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行業(yè)進入黃金發(fā)展期
大功率半導體器件主要使用在輸電、變電和配電行業(yè)，電機驅動行業(yè)，鋼鐵及金屬冶煉行業(yè)，軌道交通行業(yè)，大功率電源行業(yè)，電焊機行業(yè)等領域，其需求約占大功率半導體市場需求的90％以上。目前，中國大功率半導體器件產業(yè)進入了一個黃金發(fā)展期，國家的經濟發(fā)展、節(jié)能減排的驅動、產業(yè)政策的扶持、戰(zhàn)略安全的需要、全球化趨勢等因素對大功率半導體的市場需求帶來積極影響，促使大功率半導體器件產業(yè)持續(xù)、快速、穩(wěn)定發(fā)展，產業(yè)規(guī)模不斷壯大。
根據CCID數據統(tǒng)計，2008年中國的大功率半導體器件市場規(guī)模達到了51.35億元。中國大功率半導體器件市場銷售額近年來保持20％的年均復合增長率，到2010年市場銷售額將達到75.67億元。
多年積淀全方位優(yōu)勢
公司通過不懈努力，已成長為我國銷量最大的大功率半導體器件供應商，并逐步確立了諸多競爭優(yōu)勢：
1、技術和質量優(yōu)勢
公司通過持續(xù)的技術創(chuàng)新，積累了諸多具有自有知識產權的產品設計和制造技術，掌握完整的前道(擴散)、中道(芯片制程)、后道(封裝測試)技術。公司建有省級技術中心，擁有130人的技術團隊；公司技術人員累計參與起草11項國家或行業(yè)標準。
公司建立了產品設計、生產、驗證、銷售的全面完整的質量控制體系。公司是國內少數具有功率半導體器件全面綜合試驗能力的企業(yè)之一，確保產品的品質和可靠性，滿足IEC標準的要求。
2、渠道和品牌優(yōu)勢
公司在國內擁有約850家直營客戶(整機設備制造商)，其中75家大客戶為電力電子應用領域的龍頭和骨干企業(yè)。目前公司主導產品在國內連續(xù)保持年銷售量第一位，銷售收入前三位，其中在感應加熱應用領域的市場占有率超過50％，保持全國第一。
公司已根據客戶的屬性和服務需求，建立了大客戶服務、一般客戶直營服務和經銷商服務的多層次服務體系。公司連續(xù)4屆獲省“精品名牌”稱號，并在多個領域具有很高的美譽度和知名度，形成良好的品牌效應。
3、規(guī)模成本優(yōu)勢
公司建成目前國內生產能力最大和最完整的大功率半導體器件生產線，具有年生產器件80萬只的能力。2008年公司銷售晶閘管46萬只，模塊31萬只，是中國大功率半導體器件主要的提供者之一。借助在大功率半導體器件行業(yè)積累的經驗與技術，公司通過技術改造擴大生產規(guī)模，改進工藝流程，降低生產成本；另一方面，由于產品品種規(guī)格齊全，客戶分布范圍廣泛，為生產組織的集約化和不同品種加工過程的綜合互補調配提供了空間，有利于提高產品良品率，也提高了產品產量，降低了生產成本。
募資項目提升技術產能
公司本次募集資金將用于125萬只大功率半導體器件技術升級及改擴建，項目總投資額2.65億元。投資此項目的主要目的還是壯大主營業(yè)務，一是現有產品的技術質量升級和擴產，產品質量水平接近或達到國際先進水平；二是建立研發(fā)中心，開發(fā)高端產品，如：大功率5″／3，5KV快速晶閘管器件、6500V高壓晶閘管、FRD方片工藝、IGBT封裝測試技術、智能模塊IPM等；三是建立全國技術服務支持中心，提升對客戶的服務能力。
關鍵詞：節(jié)能；電源管理；功率半導體；智能電網
隨著環(huán)保問題日益引起重視，低碳、環(huán)保之詞充斥于各大媒體，引發(fā)了一系列關于環(huán)保問題的討論。其實。在我們討論環(huán)保問題之時，必須明確的一個前提是不影響現階段的生活狀態(tài)。試想，如果讓人們強調環(huán)保以至于回到過去“鉆木取火”“日出而作日落而息”的狀態(tài)，估計沒多少人會繼續(xù)堅持將環(huán)保的口號喊下去。因此，所謂環(huán)保，就是在現有生活水準基礎上盡可能減少對地球環(huán)境的破壞，直觀點就是盡可能減少不可再生能源的應用，以緩解二氧化碳給氣候帶來的壓力。然而人類現代化生活所需要的正常能源又是不可或缺的，因此必須在解決必要能源需求的基礎上實現環(huán)保的要求。
開源節(jié)流，從來都是相輔相成的兩個方面，對于環(huán)保而言同樣如此。開源，就是充分開發(fā)如太陽能、風能、水利等可再生資源，而節(jié)流則是在相同生活需求的前提下，盡量降低能源損耗。對于半導體產業(yè)而言，環(huán)保的責任就是通過盡可能降低半導體產品的電力消耗以及由半導體產品帶來的電力節(jié)省來實現能源消耗的節(jié)流。
BP世界能源報告指出，2007年全球能源消耗的三分之一來自于電子系統(tǒng)，累計耗電量超過17：IM Gwh(17.1兆千瓦時)，這個數字還將以3％左右的速度不斷攀升。2007年，中國電子系統(tǒng)的能源消耗超過2.8兆千瓦時，僅次于美國，如果通過半導體技術將現有電能消耗節(jié)約5％，就相當于每年節(jié)省出5個三峽水電站的發(fā)電總量。
半導體的節(jié)能趨勢
無論從半導體廠商還是電源制造商的觀點來看(往往兩者有很多共同點)，今后的主體發(fā)展趨勢仍將集中在進一步提高轉換效率，提升功率密度，高可靠性及更低成本。電源的效率幾乎是電源技術與應用中永恒的主題，隨著全球經濟的一體化和對節(jié)能環(huán)保的關注，更高的轉換效率意味著對能源的有效利用和減少能耗開支。以馬達驅動為例，近年來逐漸得到普及和應用的電力電子變頻調速技術就變革性地改變了全世界工業(yè)和家庭用的交流電動機的使用，并極大程度地節(jié)約能源。配合液晶顯示技術而來的背光源電力電子應用完全改變了傳統(tǒng)彩色電視機的市場、產品和消費。
