本书介绍了功率半导体模块的结构设计和关键材料，材料部分涵盖了当前功率半导体模块中使用的各种类型材料，包括连接材料、基板材料、底板材料、灌封材料、外壳材料和引线端子材料等。此外，《电力电子模块设计与制造》还包含了制造工艺、测试技术、质量控制和可靠性失效机理分析。《电力电子模块设计与制造》内容新颖，紧跟时代发展，重点围绕IGBT模块产品的设计与制造方面展开介绍，同时还综述了IGBT模块的新研究进展。
适读人群 ：电力电子行业研发设计人员以及高校电气自动化相关专业师生
在电力电子技术飞速发展、应用也日益广泛的今天，这本《电力电子模块设计与制造》对于我国电力电子模块的研发设计与制造，具有极为重要的学习意义和参考价值！
原书前言
功率半导体模块本质上是利用多种不同的技术将不同材料组装起来的一种功率电路。包括半导体连接技术、引线键合技术、绝缘灌封技术等。这些材料从绝缘体、导体和半导体再到无机材料和有机材料，涵盖范围很广。由于这些材料在不同的环境条件，电力工况和热应力状态下的响应迥异，因此选择合适的材料和装配工艺就显得尤为重要。因此，只有深入掌握这些材料的各项属性和工艺技术，才能制造出高性能和高可靠性的功率半导体模块。
设计并制造功率半导体模块需要综合利用各种技术，因此工程师们需要掌握以下基本知识：
半导体芯片；
热-电和热-力耦合管理；
陶瓷基板及其表面金属化；
金属底板；
焊料合金和回流焊技术；
焊料凸点技术；
塑料；
功率端子；
化学清洗技术：
超声波铝线键合；
环氧树脂和表面包覆；
环境约束；
电气，热，机械测试；
监测技术和工具；
分析技术和工具；
可靠性、统计性过程控制、高加速寿命测试(HALT)、高加速应力筛选(HASS)以及寿命测试；
设备需求；
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电力电子模块设计与制造原书前言多样性的知识要求意味着挑战。本书旨在满足快速壮大的功率半导体模块产品的工程师队伍在以上知识的需求。当然我们无法仅仅靠这一本书去涵盖上述每项技术的所有细节。因此，基于作者以往的经验，本书将主要呈现每项技术的基本要素。这些要素涵盖了所需的基础知识或者基本原理。
由于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块在电力行业尤其是在发电、电力转换、UPS(不间断电源)、焊接、机器人、机动车、交/直流电机驱动等领域中变得越来越重要，导致其近年来广受关注。尽管IGBT模块的部分技术也能通用于其他种类的功率半导体模块，但鉴于IGBT的日益普及，本书内容将重点围绕IGBT模块展开。目前绝大多数的功率半导体制造厂商(OEM)要么已经能生产IGBT模块产品，要么也已积极在从事IGBT模块产品的研发。
目前许多研究型大学在此领域已开展大量的研究，已有大量的学术论文在各类期刊和电力电子相关学术会议上发表。这些研究论文提供了许多非常有价值的信息，不过这些信息相对分散。因此，本书作者们综述了IGBT模块最新的研究进展，希望能为功率半导体模块的设计和制造提供技术支撑。
尽管本书专门讨论了IGBT模块的热管理技术，但是其中所涉及的知识总体上也适用于绝大多数其他电子产品的热管理。由于功能种类和功率密度要求在电子工业中几乎所有层面都在不断增加，导致热管理技术对于半导体器件的长期服役可靠性至关重要。这其中涵盖低至消费电子产品，高至军事／航空航天应用的电子产品。应用领域涉及射频发射器、手机、微处理器、存储器、机动车辆、便携式／手持式电子器件等。本书提供的信息适用于上述但不局限于以上领域的更多电子产品。
本书主要分为三部分：
材料；
制造工艺及质量控制；
设计和结果。
为保证读者可以将本书中的信息直接用于自身的学习和工作当中，书中所有章节内容均侧重与生产实际和应用需求相结合。
作者再次声明，本书中所列出的所有材料和装备供应商或者相关周边服务的公司仅作为参考，作者并无任何个人倾向或变相宣传的意图。
本书旨在服务于：
功率半导体模块的设计，工艺，质量控制和应用工程师；
功率电子领域的专业研究人员和高校学生。
译者序
本书是根据美国WilliamWSheng和RonaldPColino所著的《PowerElectronicModulesDesignandManufacture》翻译的。
作者WilliamWSheng博士和RonaldPColino博士均是SmartRelayTechnology公司的创始人，并曾分别担任此公司技术副总裁和公司总裁。他们都曾在通用电气公司工作并担任半导体技术相关部门经理。WilliamWSheng博士已在电子行业工作超过25年，一直从事固态继电器和功率半导体技术的研究，曾获得通用电气公司的技术发明奖，已发表许多学术论文并拥有多项专利。RonaldPColino博士主要从事固态继电器、混合集成电路、MOS集成电路和半导体存储器的设计和市场营销，在集成电路方面也拥有多项专利。
