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導(dǎo)語：在半導(dǎo)體器件分析的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件物理；教學(xué)改革；探索與實踐
中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0222-03
一、引言
隨著全球信息化進(jìn)程的加快，微電子產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展，作為向社會輸送技能型人才的高職院校，培養(yǎng)微電子專業(yè)學(xué)生具備一定理論基礎(chǔ)和較強的實踐創(chuàng)新能力顯得尤為重要。《半導(dǎo)體器件物理》是高職院校微電子專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授的是半導(dǎo)體特性、PN結(jié)原理以及雙極型晶體管和MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、電學(xué)特性等內(nèi)容，該課程教學(xué)的目的是讓學(xué)生掌握微電子學(xué)專業(yè)所用的基本器件知識，為學(xué)習(xí)集成電路工藝和設(shè)計打下理論基礎(chǔ)。
二、目前課程面臨的問題
1.學(xué)生的知識基礎(chǔ)的不足。要系統(tǒng)而深入地學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體器件物理》課程，一般要求具備量子力學(xué)、固體物理及統(tǒng)計物理等前導(dǎo)課程的基礎(chǔ)知識。高職院校的學(xué)生，雖然是高中起點，但其中有很多文科畢業(yè)生，物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，缺乏現(xiàn)代物理學(xué)方面的基本概念和相關(guān)理論知識，面對《半導(dǎo)體器件物理》課程的學(xué)習(xí)，知識上難以順利銜接。
2.缺乏適合高職學(xué)生的教材。高職院校的微電子專業(yè)通常起步較晚，目前適合高職教育的《半導(dǎo)體器件物理》教材很少，比較成熟的幾乎全部都是本科教材，其基礎(chǔ)知識起點較高、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁雜，內(nèi)容覆蓋太廣，不能適應(yīng)高職學(xué)生的需求[1]。
3.教學(xué)模式的限制?！栋雽?dǎo)體器件物理》這門課理論性很強，通常把它定位于純理論課程，在教學(xué)模式上通常以板書為手段，以講授為主。其實，這門課是一門理論性和實踐性并重的專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生在掌握知識的同時學(xué)會科學(xué)的思維方法、具備開放的研究能力。但是傳統(tǒng)的教學(xué)模式對這些能力的培養(yǎng)是一個束縛。
4.教學(xué)資源的匱乏。在教學(xué)過程中為提高教學(xué)效率、增強學(xué)生興趣，強調(diào)充分應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)和手段。但本課程缺乏直觀生動、富有動態(tài)變化，切實反映物理過程的輔助用PPT，另外，網(wǎng)絡(luò)資源很少，學(xué)生無法通過現(xiàn)代信息技術(shù)手段來實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。
三、課程教學(xué)改革探索與實踐
1.編寫適合高職學(xué)生的教材。基于高職學(xué)生的特點和培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才的目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上應(yīng)以必須、夠用為度，突出基礎(chǔ)性、實踐性。例如在半導(dǎo)體材料特性這一部分，我們注意和高中物理的銜接，刪去K空間、布里淵區(qū)等過于艱深內(nèi)容，增加了原子物理的基本概念，順利引出能帶論。在講雙極和MOS器件時，我們將半導(dǎo)體器件版圖的內(nèi)容滲透到教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生形成基本概念，有利于和《半導(dǎo)體集成電路》、《集成電路版圖設(shè)計》等課程的銜接；同時引入半導(dǎo)體器件工藝流程，為學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體制造工藝》打下基礎(chǔ)，課程的實踐性也得以體現(xiàn)。另外，教學(xué)過程中的數(shù)學(xué)推導(dǎo)盡可能簡潔或者略去，注重通過圖例闡述物理過程，避免學(xué)生的畏難情緒。
本課程的內(nèi)容按照知識內(nèi)在的邏輯關(guān)系，可以分為三個模塊。集成電路的設(shè)計與制造是圍繞著半導(dǎo)體材料特性展開的，是微電子專業(yè)課程的基礎(chǔ)；PN結(jié)原理是雙極型晶體管的基礎(chǔ)、半導(dǎo)體表面特性是MOS型晶體管的基礎(chǔ)；我們把這三塊內(nèi)容確定為基礎(chǔ)模塊。常規(guī)的半導(dǎo)體器件不是雙極性型的就是MOS型的，集成電路的基本單元也就是這兩種類型的晶體管，這是后續(xù)課程學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，也是崗位職業(yè)能力的基礎(chǔ)。我們把這兩塊內(nèi)容定為核心模塊。功率器件、太陽能電池、LED屬于新興的產(chǎn)品，對他們的結(jié)構(gòu)原理的介紹也是有必要的，歸為拓展模塊。教學(xué)過程中要夯實基礎(chǔ)（模塊），突出核心（模塊），介紹拓展（模塊）。以期打好后續(xù)課程的基礎(chǔ)，全面培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力?；谏鲜鼋虒W(xué)內(nèi)容選擇及組織形式，在多年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，我們編寫了一本文字淺顯易懂、圖例直觀明了、論述明白流暢、數(shù)學(xué)表達(dá)簡潔、理論聯(lián)系實際、內(nèi)容夠用即可的校本教材。通過試用學(xué)生反映較好，為教學(xué)工作帶來極大的便利。目前，教材《半導(dǎo)體器件物理》[2]已由機械工業(yè)出版社正式出版。
2.推進(jìn)理實一體化教學(xué)改革。以前，教師通常將這門課當(dāng)成一門理論課來上，以教師講課為主，實行的是填鴨式的灌輸教育，大部分學(xué)生對這種教學(xué)模式不感興趣。筆者以為，《半導(dǎo)體器件物理》這門課是理論性和實踐性并重的一門課程。在教學(xué)改革中我們將半導(dǎo)體實驗嵌入其中，作為理實一體化項目。把原來的驗證性實驗改變?yōu)樘骄啃詫嶒?，讓學(xué)生通過實驗現(xiàn)象自行分析研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出的結(jié)論，從而提高學(xué)習(xí)積極性，增強感性認(rèn)識，最終達(dá)到切實掌握知識的目標(biāo)。
以PN結(jié)的正向特性——肖克萊方程為例，肖克萊方程的引入是個難點，完整的推導(dǎo)至少需要一個課時，作為高職院的學(xué)生來說，能聽懂的是少數(shù)?，F(xiàn)在我們講完正向?qū)ǖ奈锢磉^程之后，運用半導(dǎo)體管特性圖示儀測量出PN的正向特性曲線（如圖2），然后直接引入肖克萊方程：
I=I■exp■-1
我們根據(jù)實測曲線給出理想曲線（如圖3）并進(jìn)行對照，通過對比發(fā)現(xiàn)差異，然后介紹閾值電壓及其產(chǎn)生機理。這樣既避開了煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，又使得閾值電壓的概念能夠牢固的掌握。
目前課程運用的理實一體化項目有14個，如表1所示，占約占總課時的30%。
3.采用多元化教學(xué)方法。為了幫助克服學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體器件物理”課程理論性較強和抽象難懂的困難，我們在實際的教學(xué)過程中，多采用啟發(fā)式和討論式教學(xué)，將理論學(xué)習(xí)和實踐練有機結(jié)合起來，增強學(xué)生創(chuàng)新思維和參與意識。在課堂教學(xué)中，采用啟發(fā)式教學(xué)，注重師生互動，改變以往的灌輸教育，使學(xué)生真正參與進(jìn)來，加強他們學(xué)習(xí)的主動性，提高教學(xué)效率。采用討論式教學(xué)可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中由被動變?yōu)橹鲃?。在課堂上教師提出一些問題，讓學(xué)生自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)尋找解決的辦法。然后就該問題組織學(xué)生展開討論。例如MOS管柵電極兩邊出現(xiàn)電場峰值，會降低擊穿電壓，應(yīng)當(dāng)怎么改善？在討論過程中教師總結(jié)和點評時，要指出為什么對，為什么錯[3]。在教學(xué)過程中，課程組設(shè)計完成一套多媒體課件，注重反映重要的概念與公式以突出基本概念和基本計算，展示器件等圖例，既方便說明問題，又可以減少板書時間，將更多的時間留給學(xué)生交流討論。PPT中還表現(xiàn)了物理現(xiàn)象的變化過程，將抽象理論知識動起來，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了學(xué)生對理論知識的深刻理解。
4.將版圖設(shè)計軟件引入教學(xué)。Cadence virtuoso是一款功能強大的版圖設(shè)計軟件，運用cadence配套的specture仿真工具，也可以對半導(dǎo)體器件進(jìn)行仿真分析，在這方面cadence軟件也有不俗的表現(xiàn)。下面采用該軟件對mos特性曲線在不同器件參數(shù)下進(jìn)行量化分析。
圖1是標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件的特性曲線仿真結(jié)果，寬長比為1μm∶1μm；改變其寬長比為1μm∶10μm，特性曲線仿真結(jié)果如圖2。通過對比讓學(xué)生理解半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變將造成電學(xué)特性的變化，掌握如何合理選擇參數(shù)的方法。在教學(xué)過程中利用版圖設(shè)計軟件來進(jìn)行仿真，增強了學(xué)生的感性認(rèn)識，有助于學(xué)生的對理論知識的理解。同時讓學(xué)生初步接觸專業(yè)軟件，為后續(xù)的《集成電路版圖設(shè)計技術(shù)》等課程打下基礎(chǔ)。
5.建立課程網(wǎng)站。目前，課程已建立了網(wǎng)站，將課程信息、教學(xué)內(nèi)容、多媒體課件、課外習(xí)題及答案等材料上網(wǎng)。課程網(wǎng)站的設(shè)立共享了教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)方法，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。
四、總結(jié)與展望
在《半導(dǎo)體器件物理》課程改革的探索實踐過程中，我們使用課程組編寫的適合高職學(xué)生的教材，推進(jìn)理實一體化的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中恰當(dāng)?shù)倪\用啟發(fā)、討論等教學(xué)方法、制作直觀、動態(tài)的PPT輔助教學(xué)，收到了良好的教學(xué)效果，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的畏難情緒明顯減少，主動性得到了顯著提升，和往屆相比，學(xué)習(xí)成績獲得一定的提高，后續(xù)課程的老師反映學(xué)生對基本概念的掌握更為扎實，教學(xué)改革獲得了初步成效。
目前已建立了《半導(dǎo)體器件物理》課程網(wǎng)站，但是缺乏互動。下一步的設(shè)想是：利用學(xué)校的Kingosoft高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，創(chuàng)建了《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)網(wǎng)站，開展網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)。要設(shè)立多媒體課件、課程錄像、網(wǎng)絡(luò)資源、交流論壇、課程信息、課外習(xí)題、習(xí)題解答等欄目，積極拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，加強學(xué)生之間、教生之間的交流，以期方便不同理論基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步調(diào)動了學(xué)習(xí)的主觀能動性。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳國英.《半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》課程教學(xué)的思考[J].常州：常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，（6）.