Microsemi功率產品部應用工程經理錢昶認為，隨著電源系統(tǒng)功率處理能力的不斷上升和對系統(tǒng)體積不斷減小的要求，功率密度變成未來發(fā)展的重要課題：不同于早期的體積重量要求主要集中在航天軍工等特殊領域，功率密度現在大量的民用產品和應用中也占據了舉足輕重的地位。便攜式電腦和手持移動通信設備就要求有極高的功率密度，使得設備本身變得更小超薄。另外，在中等功率范圍的應用中。例如集中式的太陽能逆變器和工業(yè)電焊機，設備體積和重量也是重要的考慮因素。
高可靠性和成本常常是一對矛盾：在提高可靠性的同時，將會牽涉到使用更昂貴的材料或更多的元器件與電路。如何在此二者之間找到最佳的平衡和折衷也是未來電源技術與市場發(fā)展的主題之一。在通信電源領域，器件工作的可靠性歷來受到制造商和終端客戶的重視。半導體和系統(tǒng)的可靠性越高，生產廠商所承擔的產品保證所帶來的費用就越低，而且同時降低了用戶在設備維護方面的人工與成本。在可靠性與成本方面突破性的發(fā)展將依賴于半導體器件的新工藝技術，以及無源元件，特別是磁元件和電容的材料，設計和制造的進展。
直面設計挑戰(zhàn)
幫助工程師提升電源設計效率，一直是半導體廠商與電源系統(tǒng)工程師最關注的問題。進一步提高能效依賴于半導體器件，電路拓撲結構和封裝技術的新發(fā)展或優(yōu)化選取。
首先，從器件方面，功率型金屬氧化物場效應管(MOSFET)一直以來在小功率應用方面占主導地位。溝道柵極技術已普遍于低壓MOSFET以減小通態(tài)電阻從而降低損耗。而在未來幾年里，淘道柵極技術有向較高電壓MOSFET推廣的趨勢。所以這對于300V以上的功率型MOSFBT管是一個新變化。近些年來超結(SuperJunction)MOSFET發(fā)展也很快，對應于傳統(tǒng)的500V以上的平面MOSFET在通態(tài)電阻和電流密度方面具有競爭力，但是它的動態(tài)開關特性還是弱于平面MOSFET，從而使高頻高電壓應用仍然偏向傳統(tǒng)型的MOSFET。另外寬禁帶MOSFET器件。例如氮化鎵(GaN)和碳化硅(sic)MOSFET在研發(fā)中不斷取得的成就也表明這些新型的復合半導體器件會逐步走向商用化，極大提升系統(tǒng)能效，改變硅半導體目前在市場上的一統(tǒng)局面。
其次，工程師可以靈活運用各種各樣的拓撲結構以提高系統(tǒng)效率。像現在通信電源和服務器電源設備中常用的零電壓開關相移式全橋結構就是新拓撲加新控制的典范。在太陽能功率變換中，三電平二極管鉗位逆變器具有低成本、高效率的特點，作為一種新興的電路拓撲結構能在特定應用場合下提高能效。
最后，優(yōu)化半導體器件或電路的封裝也是提高系統(tǒng)能效的一種積極手段。關于這點常常被人們忽視。優(yōu)化的封裝可以直接改善電路中的雜散參數，例如寄生電感，從而優(yōu)化電特性。實踐表明緊湊的封裝不僅減小電路體積，更重要的是能減小開關過程中的電壓電流尖峰。使用相對低電壓等級的器件將有利于減少損耗。另外，優(yōu)化的封裝可改善系統(tǒng)散熱，以減低電路或器件的工作溫度，從而進一步降低損耗。
概括地說，從系統(tǒng)角度出發(fā)，認真選擇與優(yōu)化器件，電路與封裝配合優(yōu)化的控制方法就一定能最大限度地降低損耗，提升系統(tǒng)能效。
凌力爾特公司電源產品市場總監(jiān)Tony Armstrong介紹，任何系統(tǒng)中的功耗都必須以兩種方式解決，首先，跨整個負載電流范圍最大限度地提高轉換效率，其次，降低DC／De轉換器在所有工作模式時的靜態(tài)電流。因此，為了在降低系統(tǒng)功耗方面發(fā)揮積極作用，電源轉換和管理Ic必須提高效率，也就是降低功耗，并在輕負載和休眠模式具有非常低的功耗水平。特別是很多大功率系統(tǒng)都采用多種單階轉換或兩階轉換方法的組合來應對有關的熱量問題。然而，系統(tǒng)設計師面臨著一個以哪種方式來滿足特定系統(tǒng)需求的難題。電壓不斷下降的同時提高電流的需求日益增加，這持續(xù)促進了很多這類大功率系統(tǒng)的開發(fā)。在這一領域取得的大多數進步都可以追溯到電源轉換技術領域的改進，尤其是電源Ic和電源半導體的改進?？傊?，這些組件允許在對電源轉換效率影響最小的情況下提高開關效率，對提高電源性能做出了貢獻。這是通過降低開關和接通狀態(tài)的損耗、同時允許高效率去除熱量而得以實現的。不過，向較低輸出電壓遷移給這些參數施加了更大的壓力，這反 過來又導致了極大的設計挑戰(zhàn)。
節(jié)能方法大家談
當能效標準逐漸成為電子產品新的緊箍咒，各大電源半導體廠商不得不面對電源管理技術的全新挑戰(zhàn)。
節(jié)能減耗是電源技術發(fā)展的主要趨勢和方向。目前的國際國內標準對待機功耗，負載效率提出嚴格要求，比如EnergyStar、EPA等，對于半導體廠家來說要求提供更為有效方案來節(jié)能減耗。數字電源是另外一個發(fā)展趨勢，其具有傳統(tǒng)模擬所不具備的許多優(yōu)勢，在通信電源，新能源等將會得到更多應用。德州儀器高級技術市場開拓工程師劉學超認為，對于電源半導體供應商來講，主要是通過新的控制方式和模式轉換來幫助提高效率降低功耗，在電源領域未來比較重要的發(fā)程熱點包括諧振控制技術、低待機功耗、超薄電源、LED驅動電源和數字電源。
半導體制造商正在開發(fā)多種創(chuàng)新技術，如全新的控制方法，可以省去附加的外部組件，從而也可以降低功耗。同時，雖然效率主要由所選擇的外部功率級設計和開關頻率來決定，但是半導體組件能夠減少I2R損耗。飛兆半導體亞太區(qū)市場行銷及應用工程副總裁藍建锎認為，主要發(fā)展趨勢和市場需求將會集中在提高功率轉換效率、組件集成度和降低待機功耗等方面。同步整流、交錯式拓撲和數字通信等應用不斷增多，未來數年，這三個方面將給電源和功率管理方式帶來重大的影響。
