)和測試方法等進(jìn)行了詳細(xì)論述，探究了器件三種極限能力測試原理和失效機(jī)理，并提出了可靠性提升的改進(jìn)方向。
第6章環(huán)境可靠性測試，首先對可靠性測試?yán)碚撨M(jìn)行了探討，然后主要分析了機(jī)械振動、機(jī)械沖擊、溫度沖擊和高低溫存儲四類不需要施加電應(yīng)力的可靠性測試技術(shù)、原理和失效機(jī)理。
第7章電應(yīng)力可靠性測試，主要考慮環(huán)境應(yīng)力與電應(yīng)力的耦合，包括高溫柵偏、高溫反偏、高溫高濕反偏的測試原理、方法、失效機(jī)理和判定以及可靠性提升技術(shù)。進(jìn)一步地，考慮到有限仿真分析技術(shù)的優(yōu)越性，還介紹了其在上述測試過程中的應(yīng)用，以協(xié)助失效機(jī)理研究。
第8章功率循環(huán)測試，是評估器件封裝可靠性和壽命模型建立最重要的測試，詳細(xì)論述了現(xiàn)有各個測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法和技術(shù)，探究了不同測試方法對器件壽命和失效機(jī)理的影響。結(jié)合材料力學(xué)深入探究了功率器件鍵合線失效、焊料失效、表面鋁金屬化層等的物理失效機(jī)理和提升技術(shù)，討論了器件壽命模型的建立方法和意義并分析了樣本選取原則。同時，針對功率循環(huán)失效機(jī)理分析的有限元仿真技術(shù)也進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后對寬禁帶半導(dǎo)體的測試結(jié)果和難點(diǎn)進(jìn)行了分析。
第9章宇宙射線失效，針對宇宙射線的來源、失效形式和機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)論述，核心考慮器件工作電壓、海拔高度和工作結(jié)溫對器件失效的影響，建立了失效率模型，并深入探究了Si MOSFET、SiC MOSFET和IGBT的失效特點(diǎn)，最后提出了抗宇宙射線提升技術(shù)。
第10章未來發(fā)展趨勢，結(jié)合未來功率器件的應(yīng)用需求，重點(diǎn)分析了器件在封裝、測試和可靠性三個方面的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。
本書在編寫過程中得到團(tuán)隊(duì)博士研究生王延浩、謝露紅、潘茂楊、嚴(yán)雨行、孫鴻禹、孟鶴立、張一鳴以及碩士研究生鐘巖、劉鵬、吳立信、張瑩、王作藝和汪霞等的大力支持，對他們的付出表示感謝！同時，驅(qū)動技術(shù)和短路測試部分得到德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)劉星博士的意見和建議，在此表示感謝！
由于編者水平所限，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。

鄧二平
合肥工業(yè)大學(xué)