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[3]李琦，趙秋明，段吉海.“半導(dǎo)體器件物理”的教學(xué)探討[J].南京：電子電氣教學(xué)學(xué)報，2011，（2）.
[關(guān)鍵詞]半導(dǎo)體器件 封裝技術(shù)
“半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)”是一種將芯片用絕緣的塑料、陶瓷、金屬材料外殼打包的技術(shù)。以大功率晶體三極管為例,實際看到的體積和外觀并不是真正的三極管內(nèi)核的大小和面貌,而是三極管芯片經(jīng)過封裝后的產(chǎn)品。封裝技術(shù)對于芯片來說是必須的,也是非常重要的。因為芯片必須與外界隔離,以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面,封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。由于封裝技術(shù)的好壞直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的PCB(印制電路板)的設(shè)計和制造,因此它是至關(guān)重要。
封裝也可以說是指安裝半導(dǎo)體芯片用的外殼,它不僅起著安放、固定、密封、保護芯片和增強導(dǎo)熱性能的作用,而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁――芯片上的接點用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上,這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此,對于大功率器件產(chǎn)品而言,封裝技術(shù)是非常關(guān)鍵的一環(huán)。
半導(dǎo)體器件有許多封裝形式,按封裝的外形、尺寸、結(jié)構(gòu)分類可分為引腳插入型、表面貼裝型和高級封裝三類。從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)。總體說來,半導(dǎo)體封裝經(jīng)歷了三次重大革新:第一次是在上世紀(jì)80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝,它極大地提高了印刷電路板上的組裝密度;第二次是在上世紀(jì)90年代球型矩陣封裝的出現(xiàn),滿足了市場對高引腳的需求,改善了半導(dǎo)體器件的性能;芯片級封裝、系統(tǒng)封裝等是現(xiàn)在第三次革新的產(chǎn)物,其目的就是將封裝面積減到最小。高級封裝實現(xiàn)封裝面積最小化。
一、封裝材料
封裝的基材有陶瓷、金屬和塑料三種。從數(shù)量上看,塑料封裝占絕大部分,半導(dǎo)體塑料封裝用的材料是環(huán)氧塑封料,七十年代起源于美國,后發(fā)揚光大于日本,現(xiàn)在我國是快速掘起的世界環(huán)氧塑封料制造大國。塑料封裝多是用絕緣的環(huán)氧塑封料包裝起來,能起著密封和提高芯片電熱性能的作用。
二、封裝類型
1.金屬封裝。由于該種封裝尺寸嚴(yán)格、精度高、金屬零件便于大量生產(chǎn),故其價格低、性能優(yōu)良、封裝工藝容易靈活,被廣泛應(yīng)用于晶體管和混合集成電路如振蕩器、放大器、交直流轉(zhuǎn)換器、濾波器、繼電器等產(chǎn)品上。
2.陶瓷封裝。陶瓷封裝的許多用途具有不可替代的功能,特別是集成電路組件工作頻率的提高,信號傳送速度的加快和芯片功耗的增加,需要選擇低電阻率的布線導(dǎo)體材料及低介電常數(shù)、高導(dǎo)電率的絕緣材料等。
3.金屬-陶瓷封裝。它是以傳統(tǒng)多層陶瓷工藝為基礎(chǔ),以金屬和陶瓷材料為框架而發(fā)展起來的。最大特征是高頻特性好、噪音低而被用于微波功率器件。
4.塑料封裝。塑料封裝由于其成本低廉、工藝簡單,并適于大批量生產(chǎn),因而具有極強的生命力,自誕生起發(fā)展得越來越快,在封裝中所占的份額越來越大。目前我國環(huán)氧塑料封料年產(chǎn)9萬噸以上。
三、封裝時主要考慮的因素
1.芯片面積與封裝面積之比為提高封裝效率,盡量接近1:1。
2.引腳要盡量短以減少延遲,引腳間的距離盡量遠(yuǎn),以保證互不干擾,提高性能。
3.基于散熱的要求,封裝越薄越好。作為設(shè)備或整機的重要組成部分,器件的性能直接影響整機的整體性能。而器件制造工藝的最后一步也是最關(guān)鍵一步就是它的封裝技術(shù),采用不同封裝技術(shù)的器件,在性能上存在較大差距。只有高品質(zhì)的封裝技術(shù)才能生產(chǎn)出完美的產(chǎn)品。
四、主要封裝技術(shù)
半導(dǎo)體器件的封裝形式分為插入安裝式(DIP)和表面安裝式(SMD)兩大類。插入安裝式包括金屬外殼封裝、玻璃封裝、陶瓷封裝、塑料封裝和樹脂封裝等,使用較多的是塑料封裝和金屬外殼封裝。表面安裝式包括塑料封裝和樹脂封裝等,使用較多的是塑料封裝。
1.DIP技術(shù)
(Dual In-line Package),也叫直插式封裝技術(shù),指采用直插形式封裝的器件芯片,絕大多數(shù)器件采用這種封裝形式,其引腳數(shù)一般為三條?？梢灾苯硬逶谟邢嗤缚讛?shù)的電路板上進(jìn)行焊接。
DIP封裝具有以下特點:
(1)適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接,操作方便。
(2)芯片面積與封裝面積之間的比值較大,體積也較大。
典型的DIP封裝晶體管形式有TO-92、TO-126、TO-220、TO-251、TO-263等,主要作用是信號放大和電源穩(wěn)壓。
2.SMD技術(shù)
SMD封裝也叫表面安裝技術(shù),用這種形式封裝的芯片必須采用SMD(表面安裝設(shè)備技術(shù))將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔,一般在電路板表面上有設(shè)計好的相應(yīng)管腳的焊點。將芯片各腳對準(zhǔn)相應(yīng)的焊點,即可實現(xiàn)與電路板的焊接。用這種方法焊上去的芯片,如果不用專用工具是很難拆卸下來的。
SMD封裝具有以下特點:
(1)適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線。
(2)適合高頻使用。
(3)操作方便,可靠性高。
(4)芯片面積與封裝面積之間的比值較小。
五、封裝的作用
封裝(Package)對于芯片來說是必須的,也是至關(guān)重要的。封裝也可以說是指安裝半導(dǎo)體器件芯片用的外殼,它不僅起著保護芯片和增強導(dǎo)熱性能的作用,而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁和規(guī)格通用功能的作用。封裝的主要作用有:
(1)物理保護。因為芯片必須與外界隔離,以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降,保護芯片表面以及連接引線等,使相當(dāng)柔嫩的芯片在電氣或熱物理等方面免受外力損害及外部環(huán)境的影響;同時通過封裝使芯片的熱膨脹系數(shù)與框架或基板的熱膨脹系數(shù)相匹配,這樣就能緩解由于熱等外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生的應(yīng)力以及由于芯片發(fā)熱而產(chǎn)生的應(yīng)力,從而可防止芯片損壞失效。另一方面,封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。
(2)電氣連接。封裝的尺寸調(diào)整(間距變換)功能可由芯片的極細(xì)引線間距,調(diào)整到實裝基板的尺寸間距,從而便于實裝操作。例如從以亞微米(目前已達(dá)到0.1 3μm以下)為特征尺寸的芯片,到以10μm為單位的芯片焊點,再到以100μm為單位的外部引腳,都是通過封裝來實現(xiàn)的。封裝在這里起著由小到大、由難到易、由復(fù)雜到簡單的作用,從而可使操作費用及材料費用降低,而且能提高工作效率和可靠性,特別是通過實現(xiàn)布線長度和阻抗配比盡可能地降低連接電阻,寄生電容和電感來保證正確的信號波形和傳輸速度。
(3)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格化。規(guī)格通用功能是指封裝的尺寸、形狀、引腳數(shù)量、間距、長度等有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格,既便于加工,又便于與印刷電路板相配合,相關(guān)的生產(chǎn)線及生產(chǎn)設(shè)備都具有通用性。這對于封裝用戶、電路板廠家、半導(dǎo)體廠家都很方便。
六、半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)發(fā)展
半導(dǎo)體器件有許多封裝形式,按封裝的外形、尺寸、結(jié)構(gòu)分類可分為引腳插入型、表面貼裝型和高級封裝三類。從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)。總體說來半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)歷了三次重大革新:第一次是在20世紀(jì)80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝,它極大地提高了印刷電路板上的組裝密度;第二次是在20世紀(jì)90年代球型矩陣封裝的出現(xiàn),滿足了市場對高引腳的需求,改善了半導(dǎo)體器件的性能;芯片級封裝、系統(tǒng)封裝等是現(xiàn)在第三次革新的產(chǎn)物,其目的就是將封裝面積減到最小。
所謂封裝是指安裝半導(dǎo)體器件用的外殼,它不僅起著安放、固定、密封、保護芯片和增強電熱性能的作用,而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁―芯片上的接點用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上,這些引腳又通過印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此,封裝對CPU和其他LSI集成電路都起著重要的作用。新一代CPU的出現(xiàn)常常伴隨著新的封裝形式的使 用。 芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷,從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn),包括芯片面積與封裝面積之比越來越 接近于1,適用頻率越來越高,耐溫性能越來越好,引腳數(shù)增多,引腳間距減小,重量減小,可靠性提高,使用更加方便等等。
七、塑封器件封裝工藝簡介
劃片―粘片―壓焊―包封―打印―電鍍―切筋―測試―包裝―入庫
八、國內(nèi)封裝技術(shù)存在的問題與不足
1.封裝技術(shù)人才嚴(yán)重短缺、急需封裝技術(shù)人員的培訓(xùn)。
2.先進(jìn)的封裝設(shè)備、封裝材料及其產(chǎn)業(yè)鏈滯后,配套不上且質(zhì)量不穩(wěn)定。
3.封裝技術(shù)研發(fā)能力不足,生產(chǎn)工藝程序設(shè)計不周,可操作性差,執(zhí)行能力弱。
4.封裝設(shè)備維護保養(yǎng)能力差,缺少有經(jīng)驗的維修工程師,且可靠性實驗設(shè)備不齊全,失效分析能力不足。
5.國內(nèi)封裝企業(yè)普遍還處于規(guī)模小,技術(shù)低,從事低端產(chǎn)品生產(chǎn)的居多,可持續(xù)發(fā)展能力低,缺乏向高檔發(fā)展的技術(shù)和資金。
九、建議和對策
1.依靠技術(shù)創(chuàng)新占領(lǐng)高端市場,目前國內(nèi)器件呈現(xiàn)兩極化的發(fā)展趨勢,即低端產(chǎn)品市場競爭激烈,高端市場增長迅速,產(chǎn)品供不應(yīng)求。我們應(yīng)積極進(jìn)行技術(shù)研發(fā),及時向市場推出新產(chǎn)品,占領(lǐng)高端市場。