美國國家半導體(Ns)亞太區(qū)資深市場經理吳志民介紹。NS一直在提高電源產品的易用性和功率密度方面進行不懈的努力：客戶希望減少在電源設計方面的工作量，因此傾向于選擇易于使用的電源技術。電子設計業(yè)的專業(yè)化分工日趨明顯，許多客戶并非電源管理技術的專家，他們希望電源廠商提供容易使用的電源模塊，并且能夠提供相應的設計指導來加快產品設計進程。另一方面，由于現在的電子越來越朝著“輕薄”方向發(fā)展，供電系統(tǒng)占用越來越少印制電路板的板面空間，因此電源管理解決方案的功率密度必須不斷提高。美國國家半導體目前有多個辦法可以解決這些問題，例如采用更高的開關頻率、更先進的封裝技術以及更精密的生產工藝。
安森美半導體電源及便攜產品全球銷售及營銷高級總監(jiān)鄭兆雄認為，主體趨勢將是以創(chuàng)新技術來幫助電子產品提高能效，進一步推動綠色節(jié)能趨勢。舉例來說，目前液晶電視市場快速發(fā)展，就其背光源而言，仍是傳統(tǒng)的冷陰極熒光燈(ccFL)占主導地位；新興的發(fā)光二極管(LED)背光源與之相比，色彩表現更優(yōu)勢，大幅降低能耗，且更加環(huán)保，但礙于成本因素，目前市場滲透率還相對較低，不過，LED背光源的液晶電視市場將在今后幾年內趕上及超過CCPL背光源。除了液晶電視背光應用，LED通用照明市場也將快速發(fā)展，隨著應用規(guī)模的擴大，將進一步從商業(yè)應用向主流消費及住宅市場滲透，讓用戶更廣泛地享受到綠色節(jié)能的好處。
更高層面的機遇
關鍵詞：D類數字功放；NPWM調制；高效率H橋；VFC2反饋控制
中圖分類號：TN722
1 音頻功放技術現狀
目前A類、B類和AB類模擬功放在市場上仍然占據著主要地位，這類功放工作在線性狀態(tài)，通常不采用感性器件，且在線性電路中，輸出與輸入保持著嚴格的比例關系，因此線性電路一般能得到很好的保真度，即極小的失真度。但是，既然晶體管始終工作在線性區(qū)，那么必將持續(xù)的產生較大的功率損耗，同時導致整個電路效率的大幅下降。低的效率會帶來以下問題：第一、功放管產生大量的熱量，影響自身可靠性；第二、體積龐大，難以實現小型化；第三、電能消耗大，運行成本高。因此，提高功放效率成為擺在人們面前的重要課題。
D類功放，也被稱為開關類功放和數字功放。這類功放中采用了容性和感性器件，理論上它們不損耗功率，同時拋棄了阻性器件和工作在線性區(qū)的半導體器件，加入了工作在開關狀態(tài)的半導體器件。這種半導體器件不是完全導通就是完全截止，在完全導通且流過較大電流的狀態(tài)下，半導體器件上的壓降為零，在完全截止的狀態(tài)下，半導體器件上的電流接為零，這種工作模式稱為“零電壓，零電流模式”，在理論上能夠實現零功率損耗。
實際使用中，由于半導體器件的導通阻抗和漏電流產生，其功率損耗是不可避免的，不過這種損耗微不足道，開關類功放的主要損耗是開關損耗――在完全導通態(tài)與完全截止態(tài)之間轉換時產生的功率損耗。顯然，這種開關損耗與線性功放產生的損耗比較要小很多。
因此，D類功放能夠解決傳統(tǒng)模擬功放效率低的問題。體積小、重量輕、效率高的數字功放在一些領域得到的大量的使用，如便攜式設備，移動電話、小型的音響系統(tǒng)和一些使用電池的設備中。但是，與模擬功放相比，D類數字功放的設計相當復雜，這阻礙了D類功放在一些領域中的應用。
2 高效率、高線性數字功放技術
本數字功放技術包含四個組成部分：輸入級，放大級，輸出級和誤差效正系統(tǒng)。其工作原理的簡單描述如下：
輸入模擬音頻信號首先經隔離放大器放大，然后與反饋回來的音頻信號一起送到誤差放大器，輸出放大的誤差音頻信號。三角波發(fā)生器產生高線性度的模擬三角波信號。將放大的誤差信號和三角波信號送到NPWM調制器，輸出PWM信號。PWM信號送到H橋驅動器進行預放大，同時在H橋驅動信號間插入死區(qū)時間（dead time）。H橋放大器對PWM信號進行放大，輸出功率PWM信號。功率PWM信號送到低通濾波器，輸出放大的模擬音頻信號。
準確的說，數字功放是一種DC-AC轉換器。
本文所論述的數字功放技術包括四個重要的關鍵技術：
（1）脈寬調制技術。
（2）MOSFET橋式放大電路設計。
（3）解調濾波器設計。
（4）誤差效正系統(tǒng)。
2.1 脈寬調制技術
脈寬調制（PWM）技術是數字功放技術的核心技術，讓脈寬調制信號與輸入音頻信號的變化形成某種特定關系，這就是脈寬調制技術的目的，脈寬調制技術分為兩種，分別是歸一化脈寬調制（UPWM）和自然采樣脈寬調制（NPWM）。本數字功放技術中使用的是NPWM調制。
已有的分析表明，三電平調制（NBDD）優(yōu)于兩電平調制（NADD），特別是在高頻抑制特性方面。
本數字功放技術使用三電平調制（NBDD），并將其與全橋放大電路結合使用，得到了很好的效果。
2.2 MOSFET橋式放大電路設計
4 結論
本論文采用性能優(yōu)良的NBDD脈寬調制方式以及控制結構簡單、穩(wěn)定性好的VFC2反饋控制結構，并結合高效率的H橋放大器設計和合理的濾波器設計，完成了一款性能指標優(yōu)良的數字音頻功率放大器的開發(fā)。技術指標達到了中檔模擬功放的水平，與國外同類產品指標相當。
數字功放技術在不斷的向前快速發(fā)展，數字功放的技術水平在不斷提高，我公司緊跟技術發(fā)展動向，今年正在開發(fā)、應用更高指標的數字功放技術，主要采用自振蕩NPWM調制，目前已開發(fā)出初樣，其失真度為0.005%，信噪比為120 dB，頻響為20Hz-40kHz，最大輸出功率達3000W，效率達92%。
參考文獻：
[1]Christopher N.Hemmings.Improving Class D Audio Power Amplifiers.University of Queensland，St Lucia，Department of Computer Science and Electrical Engineering，1999.
[2]Design Consideration for Class-DAudio Power Amplifiers.Texas Instruments Inc，1999，8.
[3]Class d tutorial.IR公司，2004，2.