本书重点围绕IGBT模块，系统阐述了功率半导体模块的封装技术及关键材料，详细地介绍了它们的设计原理、制造工艺、测试技术、可靠性以及失效机理。书中介绍的模块封装材料涵盖了连接材料、基板材料、底板材料、灌封材料、外壳材料和引线端子材料等。书中还专门综述了IGBT模块的最新研究进展。本书对该专业的师生，以及从事功率半导体模块的研发人员、生产人员和应用技术人员都有较大帮助，值得学习参考。
本书前言、第1~3章和附录由天津大学材料科学与工程学院梅云辉副教授翻译，第4~5章由中国科学院电工研究所宁圃奇研究员翻译。限于译者水平，书中难免有误译和欠妥之处，敬请读者批评指正。
在本书的翻译出版过程中得到了美国弗吉尼亚理工大学材料系与电机系终身教授陆国权博士和中国科学院电工研究所温旭辉研究员的支持和指导，在此表示衷心感谢。天津大学和中国科学院电工研究所的译者也借此机会对研究生冯晶晶、李洁、王迪、陆盛昌等的协助表示感谢！
译者
作者William W. Sheng博士和Ronald P Colino博士均是Smart Relay Technology公司的创始人，并曾分别担任此公司技术副总裁和公司总裁。他们都曾在通用电气公司工作并担任半导体技术相关部门经理。William W Sheng博士已在电子行业工作超过25年，一直从事固态继电器和功率半导体技术的研究，曾获得通用电气公司的技术发明奖，已发表许多学术论文并拥有多项专利。Ronald P Colino博士主要从事固态继电器、混合集成电路、MOS集成电路和半导体存储器的设计和市场营销，在集成电路方面也拥有多项专利。
译者序
原书前言
第1章功率模块概述1
参考文献4
第2章功率模块材料选择要点5
参考文献6
第3章材料7
3.1绝缘衬底和金属化7
3.1.1衬底材料的选择标准7
3.1.2绝缘衬底列表8
3.1.3绝缘衬底材料的选择14
3.1.4绝缘衬底表面金属化19
3.1.5金属化的种类19
3.1.6供货商25
参考文献28
3.2底板29
3.2.1选择标准29
3.2.2底板材料30
3.2.3可用底板材料概述30
3.2.4产品成本36
3.2.5适用的底板/衬底材料表36
参考文献37
3.3连接材料37
3.3.1压接式互连37
3.3.2连接材料互连详述38
3.3.3焊料的选择标准39
3.3.4无铅焊料50
3.3.5焊锡膏的组成53
3.3.6生产、工艺和设备条件53
参考文献55
3.4功率互连与功率端子55
3.4.1功率端子56
参考文献60
3.5灌封材料60
3.5.1选择标准60
3.5.2选择方法61
3.5.3灌封材料简述61
3.5.4制造方案65
3.5.5供货商66
3.5.6供应商产品特点66
参考文献72
3.6塑料管壳和端盖72
参考文献78
3.7功率半导体芯片78
3.7.1IGBT芯片78
3.7.2FRED芯片85
参考文献87
第4章IGBT功率模块制造88
4.1制造工艺88
4.1.1IGBT芯片的分类与归组90
4.1.2材料清洗92
4.1.3焊接互连102
4.1.4功率端子互连114
4.1.5电气和热学测试122
参考文献136
4.2工艺控制与可靠性137
4.2.1工艺控制137
4.2.2测试设备138
4.2.3过程检测139
4.2.4长期可靠性147
参考文献155
4.3制造设备与耗材156
4.3.1ESD157
4.3.2去离子水159
4.3.3焊接工艺气氛159
4.3.4化学试剂159
4.3.5电力供应159
4.3.6相对湿度159
4.3.7气流和压差159
4.3.8环境颗粒物含量159
4.3.9贮存柜160
4.3.10洁净间及配套设施160
4.3.11安全标准160
4.3.12环境要求161
参考文献162
4.4生产工艺流程图162
4.4.1标准生产工艺162
4.4.2其他生产工艺172
第5章功率模块设计173
5.1热管理设计175
5.1.1模块的叠层结构设计175
5.1.2热导率分析176
5.1.3热应力分析177
参考文献179
5.2电路分区180
5.2.1芯片和绝缘衬底间的热应力180
5.2.2绝缘衬底尺寸分析182
5.2.3IGBT芯片并联技术183
5.2.4成本核算183
参考文献184
5.3模块整体设计指南与规范184
5.3.1陶瓷材料用作绝缘衬底的设计184
5.3.2陶瓷材料用作绝缘衬底的金属化图案布局185
5.3.3金属底板设计190
5.3.4功率端子/快接导片/互连桥设计191
5.3.5塑料管壳和端盖设计194
5.3.6焊片设计197
参考文献197
5.4实例197
5.4.1生产成本估算197
5.4.2备选方案的理论值比较198
5.4.3模块试制的散热性能198
参考文献218
附录219
附录A功率模块中的功率ＭＯＳＦＥＴ、晶闸管和二极管219
附录B条形码和二维码221
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