2.依靠高等院校,科技攻關(guān)和自然基金以及產(chǎn)業(yè)化項目培養(yǎng)人才,封裝目前已經(jīng)成為一個支柱性的行業(yè)。封裝是一個典型的交叉學(xué)科,要提高封裝技術(shù)水平應(yīng)從基礎(chǔ)做起,培養(yǎng)各個層次的人才,掌握核心技術(shù)。
3.利用外來技術(shù)帶動產(chǎn)業(yè)升級,目前跨國半導(dǎo)體企業(yè)紛紛加大在我國投資,擴大在國內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)模,這些國際企業(yè)制造水平處于世界領(lǐng)先水平,這對于提高國內(nèi)器件行業(yè)整體技術(shù)水平,培養(yǎng)國內(nèi)工程技術(shù)人員,進(jìn)而帶動國內(nèi)器件產(chǎn)業(yè)升級都有積極作用。
十、結(jié)束語
我國半導(dǎo)體器件封裝事業(yè)擔(dān)負(fù)著振興國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的重任,面臨艱巨的挑戰(zhàn)和各種困難,半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)目前還存在不少問題和困難,我們還是要堅持在科學(xué)發(fā)展中尋找解決困難的途徑,以積極的姿態(tài)、創(chuàng)新的工作,共同迎接中國半導(dǎo)體事業(yè)的美好明天。
參考文獻(xiàn):
關(guān)鍵詞:功率半導(dǎo)體器件 混合型器件 IGBT
中圖分類號:TN31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(a)-0044-01
20世紀(jì)80年代以來,微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的電力集成器件,帶來了電力電子技術(shù)的新時代,實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)向現(xiàn)代電力電子技術(shù)的轉(zhuǎn)變。
1 現(xiàn)代電力電子器件
現(xiàn)代電力電子器件是指全控型的電力半導(dǎo)體器件,分為三大類[1]:雙極型器件、單極型器件和混合型器件。
1.1 雙極型器件,是指在器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件
這類器件具有通態(tài)壓降低、阻斷電壓高和電流容量大的特點。適合中大容量的變流裝置。其中,我們常見的交流裝備有:門極關(guān)斷(GTO)晶閘管、電力晶體管(GTR)、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)。
1.2 單極型器件,是指器件內(nèi)只有一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件
具有代表性的產(chǎn)品有電力場控晶體管(電力MOSFET)和靜電感應(yīng)晶體管(SIT)。單極型器件開關(guān)的時間較短,一般多在幾十納秒以下,這是因為大部分的載流子導(dǎo)電,無少子存儲效應(yīng)。
1.3 混合型器件,是指雙極型器件與單極型器件的集成混合
其主導(dǎo)器件為GTR、GTO晶閘管和SCR,將MOSFET用來做控制器件混合集成之后產(chǎn)生的器件。這種器件不僅具有GTR、GTO晶閘管和SCR等雙極型器件電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點,又具備MOSFET等單極型器件輸入阻抗高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點。因此,人們開始高度重視這種新型混合器件。IGBT被人們公認(rèn)為最有發(fā)展?jié)摿Φ膹?fù)合器件之一。
2 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)
2.1 IGBT的地位及作用
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),中文我們稱之為“絕緣柵雙極晶體管”,是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。它是電力電子技術(shù)的核心技術(shù),且是電機控制和功率變換器的首選器件。廣泛用于軌道交通、航空航天等戰(zhàn)略性行業(yè),具有高頻率、高電壓、大電流,易于開關(guān)等優(yōu)良性能,被業(yè)界譽為功率變流裝置的“CPU”。
它是電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件,其頻率特性介于MOSFET和功率晶體管之間,可正常工作在幾十Hz的頻率范圍內(nèi),故在較高頻率的大、中頻率應(yīng)用中占主要地位[2]。
2.2 IGBT的工作原理(如圖1)
IGBT和電力MOSFET有很大的淵源,可以說IGBT是根據(jù)電力MOSFET的原理發(fā)展出來的,在結(jié)構(gòu)上面,兩者有很大的相似之處。但是,IGBT具有很強的電流控制能力。原因歸結(jié)于兩者間結(jié)果的不同之處,即:IGBT多一個P層發(fā)射級。在IGBT導(dǎo)通時,這個p層發(fā)射級可由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射載流子(空穴),以調(diào)制漂移區(qū)的電導(dǎo)率。
IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極是以正向柵極電壓時,MOSFET內(nèi)形成溝道并未PNP晶體管提供基極電流,從而使IGBT導(dǎo)通。在門極施以負(fù)電壓時,MOSFET內(nèi)的溝道消失,PNP晶體管的基極電流被切斷,IGBT關(guān)斷。
3 IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域
IGBT作為電機控制和功率半導(dǎo)體器件首選器件,在軌道交通、航空航天、船舶驅(qū)動、新能源電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、高壓變頻、工業(yè)傳動及電力傳輸?shù)榷鄠€重要行業(yè)和領(lǐng)域廣泛運用。目前,在軌道交通高速動車組、大功率電力機車、城軌車輛幾乎普遍采用IGBT;在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域,IGBT成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件;在電力傳輸領(lǐng)域,IGBT在柔性輸電等技術(shù)中發(fā)揮越來越大的作用。同時,大功率IGBT也是諧波治理中最理想的開關(guān)器件。因此,IGBT具有良好的市場前景。在未來很長一段時間內(nèi),為適應(yīng)全球降低CO2排放的戰(zhàn)略需要,IGBT將更加廣泛地應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、智能配電與控制、分布式發(fā)電、電力牽引等領(lǐng)域,成為節(jié)能技術(shù)和低碳經(jīng)濟的主要支撐。
4 IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀
IGBT是電力電子時代的新寵。它是一種很優(yōu)秀的電力電子器件,已逐漸替代了晶閘管,成為電力電子技術(shù)平臺性的器件。雖然國外的IGBT產(chǎn)業(yè)取得了很大進(jìn)展,但令人嘆惋的是,我們國家目前并未形成自己的IGBT產(chǎn)業(yè),目前我們使用的IGBT管子全部是進(jìn)口購買的。我國只能進(jìn)口國外IGBT芯片,自己進(jìn)行少量封裝。因此對于我們這樣一個擁有13億人口的大國,像IGBT這樣的基礎(chǔ)元件及其相關(guān)技術(shù),必須擁有自己的IGBT產(chǎn)業(yè)。隨著國家對電力電子技術(shù)發(fā)展的重視,相信很快就會用上自己生產(chǎn)出的IGBT。
5 IGBT的發(fā)展方向
IGBT的發(fā)展趨勢有兩個方向:超大功率模塊和超快速IGBT。其中,超大功率模塊IGBT有望取代GTO,并將其在電力系統(tǒng)、高壓直流輸電、機車牽引等方面擴寬應(yīng)用領(lǐng)域。超快速IGBT則將在高頻開關(guān)電源等方面擴大其應(yīng)用領(lǐng)域?？傊?超大功率、超快速、模塊化、智能化是IGBT發(fā)展的方向。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；教學(xué)改革；教學(xué)效果
作者簡介：劉德偉（1979-），男，河南濮陽人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師；李濤（1977-），男，河南淮陽人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師。（河南 鄭州 450002）
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0085-02
半導(dǎo)體物理是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果以及學(xué)生未來的就業(yè)和發(fā)展。然而，由于半導(dǎo)體物理的學(xué)科性很強，理論較為深奧，涉及知識點多，理論推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中存在一定的難度。因此，授課教師必須在充分理解半導(dǎo)體物理，熟悉半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實際中存在的問題，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，探索教學(xué)改革措施，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。
一、半導(dǎo)體物理課程特點及教學(xué)中存在的主要問題
鄭州輕工業(yè)學(xué)院采用的教材為劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》（第七版，電子工業(yè)出版社），該教材是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)精品教材。[1]結(jié)合教材特點與教學(xué)實踐，半導(dǎo)體物理課程教學(xué)過程中存在的主要問題與不足[2]可歸納如下：
1.教材內(nèi)容知識點多，理論性強
半導(dǎo)體物理課程前五章為理論基礎(chǔ)部分，主要講述了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級、載流子的統(tǒng)計分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與非平衡載流子，在此基礎(chǔ)上闡述了電子有效質(zhì)量、費米能級、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；分析了狀態(tài)密度、分布函數(shù)、載流子濃度以及遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系。課程涉及理論知識較深，易混淆知識點較多，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)復(fù)雜，很多基本概念及數(shù)學(xué)公式要求學(xué)生掌握量子力學(xué)、固體物理、熱力學(xué)統(tǒng)計物理和高等數(shù)學(xué)等多門基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識。因此，學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中，在相關(guān)知識點上難以銜接，對相關(guān)理論的掌握存在一定困難。