關鍵詞：控制設備；可靠性；散熱防護；氣候防護；電子元器件的選用
電氣自動化就是使產品的操作、控制和監(jiān)視，能夠在無人 ( 或
少人) 直接參與的情況下，按預定的計劃或程序自動地進行。隨著
機械電子技術、微電子技術迅猛發(fā)展，電氣自動化控制在 國民經濟的各個行業(yè)都得到 了廣泛的應用，大大方便 了人們的生活。電氣自動化程度是一個國家電子行業(yè)發(fā)展水平的重要標志， 同時，自動化技術又是經濟運行必不可少的技術手段。電氣自動化具有提高工作的可靠性、提高運行的經濟性、保證電能質量、提高勞動生產率、改善勞動條件等作用。
伴隨著電氣自動化的提高，控制設備的可靠性問題就變得非常突出?？刂圃O備的可靠性是可靠性學科的一個重要組成部分。在 20世紀70年代，我國就建立了電子產品的可靠性與環(huán)境試驗研究所，開始了可靠性增長的研究工作。1984年組建了全國統(tǒng)一的電子產品可靠性信息交換網，并頒布了GJB 299 - 87 《電子設備可靠性
預計手冊》，有力地推動了我國電子產品可靠性工作。
1 加強控制設備可靠性研究的重要意義
1.1 可靠性提高產品質量
產品質量就是使產品能夠實現其價值、滿足明示要求的特征和特質。概括其特性，主要包括：性能、可靠性、經濟性和安全性。 由此可見，可靠性在產品質量中占有主導地位。只有可靠性高，發(fā)生故障的次數才會少，那么維修費用就少，相應的安全性也隨之提高。因此，產品的可靠性是產品質量的核心，是生產廠家追求的目標。
1.2 可靠性可以增加市場份額
隨著國家經濟的高速發(fā)展，用戶不僅要求產品性能好，更重要 的是要求產品的可靠性水平高。研究發(fā)現，只有那些具有高可靠性
指標的產品，才能在日益激烈的競爭中得以取勝。隨著電氣自動化
控制設備自動化程度、復雜度越來越高，可靠性技術已成為企業(yè)在競爭中獲取市場份額的有力工具。
2 控制設備的可靠性現狀
2.1工作環(huán)境、使用及維護不當是控制設備可靠性指標低的重要原因
電氣設備所處的工作環(huán)境多種多樣。氣候條件、機械作用力和電磁干擾是影響控制設備可靠性的主要因素。
(1) 氣候條件主要包括溫度、濕度、氣壓、鹽霧、大氣污染等因
素，對控制設備的影響主要表現在使電氣性能下降、溫升過 高、運 動不靈活、結構損壞，甚至不能正常工作。
(2) 機械條件是指電氣設備在不同的運載工具中使用時所受到的振動、沖擊、離心加速度等機械作用，使得控制設備元器件損壞失效或電參數改變，結構件斷裂或變形過大以及金屬件的疲勞破壞等。
(3) 控制設備工作的周圍空間充滿 了由于各種原因所產生的電磁波，造成外部及內部干擾。由于電磁干擾的存在，使設備輸出噪聲增大，工作不穩(wěn)定，甚至不能安全工作。
同時，操作人員在沒有完全掌握控制設備原理的基礎上進行操作，導致對控制設備不能熟練而正確的操作，并且不能對設備進行及時的維護和保養(yǎng)，都會導致控制設備可靠性指標低。
2.2 元器件質量低下是控制設備可靠性指標偏低的一大原因
目前元器件生產廠家眾多，參差不齊。如果控制設備的使用企業(yè)規(guī)模較小，質量管理體系不健全，導致零部件進廠檢查出現漏
洞；同時，元器件廠家間的惡性競爭，導致產品價格低廉，迫使企業(yè)不顧及元件質量進行采購，這些都會導致控制設備可靠性指標偏
低，并且降低了使用壽命。
3 提高控制設備的可靠性對策
要提高電氣 自動化控制設備的可靠性，必須根據控制設備的特點，采用相應的可靠性設計方法，從元器件的正確選擇與使用 、
散熱防護、氣候防護等入手，使系統(tǒng)可靠性指標大大提高。
(1) 在控制設備設計階段，研究產品與零部件技術條件，分析產品設計參數，研討和保證產品性能和使用條件，正確制定設計方案；其次，根據產量設定產品結構形式和產品類型。因為產量的大小決定著生產批量的規(guī)模，生產批量不同，其生產方式類型也不同， 因而其生產經濟性也不同：同時，運用價值工程觀念，在保證產品性能的條件下，按最經濟的生產方法設計零部件：在滿足產品技術要求的條件下，選用最經濟合理的原材料和元器件，以求降低產品的生產成本； 全面構思，周密設計產品的結構，使產品具有良好的操作維修性能和使用性能，以降低設備的維修費用和使用費用。
(2) 從生產角度來說，設備中的零部件、元器件，其品種和規(guī)格應盡可能少，盡量使用由專業(yè)廠家生產的通用零部件或產品。立足于使用國產材料和來源多、價格低的材料；設備( 含零部件) 的加工精度要與技術條件要求相適應，不允許無根據地追求高精度。在滿足產品性能指標的前提下，其精度等級應盡可能低，裝配也應簡易化，盡量不搞選配和修配，力求減少裝配工人的體力消耗，便于自動流水生產。
(3)電子元器件的選用準則。根據電路性能的要求和工作環(huán)境的條件選用合適的元器件，元器件的技術條件、技術性能、質量等級等均應滿足設備工作和環(huán)境的要求，并留有足夠的余量：優(yōu)先選用經實踐證明質量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途的標準元器件，不選用淘汰和禁用的元器件；應最大限度地壓縮元器件的品種規(guī)格，減少生產廠家， 提高它們 的復用率；除特殊情況外，所有電子元器件應按不同的要求經過必要的可靠性篩選后，才能用到產品中；優(yōu)先選用有良好的技術服務、供貨及時、價格合理的生產廠家的元器件。對關鍵元器件要進行用戶對生產方的質量認定；仔細分析比較同類元器件在品種、規(guī)格、型號和制造廠商之間的差異，擇優(yōu)選擇。要注意統(tǒng)計在使用過程中元器件所表現出來的性能與可靠性方面的數據， 作為以后選用的依據。
(4) 控制設備的散熱防護。溫度是影響電子設備可靠性最廣泛 的一個因素。電子設備工作時，其功率損失一般都以熱能形式散發(fā)
出來， 尤其是一些耗散功率較大的元器件， 如電子管、 變壓管、 大功率晶體管、大功率電阻等另外，當環(huán)境溫度較高時，設備工作時產
生的熱能難以散發(fā)出去，將使設備溫度升高。
例如，半導體器件對溫度反應很敏感，過高的溫度會使器件的工作點發(fā)生漂移、增益不穩(wěn)定、 噪聲增大和信號失真，嚴重時會引起熱擊穿。因此，通常半導體器件的溫度不能過高，如鍺管不超過70～100℃；硅管不超過150~200℃。表 1列出了常用元器件的允許溫度。
因此對于半導體分立器件散熱需要考慮：
對于功率小于100mW 的晶體管，一般不用散熱器；大功率半導體分立器件應裝在散熱器上；散熱器應使肋片沿其長度方向垂直安裝，以便于自然對流。散熱器上有多個肋片時，應選用肋片間距大的散熱器；半導體分立器件外殼與散熱器間的接觸熱阻應盡可能小， 應盡量增大接觸面積， 接觸面保持光潔， 必要時在接觸面上涂上導熱膏或加熱絕緣硅橡膠片，借助于合適的緊固措施保證緊密接觸； 散熱器要進行表面處理，使其粗糙度適當并使表面呈黑色，以增強輻射換熱；對 于熱敏感的半導體分立器件，安裝時應遠離耗散功率大的元器件 。
(5) 電子設備的氣候防護。潮濕、鹽霧、霉菌以及氣壓、污染氣體對電子設備影響很大，其中潮濕的影響是最主要的。特別是在低溫高濕條件下，空氣濕度達到飽和時會使機內元器件、印制電路板
上產色和凝露現象，使電性能下降，故障上升。當電子設備受到潮濕空氣的侵蝕，會在元器件或材料表面凝聚一層水膜，并滲透到材料 內部，從而造成絕緣材料表面電導率增加，體積電阻率降低，介質損耗增加，零部件電氣短路、漏電或擊穿等。潮氣還能引起覆蓋層起泡甚至脫落，使其失去保護作用。通常采用浸漬、灌封、密封等措施。