2.傳統(tǒng)教學(xué)模式難以理論聯(lián)系實際
半導(dǎo)體物理課程后八章主要介紹了半導(dǎo)體基本器件的結(jié)構(gòu)與性能，半導(dǎo)體的光、電、熱、磁等基本性質(zhì)。如pn結(jié)電流電壓特性及電容、擊穿電壓與隧道效應(yīng)、肖特基接觸與歐姆接觸；半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)、表面電場對pn結(jié)性能的影響；半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體激光器等。由于這部分內(nèi)容主要闡述半導(dǎo)體的實際應(yīng)用，僅僅從課本上學(xué)習(xí)相關(guān)知識，難以理論聯(lián)系實際，對于沒有接觸過半導(dǎo)體制備工藝的學(xué)生而言，就會覺得內(nèi)容枯燥，課堂乏味。
3.教材內(nèi)容無法追蹤科技前沿
現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，發(fā)展迅速，例如在半導(dǎo)體照明、半導(dǎo)體激光器、探測器、太陽能電池等領(lǐng)域都獲得了重大研究成果，研究領(lǐng)域不斷拓展，新的理論不斷涌現(xiàn)，與化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物等學(xué)科之間的交叉和滲透越來越強，極大地豐富了半導(dǎo)體物理的教學(xué)內(nèi)容。而半導(dǎo)體物理教材內(nèi)容的更新相對較慢，因此，如何在有限的課時內(nèi)既要講授教材內(nèi)容，又要穿插相關(guān)科技前沿是一個值得深入探討的問題。
二、半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革措施
基于以上分析，半導(dǎo)體物理課程對授課教師要求較高，如何在有限的課堂教學(xué)過程中將大量的知識講解清楚，需要教師積極探索新的教學(xué)模式，針對課程特點與教學(xué)現(xiàn)狀，通過不斷實踐克服存在的問題與不足，采用多樣化的教學(xué)手段，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，狠抓教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生較好地理解并掌握相關(guān)知識，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。[3]
1.優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容
由于現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展極為迅速，研究方向不斷拓展，相關(guān)知識更新較快。因此，授課教師應(yīng)與時俱進(jìn)，關(guān)注科技前沿與研究熱點，合理安排教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)其它課程的教學(xué)內(nèi)容，在保持課程知識結(jié)構(gòu)與整體系統(tǒng)性的同時，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理取舍，壓縮與其他課程重疊的內(nèi)容，刪除教材中相對陳舊的知識，密切跟蹤科技前沿與研究熱點，適當(dāng)增加新的理論，補充重要的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。例如壓縮教材中第一章固體物理課程已經(jīng)詳細(xì)講解過的能帶理論內(nèi)容，將授課時間由原來的8學(xué)時壓縮至6學(xué)時；在講解半導(dǎo)體光學(xué)特性時，結(jié)合半導(dǎo)體光電子學(xué)的研究前沿，增加該部分內(nèi)容所涉及的研究領(lǐng)域與最新技術(shù)，如半導(dǎo)體超晶格、量子阱等方面的內(nèi)容；在講述MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性時，補充C-V特性的研究意義，介紹半導(dǎo)體表面特性對集成芯片性能的影響，鼓勵學(xué)生查閱總結(jié)利用C-V特性研究半導(dǎo)體表面的方法；在講授半導(dǎo)體元器件的結(jié)構(gòu)及性能時，適當(dāng)補充半導(dǎo)體器件的制備工藝，播放一些半導(dǎo)體器件的制備視頻，讓學(xué)生結(jié)合某種半導(dǎo)體器件分析其結(jié)構(gòu)與性能；在講解半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，先讓學(xué)生了解pn結(jié)種類，然后對比同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)的異同，最后讓學(xué)生掌握異質(zhì)結(jié)的電流電壓特性，通過增加半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史，即從第一支同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器只能在低溫下發(fā)射脈沖激光到現(xiàn)在的異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)異性能，讓學(xué)生充分認(rèn)識到半導(dǎo)體物理是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，是科技創(chuàng)新的力量源泉。通過介紹科技前沿與研究熱點，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，擴大學(xué)生的知識面，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性。
2.突出重點，分化難點，強調(diào)基本概念與物理模型
半導(dǎo)體物理課程涉及到的基本概念和物理模型較多，僅憑教材中的定義理解這些概念和模型，學(xué)生很難完全掌握。在講解深奧的物理模型時，教師應(yīng)運用恰當(dāng)?shù)念惐?，通過生動形象的事例對比分析，加深學(xué)生對物理模型的理解，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如教材中半導(dǎo)體載流子濃度的計算既是難點又是重點，學(xué)習(xí)中涉及到狀態(tài)密度、玻爾茲曼分布函數(shù)、費密分布函數(shù)以及載流子濃度等為較容易混淆的概念。為了幫助學(xué)生理解，教師可以通過教學(xué)樓里面的學(xué)生人數(shù)與半導(dǎo)體中的電子數(shù)目進(jìn)行類比：不同樓層的教室對應(yīng)不同的能帶，教室座位數(shù)對應(yīng)能態(tài)的數(shù)目，教室的學(xué)生人數(shù)就相當(dāng)于半導(dǎo)體中的電子數(shù)目，這樣，計算半導(dǎo)體電子濃度的問題就與計算教室單位空間內(nèi)學(xué)生人數(shù)的問題非常類似。通過這種生動形象的類比，學(xué)生很容易明白半導(dǎo)體中的能態(tài)密度就相當(dāng)于教室單位空間的座位數(shù)，而半導(dǎo)體中的電子在能級上的占據(jù)幾率就對應(yīng)于教室內(nèi)學(xué)生的入座情況。半導(dǎo)體中的電子在能級上的占據(jù)概率需要滿足波爾茲曼分布函數(shù)或費米分布函數(shù)，而分布函數(shù)的確定取決于費米能級的位置，當(dāng)分布函數(shù)確定后，單位能量間隔內(nèi)的電子數(shù)目就可以通過簡單的微積分計算出來。
另外，半導(dǎo)體物理課程中理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)上的近似處理較多，繁瑣的公式推導(dǎo)增加了學(xué)生對物理模型的理解。如果教師在教學(xué)過程中能適當(dāng)?shù)匕盐锢砟Ｐ秃凸酵茖?dǎo)分開，正確處理兩者之間的關(guān)系，分別從物理和數(shù)學(xué)兩方面尋找攻克這些難點的途徑，使學(xué)生在徹底理解物理模型的基礎(chǔ)上掌握理論推導(dǎo)。例如教材中有關(guān)n型半導(dǎo)體載流子濃度的內(nèi)容安排如下：首先根據(jù)雜質(zhì)半導(dǎo)體的電中性條件，推導(dǎo)出一個包含費米能的表達(dá)式，然后根據(jù)雜質(zhì)電離情況分為低溫弱電離區(qū)、中間電離區(qū)、強電離區(qū)、過渡區(qū)以及高溫本征激發(fā)區(qū)，最后再根據(jù)不同電離區(qū)的特點進(jìn)行討論與近似處理。所涉及到的物理模型相對簡單，但分區(qū)討論和近似處理部分篇幅較長。如果運用傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生很容易沉浸在復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)之中，難以透徹理解物理模型。如果教師在授課過程中先讓學(xué)生了解該部分內(nèi)容的整體安排，理解物理模型，再分析各溫區(qū)的主要特點，最后總結(jié)規(guī)律，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出結(jié)論，就能很好地提高教學(xué)效果。
3.溫故知新，適時比較，加強各章節(jié)之間的聯(lián)系
對于課堂上剛剛講授過的知識，學(xué)生并不一定能夠完全掌握，此時教師應(yīng)該結(jié)合半導(dǎo)體物理課程的特點，在教學(xué)過程中做到溫故知新，適時比較，加強不同章節(jié)之間知識點的聯(lián)系。例如pn結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本單元，如日常生活中常見的激光器、LED、整流器、調(diào)制器、探測器、太陽能電池等。在講授該章內(nèi)容時，如果教師以pn結(jié)為主線將教材中不同章節(jié)之間的內(nèi)容有機聯(lián)系起來，學(xué)生就會從整體上進(jìn)一步了解半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)內(nèi)容。只有在教學(xué)過程中不斷加強各章節(jié)知識點之間的聯(lián)系，學(xué)生才能完全掌握半導(dǎo)體器件的基本原理，為以后從事半導(dǎo)體行業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。再如所選教材中有關(guān)半導(dǎo)體載流子濃度的計算，分為非簡并半導(dǎo)體和簡并半導(dǎo)體兩種情況。在講述后者時，教師通過對比分析非簡并半導(dǎo)體和簡并半導(dǎo)體在概念上有何異同，再引導(dǎo)學(xué)生比較簡并半導(dǎo)體與非簡并半導(dǎo)體載流子濃度的計算公式，學(xué)生就會意識到二者的主要區(qū)別就是分布函數(shù)不同，在計算簡并半導(dǎo)體載流子濃度時，雖然分布函數(shù)替換后導(dǎo)致積分變復(fù)雜，但只是數(shù)學(xué)處理的方法不同，兩者的物理思想?yún)s完全一致。通過這樣的比較學(xué)習(xí)，學(xué)生對非簡并半導(dǎo)體與簡并半導(dǎo)體以及玻爾茲曼分布函數(shù)與費米分布函數(shù)的理解就會更加深入。
三、結(jié)束語
通過以上教學(xué)改革措施，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了半導(dǎo)體物理課程的課堂教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.
隨著科技不斷發(fā)展，人類生活水平不斷提高，電子電力技術(shù)得到推廣應(yīng)用。電子電力技術(shù)應(yīng)用范圍擴大，使得我國國民經(jīng)濟發(fā)展得到推動。文章分析了電力電子技術(shù)發(fā)展，以及應(yīng)用的領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】電子電力 發(fā)展應(yīng)用 應(yīng)用領(lǐng)域
1 電力電子技術(shù)的應(yīng)用
1.1 一般工業(yè)
工業(yè)生產(chǎn)中，一般都會使用到各種交流電動機，這些動力設(shè)備性能比較好，在，可以提供直流斬波電源，或者提供可控整流電源。但是提供的主體是電力電子裝備。眾所周知，交流電機變頻調(diào)速技術(shù)是整個電氣節(jié)能最關(guān)鍵之技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的大型機器而言，使用的是電力電子交流節(jié)能技術(shù)，將其作為電力驅(qū)動電源，可以節(jié)能電能達(dá)到30%。近年來，隨著電力電子技術(shù)得以發(fā)展，使得交流電性能得以發(fā)揮出來，隨著社會不斷發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，逐漸占據(jù)市場。
1.2 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
當(dāng)電力系統(tǒng)離開了電力電子技術(shù)之后，電力現(xiàn)代化建設(shè)將很難實現(xiàn)。電力系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展中，得到了電力電子技術(shù)支撐，現(xiàn)代化建設(shè)目的得以實現(xiàn)。高壓輸電是基于發(fā)電廠借助變壓器，將發(fā)電機發(fā)出的電壓將其升壓之后再輸出的一種全新方式。高壓直流輸電端位置以及受電端位置，一般都是使用晶閘管變流裝置，這可以避免了大容量以及長距離輸送導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)損耗問題出現(xiàn)，為輸電系統(tǒng)使用奠定技術(shù)基礎(chǔ)，從而為良好輸電提供保障。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，電力電子裝置還可以被使用于電能質(zhì)量控制，例如，使用于閃變、瞬間停電以及電壓跌落等等電能質(zhì)量控制中，更好的保障供電質(zhì)量。
1.3 交通運輸
電子電力技術(shù)交通中被廣泛使用，DC/DC變換技術(shù)被大量使用于地鐵、動車以及無軌電車中。在使用中，可以更好的控制無極變速，提升控制質(zhì)量。在使用中，最常表現(xiàn)在于電氣機車中的直流機車選擇了整流裝置將其作為供電設(shè)備。但是，交流機車如果采用了變頻裝置進(jìn)行供電，那么需要借助電力電子裝置做好電力驅(qū)動和和電力控制。例如：直流斬波器被廣泛使用于軌道車輛中，常見的磁懸浮列車中電力電子技術(shù)使用，這是一項技術(shù)要求較好，關(guān)鍵之技術(shù)使用案例。其中借助電動汽車將其作為蓄電池，提供能源，需要做好電力驅(qū)動控制工作。那么使用蓄電池進(jìn)行充電，不能離開電源。因此，航海、航空也離不開電子技術(shù)。
2 電力電子技術(shù)未來的發(fā)展
觀看技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中看出，半導(dǎo)體器件使用推動了電子技術(shù)得以快速發(fā)展。當(dāng)前晶閘管等電力半導(dǎo)體器件有著重要的角色，尤其是在電力電子技術(shù)使用過程中。進(jìn)入的到79年代之后，半控型晶閘管使用開始有新的改變。之前從低壓的小電流逐漸向高壓大電流方向發(fā)展，而且還研究出大量的電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品被成為電子器件，隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展，這些產(chǎn)品被廣泛使用。因此，被稱為第一代電力電子器件，隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，該技術(shù)使用范圍不斷擴大，將其使用于電子技術(shù)理論研究和半導(dǎo)體制造使用，使得工藝水平逐漸提高。我國隨后研究出了GTR、GTO、功率MOSFE等等電子器件，這些器件都是全控制型的電子器件，被成為第二代電力電子器件。近年來，隨著技術(shù)水平不斷發(fā)展，研究出了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的第三代電力電子器件，逐漸向響應(yīng)快、高頻率方向發(fā)展，這是一個質(zhì)的飛躍，在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要作用，它推動了我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，使得我國電子自動化進(jìn)程邁進(jìn)一部。進(jìn)入90年代之后，電子電力器件發(fā)展更快速，逐漸朝復(fù)雜化、模塊化、智能化、功率集成的方向發(fā)展，以此形成了電力電子技術(shù)的理論研究、器件開發(fā)研制、應(yīng)用的高新技術(shù)領(lǐng)域等，在國際上形成了新的技術(shù)熱門。目前世界上許多大公司已開發(fā)出IPM智能化功率模塊，日本三菱、東芝及美國的國際整流器公司已有成熟的產(chǎn)品推出。我國國產(chǎn)的電力半導(dǎo)體器件研究水平相對于西方國家，我國的電力電子技術(shù)水平相對較低，我國應(yīng)該不斷創(chuàng)新技術(shù)，不斷進(jìn)行研究，提升科研水平，更好的保障經(jīng)濟建設(shè)。我國電力半導(dǎo)體器件如果沒有跟上社會發(fā)展步伐，將會影響我國經(jīng)濟發(fā)展水平。因此，我國的電力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展任務(wù)艱巨。在未來發(fā)展中，應(yīng)該進(jìn)一步研究使用新材料，提升器件功率以及溫度范圍，之間降低器件價格，使得器件被使用的范圍更廣。系統(tǒng)實現(xiàn)集成化，當(dāng)獲得更好的集成化之后，才更好保障系統(tǒng)可靠性和安全性。
3 結(jié)束語
綜上所述，電力電子技術(shù)是一門信息、智力、知識密集型的技術(shù)，對該技術(shù)掌握對提升我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有重要作用。從當(dāng)前的發(fā)展前景上看，將半導(dǎo)體器件作為核心技術(shù)的電力電子行業(yè)，在我國政策支撐下，科研工作深度加深，相信在不久的將來，該技術(shù)發(fā)展水平會得以提升，更加推動我國經(jīng)濟發(fā)展。
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關(guān)鍵詞：熱阻；功率電流；測量電流；錫層厚度
Thermal resistance test principle and failure analysis
LIU Xun, LI Jian-hui
（Shantou Hua Shan Electronics Company Limited, 515041）
Abstract: In this paper, the thermal analysis on testing principle and actual cases, respectively, from the thermal resistance test conditions, control limit, upper core hole, tilt, chip resistance and so on several aspects, elaborated its thermal resistance test results influence, and through data statistics form chart, more intuitive and clear, summed up the failure of the various thermal resistance test possible causes.