關鍵詞：電氣自動化；控制設備；可靠性；探究
伴隨著電氣自動化的提高，控制設備的可靠性問題就變得非常突出。控制設備的可靠性是可靠性學科的一個重要組成部分。在20 世紀70 年代，我國就建立了電子產品的可靠性與環(huán)境試驗研究所，開始了可靠性增長的研究工作。1984 年組建了全國統(tǒng)一的電子產品可靠性信息交換網，并頒布了GJB299―87《電子設備可靠性預計手冊》，有力地推動了我國電子產品可靠性工作。
一、如何加強電氣自動化控制設備可靠性研究的重要意義
1、可靠性可以增加市場份額
隨著國家經濟的高速發(fā)展，用戶不僅要求產品性能好，更重要的是要求產品的可靠性水平高。研究發(fā)現，只有那些具有高可靠性指標的產品，才能在日益激烈的競爭中得以取勝。隨著電氣自動化控制設備自動化程度、復雜度越來越高，可靠性技術已成為企業(yè)在競爭中獲取市場份額的有力工具。
2、可靠性提高產品質量
產品質量就是使產品能夠實現其價值、滿足明示要求的特征和特質。概括其特性，主要包括：性能、可靠性、經濟性和安全性。由此可見，可靠性在產品質量中占有主導地位。只有可靠性高，發(fā)生故障的次數才會少，那么維修費用就少，相應的安全性也隨之提高。因此，產品的可靠性是產品質量的核心，是生產廠家追求的目標。
二、如何控制設備的可靠性現狀的分析
1、元器件質量低下是控制設備可靠性指標偏低的一大原因目前元器件生產廠家眾多，參差不齊。如果控制設備的使用企業(yè)規(guī)模較小，質量管理體系不健全，導致零部件進廠檢查出現漏洞；同時，元器件廠家間的惡性競爭，導致產品價格低廉，迫使企業(yè)不顧及元件質量進行采購，這些都會導致控制設備可靠性指標偏 低，并且降低了使用壽命。
2、工作環(huán)境、使用及維護不當是控制設備可靠性指標低的重要原因:電氣設備所處的工作環(huán)境多種多樣。氣候條件、機械作用力和電磁干擾是影響控制設備可靠性的主要因素。
1）機械條件是指電氣設備在不同的運載工具中使用時所受到的振動、沖擊、離心加速度等機械作用，使得控制設備元器件損壞失效或電參數改變，結構件斷裂或變形過大以及金屬件的疲勞破壞等。
2）氣候條件主要包括溫度、濕度、氣壓、鹽霧、大氣污染等因素，對控制設備的影響主要表現在使電氣性能下降、溫升過高、運動不靈活、結構損壞，甚至不能正常工作。
3）控制設備工作的周圍空間充滿了由于各種原因所產生的電磁波，造成外部及內部干擾。由于電磁干擾的存在，使設備輸出噪聲增大，工作不穩(wěn)定，甚至不能安全工作。同時，操作人員在沒有完全掌握控制設備原理的基礎上進行操作，導致對控制設備不能熟練而正確的操作，并且不能對設備進行及時的維護和保養(yǎng)，都會導致控制設備可靠性指標低。
三、如何提高控制設備的可靠性對策
要提高電氣自動化控制設備的可靠性，必須根據控制設備的特點，采用相應的可靠性設計方法，從元器件的正確選擇與使用、散熱防護、氣候防護等入手，使系統(tǒng)可靠性指標大大提高。
1、從生產角度來說，設備中的零部件、元器件，其品種和規(guī)格應盡可能少，盡量使用由專業(yè)廠家生產的通用零部件或產品。立足于使用國產材料和來源多、價格低的材料；設備（含零部件）的加工精度要與技術條件要求相適應，不允許無根據地追求高精度。在滿足產品性能指標的前提下，其精度等級應盡可能低，裝配也應簡易化，盡量不搞選配和修配，力求減少裝配工人的體力消耗，便于自動流水生產。
2、電子元器件的選用準則。根據電路性能的要求和工作環(huán)境的條件選用合適的元器件，元器件的技術條件、技術性能、質量等級等均應滿足設備工作和環(huán)境的要求，并留有足夠的余量；優(yōu)先選用經實踐證明質量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途的標準元器件，不選用淘汰和禁用的元器件；應最大限度地壓縮元器件的品種規(guī)格，減少生產廠家，提高它們的復用率；除特殊情況外，所有電子元器件應按不同的要求經過必要的可靠性篩選后，才能用到產品中；優(yōu)先選用有良好的技術服務、供貨及時、價格合理的生產廠家的元器件。對關鍵元器件要進行用戶對生產方的質量認定；仔細分析比較同類元器件在品種、規(guī)格、型號和制造廠商之間的差異，擇優(yōu)選擇。要注意統(tǒng)計在使用過程中元器件所表現出來的性能與可靠性方面的數據，作為以后選用的依據。
3、電子設備的氣候防護。潮濕、鹽霧、霉菌以及氣壓、污染氣體對電子設備影響很大，其中潮濕的影響是最主要的。特別是在低溫高濕條件下，空氣濕度達到飽和時會使機內元器件、印制電路板上產色和凝露現象，使電性能下降，故障上升。
當電子設備受到潮濕空氣的侵蝕，會在元器件或材料表面凝聚一層水膜，并滲透到材料內部，從而造成絕緣材料表面電導率增加，體積電阻率降低，介質損耗增加，零部件電氣短路、漏電或擊穿等。潮氣還能引起覆蓋層起泡甚至脫落，使其失去保護作用。通常采用浸漬、灌封、密封等措施。
4、在控制設備設計階段，研究產品與零部件技術條件，分析產品設計參數，研討和保證產品性能和使用條件，正確制定設計方案；其次，根據產量設定產品結構形式和產品類型。因為產量的大小決定著生產批量的規(guī)模，生產批量不同，其生產方式類型也不同，因而其生產經濟性也不同；同時，運用價值工程觀念，在保證產品性能的條件下，按最經濟的生產方法設計零部件；在滿足產品技術要求的條件下，選用最經濟合理的原材料和元器件，以求降低產品的生產成本；全面構思，周密設計產品的結構，使產品具有良好的操作維修性能和使用性能，以降低設備的維修費用和使用費用。（5）控制設備的散熱防護。溫度是影響電子設備可靠性最廣泛的一個因素。電子設備工作時，其功率損失一般都以熱能形式散發(fā)出來，尤其是一些耗散功率較大的元器件，如電子管、變壓管、大功率晶體管、大功率電阻等。另外，當環(huán)境溫度較高時，設備工作時產生的熱能難以散發(fā)出去，將使設備溫度升高。
例如，半導體器件對溫度反應很敏感，過高的溫度會使器件的工作點發(fā)生漂移、增益不穩(wěn)定、噪聲增大和信號失真，嚴重時會引起熱擊穿。因此，通常半導體器件的溫度不能過高，如鍺管不超過70～100 ℃；硅管不超過150～200 ℃。表1 列出了常用元器件的允許溫度
因此對于半導體分立器件散熱需要考慮：對于功率小于100 mW 的晶體管，一般不用散熱器；大功率半 導體分立器件應裝在散熱器上；散熱器應使肋片沿其長度方向垂直安裝，以便于自然對流。散熱器上有多個肋片時，應選用肋片間距大的散熱器；半導體分立器件外殼與散熱器間的接觸熱阻應盡可能小，應盡量增大接觸面積，接觸面保持光潔，必要時在接觸面上涂上導熱膏或加熱絕緣硅橡膠片，借助于合適的緊固措施保證緊密接觸；散熱器要進行表面處理，使其粗糙度適當并使表面呈黑色，以增強輻射換熱；對于熱敏感的半導體分立器件，安裝時應遠離耗散功率大的元器件。
引言
靜電的許多功能已經應用到軍工或民用產品中,比如:靜電植絨、靜電分離、靜電復印等。然而,靜電卻又成為電子產品和設備的一種危害,它可以通過多種途徑進入電子設備,使設備工作不正常,甚至損壞。近年來,靜電放電(ElectrostaticDis-charge,ESD)的危害日益突出,電磁環(huán)境日益惡劣,這在一定程度上會造成火工品早炸或性能下降(如遲發(fā)火、鈍感等),任何一個火工品的誤爆和失效都可能導致整個試驗失敗。航天器因其高新技術特性,要求其所用火工品具有高安全性、高可靠性、高同步性、高工藝一致性、低發(fā)火能量等一系列優(yōu)異性能。但是,隨著電子技術的發(fā)展和產品復雜程度的提高,靜電對火工品的危害也越來越嚴重。因此,有必要采取一定的技術措施進一步增強其抗靜電能力。