Keywords: thermal resistance; power current; current measurement; the thickness of tin coating
隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體分立器件的功率越來越大，使得產(chǎn)品的耗散功率增大。同時由于成本控制的原因，芯片和成品的尺寸都在不斷的縮小，在一定程度上又限制了產(chǎn)品的散熱。這就造成了產(chǎn)品在測試過程中，經(jīng)常發(fā)生熱阻不良。本文重點闡述了熱阻測試原理和各類失效模式，并結(jié)合實際案例進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
1 熱阻概念及測試原理
1.1 熱阻概念及作用
熱阻是依據(jù)半導(dǎo)體器件PN 結(jié)在指定電流下兩端的電壓隨溫度變化而變化為測試原理，來測試功率半導(dǎo)體器件的熱穩(wěn)定性或封裝等的散熱特性. 通過給被測功率器件施加指定功率、指定時間PN結(jié)兩端的電壓變化(VBE/VF/VGK/VT/VDS)作為被測器件的散熱判據(jù)。并與指定規(guī)范值比較，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行篩選，將散熱性差的產(chǎn)品篩選掉，避免散熱性差的產(chǎn)品在應(yīng)用過程中，因溫升過高導(dǎo)致失效。各類產(chǎn)品的熱阻名稱見表1。
1.2 熱阻測試原理
熱阻測試儀配有接觸檢測和震蕩探測功能，以防止接觸不良和震蕩造成的溫度測量錯誤，提高了測試儀的穩(wěn)定性。測試儀提供手動和自動測試，可測量瞬態(tài)熱阻，在恒溫槽的配合下，也可測量功率器件的穩(wěn)態(tài)熱阻. 通過輸入一個溫度系數(shù)到測試儀，也可顯示結(jié)點升高的溫度。
下面以NXP雙向可控硅BT137-600產(chǎn)品為例，詳細(xì)說明熱阻測試原理。
雙向晶閘管需要測試第一象限VT1和第三象限VT3，測試條件相同，如表2所示。
其中，IF：施加功率電流；IG：門極觸發(fā)電流；IM：測量電流；PT：施加功率時間；DT：冷卻時間；LOWER LIMIT：規(guī)范下限；UPPER LIMIT：規(guī)范上限。
測試電路如圖1所示，測試時序如圖2所示。
2 熱阻失效分析
2.1 產(chǎn)品截面圖
產(chǎn)品截面如圖3所示。從產(chǎn)品截面圖中，標(biāo)識的散熱主要方向是從芯片發(fā)熱區(qū)，經(jīng)過上芯錫層，再通過框架載芯板/散熱板，散發(fā)到測試環(huán)境中。
2.2 熱阻測試預(yù)判斷失效
熱阻測試前的預(yù)判斷測試項目IF>50 A、IG>500 mA 、VT1>4 V、VT
2.3 熱阻低于規(guī)范值
真正的熱阻測試失效有兩種情況，一類是低于規(guī)范值、一類是高于規(guī)范值。熱阻測試規(guī)范中設(shè)置下限，實際是為了防止混管，實際上，熱阻越小越好，所以當(dāng)熱阻低于規(guī)范值時，只需要確認(rèn)是否混管或誤測，如果都不是，可以直接放寬規(guī)范下限或取消規(guī)范下限，將不良品復(fù)測即可。
2.4 熱阻測試高于規(guī)范值
熱阻高于規(guī)范值失效，目前，已知可能的原因有以下幾種：
① 上芯空洞超標(biāo)、結(jié)合不良；
② 錫層厚度偏厚、傾斜；
③ 芯片內(nèi)阻大；
④ 測試規(guī)范上限設(shè)置過于嚴(yán)格；
⑤ 測試條件設(shè)置不合理；
(1)空洞超標(biāo)、結(jié)合不良
空洞超標(biāo)、結(jié)合不良會導(dǎo)致熱阻偏大，是由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于錫。空氣在標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)是0.0244 W/(m.k)，而錫的導(dǎo)熱系數(shù)是67 W/(m.k)，相差近3000倍。所以空洞對熱阻的影響是非常大的，遠(yuǎn)大于錫層偏厚或傾斜的影響。熱阻分布如圖4所示。
(2)錫層厚度偏厚、傾斜
錫層厚度偏厚或傾斜，增加了熱傳導(dǎo)的距離，一定程度上使產(chǎn)品溫度上升較快，導(dǎo)致熱阻偏大，但其影響遠(yuǎn)低于空洞或產(chǎn)品自身內(nèi)阻增加造成的熱阻偏大。熱阻分布如圖5所示。
(3)芯片內(nèi)阻偏大
當(dāng)芯片內(nèi)阻偏大時，產(chǎn)生的熱量會明顯增加，導(dǎo)致產(chǎn)品溫度上升，熱阻增加。熱阻分布如圖6所示。
(4)測試規(guī)范上限設(shè)置過于嚴(yán)格
如果熱阻測試規(guī)范上限設(shè)置過于嚴(yán)格，熱阻典型值基本全部集中在測試規(guī)范的上限附近，當(dāng)芯片內(nèi)阻稍偏大或錫層稍偏上限，或空洞稍偏大(但全部在控制規(guī)范內(nèi))，熱阻就會偏大超標(biāo)。其熱阻分布如圖7所示。
(5)測試條件設(shè)置不合適
當(dāng)熱阻測試條件設(shè)置不合適時，例如：IM過于臨界，產(chǎn)品出現(xiàn)一點波動時，熱阻可能會出現(xiàn)“虛高”。通過調(diào)整IM參數(shù)，“虛高”的產(chǎn)品和正常產(chǎn)品，用調(diào)整后的程序測試，會得到基本一致的熱阻值。數(shù)據(jù)如表3所示，其熱阻分布如圖8所示。
(6)測試環(huán)境
如果測試環(huán)境的溫度較高，或散熱能力差，會影響到產(chǎn)品的散熱。所以當(dāng)產(chǎn)品熱阻測試失效時，首先要確認(rèn)測試環(huán)境是否在正常的測試規(guī)范內(nèi)，然后再進(jìn)行其他方面的進(jìn)一步分析。
(7)錫層厚度、傾斜度對熱阻的影響程度
取TO-220產(chǎn)品BT137-600調(diào)試不同的錫層，同時保證空洞一致，測試空洞是在0.2%～0.6%之間，然后一對一測試熱阻。熱阻測試值隨錫層厚度增加而升高，但升高幅度很小，和錫層傾斜度(在40um以內(nèi))關(guān)系不大(見圖9)。錫層厚度的影響如圖10所示。
3 結(jié)束語
本文闡述了熱阻的概念、測試原理、失效模式及對應(yīng)的原因分析，同時將各類失效模式，利用SPC技術(shù)，轉(zhuǎn)換成圖表，更加清晰明了。
參考文獻(xiàn)
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[3] 《QA3T320A熱阻測試系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，出版單位：紹興宏邦電子科技有限公司.
作者簡介
關(guān)鍵詞：缺陷檢測；Blob；Canny；模板匹配；差影
中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）28-6775-04
半導(dǎo)體電子元器件被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品和通信系統(tǒng)中，它的外觀質(zhì)量主要取決于封裝這一工藝技術(shù)。良好的封裝可以保護芯片或晶體管少受外界環(huán)境的影響，因此封裝后的元器件可以得到更加可靠的電氣性能，當(dāng)然也更加方便后續(xù)的PCB板上的焊接和貼裝[1]。對半導(dǎo)體器件的視覺檢測主要包括管腳檢測和管體檢測。隨著計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的結(jié)合和發(fā)展，機器視覺被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的各階段在線檢測中。利用機器視覺[2]進(jìn)行檢測不僅可以排除主觀因素的干擾，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，還可以對缺陷進(jìn)行定量描述，具有人工肉眼檢測無法比擬的優(yōu)越性。
1 檢測系統(tǒng)概要
在線半導(dǎo)體表面缺陷檢測系統(tǒng)[3]主要由PC機、圖像處理軟件、圖像采集設(shè)備、光源照明部分以及IO控制裝置和機械裝置組成。其中圖像采集由CCD、鏡頭、圖像采集卡和光源共同完成，高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)，是整個系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵所在。
圖1 缺陷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用定位槽對器件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，定位槽的底部有一個通氣孔，下面連接一個真空吸氣裝置，機器手將管子放入凹槽，在吸氣裝置的作用下管子沿著凹槽四周的導(dǎo)向斜面滑入槽底部。確保了獲取到的圖像中三極管擁有正確的位姿。
2 基于邊緣的位姿檢測
硬件系統(tǒng)采用了定位模具保證管子的位姿，但管子在凹槽內(nèi)仍不可避免的存在輕微的傾斜和旋轉(zhuǎn)，采用邊緣點檢測擬合邊緣線的方法尋找管子矩形，根據(jù)矩形的中心位置和旋轉(zhuǎn)角度來對準(zhǔn)參考圖像與目標(biāo)圖像。
實現(xiàn)圖像的邊緣點檢測就是用離散化梯度逼近函數(shù)計算每一個像素位置的梯度值和梯度方向，滿足閾值要求和方向要求的灰度躍變位置即為邊緣點?，F(xiàn)實情況的邊緣都是斜坡性邊緣，這就使得邊緣檢測的首要工作是濾波。對比Sobel算子，Log算子，Canny算子各自的優(yōu)缺點[4]后本文采用Canny算子尋找邊緣點。
邊緣點檢測之前，劃定檢測的感興趣區(qū)域，這里使用的感興趣區(qū)域是一條方向線段，規(guī)定邊緣點的檢測方向是從線段的起點到終點。本文的圖像處理需要用到的邊緣點檢測目的主要是在限定區(qū)域檢測滿足梯度閾值及方向的點，方向即從亮到暗或從暗到亮。判斷方向時需要兼顧檢測方向的影響。檢測方向不同，x向、y向的一階偏導(dǎo)對于判斷明暗變化的影響比重也不同，因此給出如下的判斷表達(dá)式：
3 缺陷檢測
3.1 基于差影的雙模板匹配法
用于缺陷檢測的模板匹配技術(shù)常用的有兩種：差影法和灰度相關(guān)法。差影法的基本原理是將待檢測圖像與模板圖像做像素差，對得到的差值圖像進(jìn)行判斷是否存在缺陷及缺陷大小和位置；灰度相關(guān)法則是計算待檢測圖像與模板圖像對應(yīng)像素間的相似度，根據(jù)相似度的大小確定缺陷所在。兩種方法相比較，由于灰度相關(guān)法算法時間復(fù)雜度明顯高于差影法，對于在線檢測對實時性的要求，顯然不可取，本文所述缺陷檢測思想仍然沿用差影法的基本原理。
在以下的論述中規(guī)定[gr，c]代表理想圖像，即無缺陷的圖像，也稱為參考圖像。[fr，c]代表待檢測圖像。[r，?c]代表像素坐標(biāo)。
為檢測出待測圖像與理想圖像的偏差，僅需要將兩幅圖像的對應(yīng)像素相減即可。通常并不關(guān)心缺陷是偏亮區(qū)域還是偏暗區(qū)域，因此通過預(yù)先設(shè)置閾值[gabs]使用以下的等式便可找到缺陷。
此方法對圖像對準(zhǔn)有非常高的精度要求。如果物體發(fā)生略微的偏移。那么在待測圖像與模板圖像的邊緣便會很容易產(chǎn)生超過[gabs]的灰度值差異，誤檢缺陷在所難免。另外受到周圍環(huán)境光線變化的影響，該方法也不能給予任何應(yīng)對策略。然而在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，這些因素都是無法避免的，針對以上存在的問題，本了以下的工作。
改進(jìn)的匹配方法使用偏差模型[5]學(xué)習(xí)雙模板[6][g1r，c]和[g2r，c]，其中[g1r，c]作為下限模板，[g2r，c]作為上限模板。下限模板由參考圖像與容許偏差的差值確定，上限模板則由參考圖像與容許偏差的和值確定。容許偏差可以從一組訓(xùn)練圖像中計算得到。一般使用標(biāo)準(zhǔn)偏差來計算需要的容許偏差。另外，為了增強抗干擾和抑制噪聲的能力，參考圖像也不再簡單的使用某一幅理想圖像簡單獲取，也應(yīng)該從一組訓(xùn)練圖像中計算像素均值得到。n幅圖像的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算如下：
這里還需引入可調(diào)倍數(shù)常量[p]，[q]和可調(diào)絕對常量[a]，[b]。一般情況由一個小的可調(diào)倍數(shù)乘以標(biāo)準(zhǔn)差即得到所需的容許偏差，用戶只需合理設(shè)置[p]，[q]值調(diào)節(jié)容許偏差。然而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差大大小于被測圖像偏差時，這樣的方法就顯得很不好，因此引入絕對常量，當(dāng)某處容許偏差小于絕對常量時，使用絕對常量值替代容許偏差值。
考慮到環(huán)境光線變化的影響，引入環(huán)境光因子[θ]，在對模板與待測圖像做減法比較之前，計算待測圖像像素均值[m0]和模板圖像均值[m1]，[m0]和[m1]的比例關(guān)系即代表[θ]，令模板圖像的每一個像素乘以環(huán)境光因子[θ]，可有效抑制環(huán)境光帶來的不穩(wěn)定圖像質(zhì)量造成的缺陷誤檢，以下給出了圖像分割公式：
3.2 缺陷提取
圖像的幾何特征在圖像處理中起著十分重要的作用。利用區(qū)域特征的大小、位置、方向等來確定物體的位置并識別它們。特征值量度的合理選取可以有效地減小誤檢率。本文采用Blob算法提取已經(jīng)分割的缺陷特征。Blob算法用于從背景中分離目標(biāo)，測量目標(biāo)的形態(tài)參數(shù)，包括面積、周長、寬度、高度、細(xì)長度、數(shù)量等。與基于逐點像素處理的算法相比，該算法處理速度快，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)在線檢測系統(tǒng)中。
盡管上述處理方法已經(jīng)在抑制噪聲方面做了很多工作，但分割后的圖像仍可能存在偽缺陷，因此通過設(shè)置特征閾值來抑制缺陷誤檢，如寬度閾值、高度閾值、面積閾值、周長閾值，當(dāng)檢測的Blob對象分別滿足各方面的閾值要求時，則認(rèn)為是缺陷，否則被判定為噪聲點。
4 缺陷檢測系統(tǒng)實現(xiàn)
硬件環(huán)境如下，相機：SONY XC-HR50；鏡頭：50mm；曝光時間：5ms
軟件環(huán)境如下：基于OpenCV的VC++編程實現(xiàn)
檢測目標(biāo)：SOD323半導(dǎo)體器件的塑封表面缺陷檢測
硬件系統(tǒng)采用了定位模具保證了待測元件有較精確的定位，每幅圖像中，器件的位置只有細(xì)微的偏差。因此，檢測開始之前根據(jù)模具的位置劃定感興趣區(qū)域。這種方法稱之為圖像局部分析法。
使用該方法的必要性主要體現(xiàn)在兩個方面：
1） 本系統(tǒng)用于在線工業(yè)檢測系統(tǒng)，同時用于三個工位的實時檢測，要求每個工位的檢測時間不得超過50ms，在硬件上采用四核處理器的計算機，軟件上采用多核多線程編程技術(shù)，采用局部分析法可以大大的減少圖像數(shù)據(jù)量，有效地降低圖像處理時間。
2） 待測器件表面塑封材料微小顆粒分布的不均勻性以及環(huán)境光造成的光線不均勻都會影響成像質(zhì)量。圖像中目標(biāo)邊緣幅度大小不一，甚至非邊緣幅度比邊緣更大，這些因素都需要盡量回避，局部分析法將檢測區(qū)域盡量縮小，干擾量也得以大大減少。
如圖2所示，其中帶箭頭的虛線線段分別代表上下左右四個感興趣區(qū)域內(nèi)邊緣點的尋找方向，如Top區(qū)域，表示從下到上搜尋邊緣點。十字叉則代表搜尋到的邊緣點。
圖2 邊緣檢測示意圖
利用OpenCV提供的方法cvFitLine將搜尋到的邊緣點分別擬合為四條邊緣線，圖中管體矩形框已經(jīng)標(biāo)出，計算矩形的中心位置和旋轉(zhuǎn)角度用于后續(xù)的參考模板與目標(biāo)圖像的對準(zhǔn)。對該矩形區(qū)域進(jìn)行平滑圖像處理后計算該區(qū)域圖像的灰度平均值，得到環(huán)境光因子。對準(zhǔn)模板和目標(biāo)圖像，逐一比較像素灰度值，如果灰度值不在兩個模板的閾值范圍內(nèi)則被認(rèn)為缺陷。
5 結(jié)論
綜上所述，通過對傳統(tǒng)的缺陷檢測算法的分析和運用，利用模具和邊緣定位獲取到物體可靠位姿，縮小了在線檢測范圍，有效提高了檢測效率。結(jié)合半導(dǎo)體器件的塑封缺陷特征，采用雙模板匹配法，有效的抑制了噪聲和環(huán)境光對缺陷識別的影響。
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《模擬電子技術(shù)》是一門技術(shù)性和實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，偏重工程應(yīng)用，學(xué)生普遍感覺課程內(nèi)容繁多、難度較大；教師使出全身招數(shù)，收效甚微。作為專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量將直接影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。本文通過把握課程的教學(xué)重難點，采用不同方法予以突破，突出“以器件為核心，以放大為主線，以應(yīng)用為目的”教學(xué)思路，強調(diào)工程思維意識培養(yǎng)等措施，使教學(xué)達(dá)到較好的效果。
一、明確課程的教學(xué)重難點，采用適合的方法突破
根據(jù)《模擬電子技術(shù)》課程標(biāo)準(zhǔn)，確定其教學(xué)內(nèi)容重點可歸納為：半導(dǎo)體器件的特性及參數(shù)；放大電路的分析方法；直接耦合多級放大電路存在的問題及解決方法；差動放大電路抑制零點飄移的原理；放大電路反饋類型判斷方法及引入原則；集成運放的線性及非線性應(yīng)用電路；電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩的判斷方法；功率放大器的工作原理及集成功率放大器的應(yīng)用；穩(wěn)壓電路工作原理及三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用等。針對以上重點分析，通過多年教學(xué)經(jīng)驗，確定本課程的教學(xué)難點在于學(xué)生對基本概念似懂非懂、電路原理理解不透、電路分析方法掌握不牢、工程思維方法應(yīng)用不足等問題。
1.恰當(dāng)?shù)剡\用類比方法，加強學(xué)生難點概念原理教學(xué)
進(jìn)行概念原理的教學(xué)時，恰當(dāng)?shù)剡\用類比方法。例如：講解PN結(jié)反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿兩種，前者是可逆的，后者是不可逆的，好比人長了腫瘤，良性的手術(shù)摘除后人還是健康的，惡性的就是癌癥，摘除后仍然危及生命。再如解決放大電路為什么要有適合的靜態(tài)工作點這一難點時，好比蕩秋千時，繩子距地面的高度必須合適，過低秋千會觸地，過高則游戲者不方便上去。運用類比方法難理解的理論變得更形象，抽象的概念變的更具體，有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和想象能力，提高了記憶效果。
2.通過實驗教學(xué)方法，解決學(xué)生電路原理學(xué)習(xí)中的疑難問題
由于課程有很強的實踐性，可借助于實驗的方法，解決電路原理學(xué)習(xí)中的疑難點。如直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象是一個疑難點，如同在測量電阻時，如果對萬用表沒有進(jìn)行零點較正的話，則當(dāng)紅黑表筆直接接觸時，表會顯示一定的阻值，易于理解零點漂移現(xiàn)象。本課程可精選部分重難點內(nèi)容，如差分放大電路抑制零點漂移的原理，功率放大電路能輸出足夠大功率的原理，負(fù)反饋如何影響放大電路的性能等疑難點可以通過實驗的波形、數(shù)據(jù)、現(xiàn)象及結(jié)果來說明，加深學(xué)生對課程中疑難點的理解。
3.采用由淺入深、化難為易的方法，講解電路分析中的深奧理論