1靜電放電的形成及破壞機制
1.1靜電放電的形成靜電放電就是具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移,用靜電放電表示。一般由摩擦帶電和感應帶電兩種途徑產生靜電。微電子器件在生產加工、組裝儲存及運輸過程中,可能與帶靜電的容器、測試設備及操作人員接觸,所帶靜電經過器件引線放電到地,使器件受到損傷或失效,這叫靜電放電損傷。
1.2靜電放電的破壞機制當兩個帶靜電的物體或一個帶靜電的物體與不帶電的導體靠近或接觸時,就會發(fā)生靜電放電現象。靜電放電電流一般具有很高的幅度和很短的上升沿,這樣就會在放電電流附近產生強度大、頻譜寬的電磁場。電磁場的頻率取決于放電電流的上升沿,上升沿越短,產生的電磁場的頻率越高,越容易產生干擾。放電時產生的放電電流及其電磁場經傳導和輻射耦合進入電子設備,引起電子設備的故障或損壞,尤其是計算機芯片、集成電路等。靜電放電兩種主要的破壞機制是:由于靜電放電電流產生的熱量導致設備的熱失效;由于靜電放電感應出高的電壓導致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設備中同時發(fā)生,例如,絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流,這又進一步導致熱失效。
1.3普通電火工品靜電放電損傷機理一般來說,在射頻和靜電影響較小的情況下,不足以引起火工品發(fā)火,但會使火工品的性能惡化,從而失去正常工作的可靠性。一旦電磁干擾能量積累到一定程度,就會造成火工品的意外起爆,威脅武器試驗和人員安全。靜電對火工品的影響是直接的,而射頻能量是通過電壓和電流兩個作用形式使電火工品發(fā)火或瞎火。橋絲式火工品在射頻作用下,橋絲上耦合的射頻能量將產生焦爾熱,而脈沖射頻波則會產生熱積累效應。焦爾熱和熱積累效應使橋絲溫度升高并傳遞給周圍藥劑,當藥劑達到發(fā)火時,將引起電火工品意外發(fā)火;而射頻能量較小時,藥劑只會發(fā)生熱分解,從而引起性能改變。
2火工品靜電放電的防護設計
國內外關于火工品的靜電防護措施歸納起來通常有“堵”、“泄放”、“堵泄結合”三種方式。
2.1“堵”抗靜電方式“堵”抗靜電方式一般是采取增加腳-殼間的絕緣強度的方法。在雷管管殼與腳線構成靜電放電回路的兩極時,火花發(fā)生在回路中電絕緣最薄弱之處。在軍用電雷管結構中通常是橋絲或腳線邊緣離管殼最近,而這里又是裝起爆藥或點火藥的位置,因此,是最容易擊穿的地方。所以,在抗靜電措施中,最常用的結構是,在橋絲周圍增加一個絕緣環(huán)或套筒,使用絕緣材料制造管殼,或是在點火藥外表面涂上一層絕緣漆膜。
2.2“泄放”抗靜電方式1)采用保護性火花隙保護性火花隙作為保護通道要保證在靜電火花作用下,靜電能量通過保護通道可靠地泄放掉而不導致產品發(fā)火。危險通道與保護通道的擊穿電壓之比越大,危險通道比保護通道的擊穿時間越短,泄放靜電的可靠性越高。由于空氣具有良好的擊穿重復性,保護性火花隙通常采用空氣火花隙。當施加靜電高壓時,由于保護通道的擊穿電壓比危險保護通道低,已被擊穿,靜電通過保護通道泄放掉,從而保護了危險通道,使產品不致發(fā)火。2)采用靜電泄放元件在火工品腳與殼間并聯靜電泄放元件,如微型泄放電阻、微型二極管、微型氖燈和非線性電阻(如壓敏電阻),以泄放靜電。并聯微型電阻是在腳與殼間并聯泄放電阻,其主要目的是分壓及分流能量,使腳-殼間危險通道得到的能量極大的減小,以致于不被靜電擊穿。如火工品處于一個不斷產生靜電荷的靜電場中,由于泄放電阻的存在,靜電荷不易積累。而當高壓靜電脈沖向產品的腳與殼間放電時,則又可通過泄放電阻泄放。3)采用非線性材料或半導體材料作電極塞非線性電阻,又稱之為壓敏電阻,是由高電阻的可塑性粘接物、二次電子發(fā)射體材料和非線性電阻材料組成。由于非線性電阻在靜電高壓時呈低阻態(tài),能很好的泄放靜電,而在低壓時呈高阻態(tài),又不影響正常發(fā)火,故是理想的泄放元件。半導體插塞是把粉碎細的金屬粉,如鋁粉、方鉛礦、黃銅、銅或碳黑等導電微粒混入某種絕緣介質(如石蠟、樹脂等)中制成插塞。在靜電脈沖作用下,插塞內部被擊穿,泄放靜電能量;在低壓下呈現高阻態(tài),不影響正常發(fā)火。4)采用半導體涂料半導體涂料是用含有鋁粉、銀粉、碳黑等導電材料的化合導電膠作為半導體涂料(又稱之為導電膠),涂在插塞外表面腳線與殼體間,形成靜電泄放通道。使用導電涂料是一種簡單、有效、成本低廉的方法。
2.3“堵泄結合”抗靜電方式兩腳線與殼體間是否具有一定的絕緣強度(絕緣阻值)是電火工品另一個重要的安全性指標。該指標表明了電火工品在一定電壓、長時間作用下的安全可靠性。因此,很多電火工品在提出抗靜電要求的同時也提出了絕緣阻值要求。這時,光采用上述“堵”、“泄放”的抗靜電方法并不能同時滿足抗靜電要求和100V甚至500V直流電壓條件下的絕緣阻值要求。為了同時滿足這兩個要求,在電火工品達到絕緣阻值要求的同時,還要建立一定的靜電泄放通道,該通道必須具有低電壓(500V~750V)絕緣、高壓擊穿導通的特性。根據上述設計思路,在結構上采取“堵泄結合”的方式,可保證同時滿足抗靜電和絕緣性能要求。
3電子設備的過壓保護技術
在電子、通訊領域,目前采用的過壓保護元件主要包括壓敏電阻、TVS二極管、穩(wěn)壓管等。所有過壓保護元件都有其優(yōu)缺點,應該根據具體的應用場合,采用過壓保護元件的最佳組合來建立相應的保護電路。電子、通訊領域采取的過壓防護技術也可以借鑒到火工品領域,用于火工品的靜電防護。
3.1壓敏電阻壓敏電阻是一種新穎的過電壓保護用的半導體器件。以氧化鋅壓敏電阻為例,它以微小氧化鋅晶粒為主體,摻雜少量更為微小的氧化秘、氧化鋅、氧化鉆、氧化錳等多種金屬氧化物粉末在高溫下燒結而成。氧化鋅是N型半導體,電阻率較低,氧化鋅晶粒周圍是由氧化秘等組成的晶界層,是P型半導體,其電阻率較高。壓敏電阻在正常工作電壓下,其晶界層呈高電阻狀態(tài),只能通過微安數量級的很小泄漏電流。若電流出現浪涌過電壓時,其晶界層立即轉變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài),通過壓敏電阻的電流急驟增大,此時浪涌過電壓的能量轉化為電阻體的熱能。也就是說,浪涌過電壓以放電電流的形式被壓敏電阻所吸收,浪涌過電壓受到抑制,從而對電路中的設備或器件起到過電壓的保護作用。當浪涌過電壓過后,電路電壓恢復正常,壓敏電阻很快又恢復為高電阻狀態(tài),線路正常運行。壓敏電阻的優(yōu)點包括非線性系數大、常態(tài)泄漏電流小、功耗低、伏安特性對稱、殘壓低、放電后無續(xù)流、體積小及可靠性較高;缺點包括電容值較大、響應時間較慢、離散性大;當流過它的電流增大時,箝位電壓也會增大,這也是箝位保護元件的固有缺點。另外,壓敏電阻容易產生蛻化,因此也存在可靠性和性能的問題。