提出問題，啟發(fā)引導(dǎo)，由淺入深的推進(jìn)。如學(xué)習(xí)了基本共射極放大電路工作原理后，提出晶體管溫度升高會使設(shè)定好的靜態(tài)工作點移動，怎么解決，引出分壓式偏置電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點，但負(fù)反饋電阻RE引入會降低放大電路的倍數(shù)，再改進(jìn)，講解旁路電容的作用，最后得到經(jīng)典的共射極放大電路。將深奧的理論變得更形象，化難為易。如：反饋組態(tài)的判斷方法是一個難點，容易混淆，不易掌握。講解時，先介紹定義法，然后引出短路法，最后推出更簡單易行的方法――從直觀的結(jié)構(gòu)來判斷，電壓電流反饋看取樣點，串聯(lián)并聯(lián)反饋看比較點，經(jīng)過幾次反復(fù)訓(xùn)練學(xué)生一般容易掌握。
二、突出“以器件為核心，以放大為主線，以應(yīng)用為目的”的教學(xué)思路
半導(dǎo)體器件教學(xué)要弱化器件內(nèi)部載流子的運動，強化半導(dǎo)體器件的外特性及用途教學(xué)。了解器件的結(jié)構(gòu)原理，明白使用時必須加偏置電壓，不同的偏置電壓，可以使器件工作于不同的工作狀態(tài)，而不同的工作狀態(tài)又具有不同的特點進(jìn)而應(yīng)用于不同的電路。以半導(dǎo)體器件為核心組成的各種分立元件電路，突出放大主線，有基本放大、負(fù)反饋放大、差分放大、功率放大、多級放大等電路。講解要突出工作原理、特點、分析及設(shè)計方法。由于電子器件性能的分散性較大，在設(shè)計前應(yīng)測量所用元器件的參數(shù)，為電路設(shè)計提供必要的依據(jù)，在設(shè)計和制作放大電路時離不開測量和調(diào)試技術(shù)。在完成設(shè)計和安裝以后，還必須明白好的放大器，必定是理論設(shè)計與實驗調(diào)整相結(jié)合的產(chǎn)物。
集成電路教學(xué)對集成器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、原理只作簡單介紹，重在應(yīng)用，首先知道它有什么用途，然后是怎么使用，搞清楚各引腳的功能及性能指標(biāo)。集成運算放大器引入深度負(fù)反饋時，運放工作在線性區(qū)應(yīng)用于正弦波振蕩器、信號的運算電路、有源濾波電路等。集成運算放大器在無反饋或引入正反饋時，運放工作在非線性區(qū)應(yīng)用于矩形波發(fā)生器、電壓比較器等；集成功率放大器應(yīng)用時要保證在大功率狀態(tài)下安全可靠的工作；三端集成穩(wěn)壓器掌握其典型應(yīng)用電路。元器件的選用、電路的測量調(diào)試、集成器件的使用等技能是實際工作中分析和處理電子技術(shù)問題所必需的，也是本課程的核心技能。
三、強化“先靜態(tài)后動態(tài)、先小信號后大信號，強調(diào)工程思維方法”的分析方法
放大電路的分析過程首先靜態(tài)分析。講清靜態(tài)工作點設(shè)置過高、過低會出現(xiàn)什么狀況，調(diào)試靜態(tài)工作點該如何調(diào)節(jié)電路參數(shù)。電路的靜態(tài)具有較強的共性，都是在直流電源作用下形成電路直流工作狀態(tài)，不必區(qū)分電路的形式和功能，避免了不同電路靜態(tài)分析的重復(fù)。然后動態(tài)分析講清微變等效電路-動態(tài)性能指標(biāo)估算，明白不同負(fù)載下的放大倍數(shù)不相等，輸入電阻過小、輸出電阻過大對放大電路的影響。動態(tài)調(diào)試應(yīng)先小信號后大信號，調(diào)試過程中運用波形比較、工程估算、電子測量等工程方法貫穿其中。
【關(guān)鍵詞】離線式;PWM開關(guān)電源;傳導(dǎo)電磁干擾;分析
前言
隨著科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，社會環(huán)境當(dāng)中的電力電子裝置也得到了廣泛的普及應(yīng)用，而這些設(shè)備在使用的過程中必然會產(chǎn)生較強的電磁干擾現(xiàn)象，反過來，這些干擾現(xiàn)象又會對設(shè)備本身的穩(wěn)定運行帶來不同程度的影響。從以往的研究資料中可以看到，通過研究電力電子裝置的電磁干擾源及其特征，有助于改善電力電子裝置的電磁兼容性能，從而有效削弱設(shè)備開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁現(xiàn)象，保證電力電子設(shè)備的穩(wěn)定運行。
一、針對開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾源及其相關(guān)內(nèi)容的分析
離線式PWM開關(guān)電源裝置是一種抗噪性較強的裝置，它具備一定的經(jīng)濟性與實用性特征，在工程中的應(yīng)用極為普遍。從總體來看，欲想要研究PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾，則首先要明確開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾源及其在主電路中的作用機理?；诖?，構(gòu)建一種包含有功率半導(dǎo)體器件以及無源元件等內(nèi)容的高頻電路模型，并對該模型進(jìn)行電磁干擾的模擬分析，從而對其性能做以了解，以便于在實際操作中能夠有效避免開關(guān)電源傳導(dǎo)過程的電磁干擾現(xiàn)象。
（一）離線式PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾源
鑒于實際電力電子裝置中半導(dǎo)體器件的開關(guān)瞬態(tài)性能、電路連線的三維結(jié)構(gòu)以及無源器件的非線性等因素的影響，如若直接對其進(jìn)行精確的描述則就會遇到較大的阻礙，因此，構(gòu)建一種包含有功率半導(dǎo)體器件以及無源元件等內(nèi)容的高頻電路模型的方法對實際裝置的電磁干擾發(fā)射還很難進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測[1]。
（二）電磁干擾源及其模型特征分析
從專業(yè)的角度來看，電力電子裝置中的開關(guān)器件的非線性是致使其產(chǎn)生電磁干擾的主要根源。鑒于各類型裝置中所選用材料較為特殊，往往在實際使用的過程中，可以忽略這一電磁干擾現(xiàn)象，但并不意味著此類型的干擾不會對設(shè)備的正常運作產(chǎn)生影響。通過理論分析可知，高頻功率開關(guān)器件是傳導(dǎo)電磁干擾源，通常會在開關(guān)瞬間產(chǎn)生電磁干擾[2]。離線式PWM開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾源以及耦合途徑有著直接關(guān)聯(lián)，而且，開關(guān)電源在受到典型傳導(dǎo)干擾源作用時，則會呈現(xiàn)出干擾耦合通道的狀況。由此可以了解到，若想要有效避免離線式PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾，則要從其機理及特征著手來操作。
二、有效避免開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的措施分析
（一）淺析離線式PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的特性
經(jīng)分析，離線式PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的特性較為突顯，即離線式PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾數(shù)據(jù)可以通過測算模擬環(huán)境中的干擾源及其參數(shù)來獲取，因此，探究避免PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的有效措施之一便是通過其干擾特性來將其避免。基于離線式PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的特性，提出了一種測量交流電機傳動系統(tǒng)中電磁干擾耦合途徑特性的方法，即得出傳導(dǎo)干擾耦合通道的特性[3]。
（二）探究避免PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的合理措施
在建立高頻電路仿真模型過程中，在上文中所提到的一種包含有功率半導(dǎo)體器件以及無源元件等內(nèi)容的高頻電路模型的方法，通常需要將各個元器件單獨進(jìn)行建模，而對元器件間實際存在的高頻耦合效應(yīng)未予以考慮，這種簡化處理有時會嚴(yán)重影響對電磁干擾的正確理解和分析，同時，也不利于指導(dǎo)設(shè)計人員進(jìn)行技術(shù)調(diào)試[4]。
因此，探究一種有效避免離線式PWM開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的可行性措施極為必要。從現(xiàn)實情況來看，開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁環(huán)境呈現(xiàn)一種動態(tài)的變化趨勢，隨著因素及條件的變化而發(fā)生細(xì)微的變化。因此，通過構(gòu)建模型來探究避免產(chǎn)生電磁干擾的方法有一定的現(xiàn)實意義。從測算數(shù)據(jù)中可以了解到，開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的特征較為明顯，只有針對其特征變化情況來采取必要的措施來改善，才能對開關(guān)電源傳導(dǎo)機制的正常操作帶來實質(zhì)性幫助。
三、結(jié)束語
綜上所述，從以上所分析的情況來看，由于離線式PWM開關(guān)電源中高速功率開關(guān)器件在應(yīng)用時能夠產(chǎn)生瞬間的電流、電壓，則會對電力資源通道中的電流以及電壓造成一定的影響。在實際的電網(wǎng)環(huán)境中，這種類型的開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾普遍存在。經(jīng)系統(tǒng)的分析與驗證可知，通過將開關(guān)電源置于不同的占空比狀態(tài)，經(jīng)模擬實驗操作過程可以了解到，通過測量開關(guān)電源在擬定干擾源時的傳導(dǎo)狀態(tài)，能夠進(jìn)一步明確其傳導(dǎo)特征，最后，憑借在模擬實驗中所得出的開關(guān)電源傳遞特征，得出阻隔傳導(dǎo)干擾的有效方法，為實踐操作帶來啟示。
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