3.2瞬態(tài)抑制二極管(即TVS二極管)瞬態(tài)電壓抑制器(TransientVoltageSuppressor,TVS),是一種在穩(wěn)壓管工藝基礎上發(fā)展起來的高效能保護器件,有的文獻上也為TVP、AJTVS、SA-JTVS等。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時,它能以10s~12s量級的速度將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?吸收高達數千瓦的浪涌功率,使兩極間的電壓箝位于一個預定值,有效地保護電子線路中的精密元器件,免受各種浪涌脈沖的損壞。TVS二極管的正向特性與普通二極管相同,反向特性為典型的PN結雪崩器件。其電流-時間和電壓-時間曲線（圖略）在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓Vbr而被擊穿。隨著擊穿電流的出現,流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流,同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后,隨著脈沖電流的衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復到初態(tài),這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率,保護電子元器件的過程。二極管具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小、封裝集成度高等優(yōu)點;由于TVS二極管的結面積較大,使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點,具有理想的保護作用。其缺點包括電流負荷能力低、電容值相對較高,且隨著器件額定電壓變化,即器件額定電壓越低,電容則越大;這個電容也會同相連的導線中的電感構成低通環(huán)節(jié),而對數據傳輸產生阻尼作用;二極管所能承受的瞬時脈沖是不重復的單一脈沖,若實際電路中出現重復性脈沖則會失效。
3.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓二極管(又叫齊納二極管)是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。在臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很小的數值,在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。穩(wěn)壓管的伏安特性見如圖3所示。當電壓達到VBO時,穩(wěn)壓管會發(fā)生齊納效應,電流迅速增加,但電壓只產生很小的變化。一般來講,穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓效應較好,但能量吸收較小,負荷承受能力也就低得多,由此容易出現過熱情況。這種情況可以部分地用壓制成形的金屬電極補償,利用電極散掉熱量,但這也增加了體積。目前,電火工品的抗射頻方法主要還是采用加強屏蔽、低通濾波器、集膚效應導線等方法。電子設備上一般也是采用低通濾波器進行電磁防護,通過分析可知,對電火工品的射頻防護還是要采用分立元件的方法。
【關鍵詞】氫氣；表面態(tài)；電荷泵技術
Effect of Pure H2 Metal Alloy on Interface States of MOSFET
LIU Jie-wei YU Zhi-fang ZENG Hong-lin
（Semiconductor Manufacturing International （Shanghai） Corporation， Shanghai 201203，China）
【Abstract】Si-SiO2 Interface states in metal-oxide-silicon field effect transistors （MOSFET） impact device normal performance. We adopt pure H2 metal alloy and use charge pumping measurement to reflect improvement of pure H2 alloy on interface states in MOSFET. In this paper， we present the experimental results on the effect of H2 ambiences on the interface states density reduction and the reduction is not only related with the alloy time， but also related with H2 flow rate. Therefore， the experiment can provide important information for the process optimization， yield and reliability improvement.
【Key words】H2；Interface States； Charge pumping
0 引言
當今世界，微電子技術飛速發(fā)展，隨著集成電路集成度的不斷增加，金屬-氧化物半導體器件尺寸不斷等比縮小，器件的柵氧化層也變得越來越薄，為了確保金屬-氧化物半導體器件的良好特性，對柵氧化層質量的要求也會更高。 隨之而來的制造工藝也日漸復雜，在眾多的工藝制程中不可避免的會產生界面態(tài)（界面陷阱）電荷。制造工藝中界面態(tài)的主要來源是氧化層生長工藝，離子注入，等離子體沉積等工藝。
界面態(tài)位于Si/SiO2界面上；其能量狀態(tài)分布于禁帶內；可以帶有電荷；是少數載流子的產生中心和復合中心；可較快地同Si的導帶或價帶交換電子和空穴（故界面態(tài)也曾被稱為“快態(tài)”）。界面態(tài)的主要來源為過剩的Si（三價硅）；斷裂的Si-H價鍵；過剩的氧和雜質、缺陷等。器件的柵氧化層界面態(tài)直接影響MOS晶體管的閾值電壓、降低MOSFET表面載流子有效遷移率和跨導，從而影響金屬-氧化物半導體場效應晶體管超大規(guī)模集成電路的成品率和可靠性[1]。
對界面態(tài)的研究主要通過研究其電學性能來進行， 利用界面陷阱電荷能與硅體內交換電量的性質測量
界面陷阱電荷，是各種界面態(tài)測量方法的基礎。改變MOS電容兩端電壓的大小和極性，以及硅的表面勢，界面態(tài)便隨著表面勢的變化而充、放電、監(jiān)測充、放電荷或電流，或者監(jiān)測由于界面態(tài)充、放電引起的電導或電容的變化，可測量界面陷阱電荷和界面態(tài)密度隨能量的分布，測量界面態(tài)電荷和界面態(tài)密度隨能量的分布。最早用于檢測界面狀況的方法為傳統(tǒng)C-V技術[2]， C-V曲線的解釋相當復雜，需要建立模型然后利用計算機進行模擬，將模擬結果與測量結果相對照，估算界面態(tài)電荷。而電荷泵法[3]是目前公認的使用最為廣泛的測試表面態(tài)電學特性的方法。在柵極上施加頻率為F的周期性三角波信號V，當器件進入反型時，其反型層內少數載流子由源和漏提供，部分少數載流子可能會被界面態(tài)陷住。轉換柵壓使器件處于積累狀態(tài)時，反型層中載流子將流向源漏而快速消失。界面態(tài)上陷住的少數載流子將與來自襯底的多數載流子復合，這種多數載流子的流動就構成了電荷泵電流（Icp）。
氫鈍化技術是利用原子氫來終結表面懸掛鍵的一種技術。氫鈍化處理不僅可以飽和半導體表面的懸掛鍵[4-5]，還可以使半導體獲得干凈、平整、抗氧化能力強的表面[6-8]。本文利用電荷泵（Charge Pumping， CP）法深入研究了在合金化制程中通入氫氣對界面態(tài)的影響。首先研究通入氫氣的時間對界面態(tài)的影響，然后又對通入氫氣的流量進行實驗，得到最佳的工藝組合條件，為制程的提升改善提供借鑒。
1 實驗
所有實驗采用 0.35μm 硅柵CMOS標準工藝制造的n-MOSFETs （溝道長度L分別為0.35μm/0.8μm， 溝道寬度W為10μm）。MOSFETs的柵氧化層在850°C高溫下干法生長。在工藝流程末端的金屬合金化制程中用純氫氣替代傳統(tǒng)的氮氫混合氣體（Forming Gas）。實驗著重研究氫氣的流量（2slm， 3slm， 12slm）和時間（10mins，20mins，30mins）對表面態(tài)的作用，并用常規(guī)的氮氫混合氣體（15% H2/ 85% N2）作為對照組。為確保實驗結果的準確性，同一金屬合金化工藝條件下抽取4個樣本，用電荷泵法精確測量電荷泵電流（Icp）來反映氫氣對表面態(tài)的改善作用。
2 實驗結果與討論
2.1 氫氣流量對電荷泵電流（Icp）的影響
圖1給出了10/0.35μm NMOS經過不同氫氣流量的合金化制程后，電荷泵電流的變化情況，合金化溫度為400°C， 時間為10分鐘。
圖1 10/0.35μm NMOS管在不同氫氣流量下Icp的變化
從圖1 中可以看出，氫氣對于器件界面態(tài)又明顯的改善作用。隨著氫氣流量的增大，電荷泵電流會減小，氫氣流量越大，電荷泵電流就越小，當氫氣流量達到12slm時，電荷泵電流Icp的中值降到2.24X10-10Amp，僅為混合氣體制程時的40%。由此可見，大流量純氫氣可使界面陷阱部分消失，可能的原因是H可以修復由于離子注入，等離子制程等工藝造成的Si/SiO2 界面部分的Si-懸掛鍵，使其重新鍵合為Si-H價鍵，改善界面態(tài)。
2.2 圖2給出了10/0.35μm NMOS在3slm純氫氣氛圍下，經過不同時間的合金化制程后，電荷泵電流的變化情況，合金化溫度為400°C。
從圖2 中可以看出，隨著合金化制程時間的加長，電荷泵電流會逐漸減小，時間越長，電荷泵電流就越小，但是其作用小于氫氣流量對于界面陷阱電荷的修復作用，而且隨著時間的加長，樣本之間的差異增大，收斂性變差。
圖2 10/0.35μm NMOS管在不同時間 相同氫氣流量下Icp的變化
2.3 圖3給出了10/0.8μm NMOS在3slm純氫氣氛圍下，經過不同時間的合金化制程后，電荷泵電流的變化情況，合金化溫度為400°C。
圖3 10/0.8μm NMOS管在不同時間相同氫氣流量下Icp的變化
從圖3 中可以看出，隨著合金化制程時間的加長，電荷泵電流會逐漸減小，時間越長，電荷泵電流就越小，相較于10/0.35μm NMOS，合金化制程的時間對10/0.8μm NMOS的作用較為顯著，當時間增加到30mins，電荷泵電流Icp的中值可以下降到1.79X10-10Amp。
3 結論
本文給出了在金屬合金化過程中通入不同氫氣流量和延長制程時間，MOSFET器件電荷泵電流的測量結果。實驗發(fā)現合金化過程中純氫氣氛圍對于器件界面態(tài)有明顯的改善作用，在純氫氣前提下延長制程時間對界面態(tài)也有一定的改善作用，對于長溝道器件的改善作用要優(yōu)于短溝道器件。
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當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發(fā)展
現代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
【關鍵詞】微電子器件；靜電損傷；放電模型
隨著科學技術的飛速發(fā)展，電子、通信、航天航空等高新產業(yè)的迅速崛起，電子儀器儀表和設備等電子產品日趨小型化、多功能及智能化，高性能微電子器件已成為滿足上述要求中不可缺少的核心元件。這種器件具有線間距短、線細、柵氧薄、集成度高、運算速度快、低功率和輸入阻抗高等特點，因而導致這類器件對靜電越來越敏感，業(yè)內把這類器件稱之為靜電敏感器件（ESDS）。
1.靜電放電特性
1.1靜電放電類型
靜電放電有多種形態(tài)，根據其特點，并從防止靜電危害方面來考慮，可分為7種：電暈放電、火花放電、刷形放電、傳播型刷形放電、大型料倉內粉堆放電、雷狀放電以及電場輻射放電。
1.2靜電放電模型
靜電模型包括人體模型（HBM）、人體-金屬模型（BMM）、帶電器件模型、家具模型、機器模型及場感應模型。國內對電子器件ESD敏感度的測試標準采用的是人體模型，用于模擬帶電人體指尖與接地物體之間產生的靜電放電。IEC61340-3-1規(guī)定了短路電流波形，其中，上升時間tri小于10ns，衰減時間tdi為150±20ns，振蕩電流Ir應小于峰值電流Ip的15%，且脈沖開始100ns后不應被觀察到。
2.實驗
2.1原理與方法
研究半導體器件的靜電放電效應時，一般采用注入法，即把電磁能量通過一定的裝置注入電子元器件的相應管腳，這樣可以精確而方便地得到損傷閾值。實驗裝置包括ESS-200AX型ESD模擬器、TDS680B數字存儲示波器、TekP6041（5mV/mA，25kHz～1GHz，匹配電阻50Ω）電流探頭。
2.2 CG392實驗結果
根據積累的經驗，高頻小功率器件尤其是微波小功率器件對靜電非常敏感。
對于晶體三極管，從外觀上很難判斷是否遭受損傷，只能通過測量反映其質量的有關參數來確定。用于測試電子元氣件電參數的設備包括XJ4810晶體管特性圖示儀、8970B噪聲系數測試儀、CTG-1型高頻C-V特性電容測試儀和漏電流測試儀等。
損傷判據主要根據GJB33A-1997《半導體分立器件總規(guī)范》有關條款制定，一般情況下以器件敏感參數變化超過試驗前測量值20%或試驗后數值超出規(guī)定的產品極限值判為器件損傷。
三極管具有3個管腳，共6個管腳對組合，放電途徑為：基極發(fā)射極（BE）、發(fā)射極基極（EB）、基極集電極（BC）、集電極基極（CB）、發(fā)射極集電極（EC）、集電極發(fā)射極（CB）。
實驗中將每三個器件分為一組，在相等的放電電壓下，對相同的管腳對進行ESD單次放電。放電電壓分為800、1200、1600 V三個檔次，如果三個器件同時通過相同的電壓檔次，則繼續(xù)提高放電電壓；如果其中一個器件失效或損傷，則中止針對該管腳對的實驗。
實驗結果如下：①所有器件都通過800V的注入電壓；②對于1 200V的注入電壓，只有一個從CB結反向注入的器件（4號）出現損傷情況，其余各組器件均順利通過。重新測試一組，仍然有一個器件（26號）出現損傷，初步說明CB結比EB結對靜電更加敏感，這與現存的看法相反；③對于同一個結來說，正向注入時的損傷閾值要高于反向注入時的損傷閾值；④當注入端對為CB結時，對應的敏感參數包括VBRCEO、VBRCBO和hFE。對于反向擊穿電壓來說，主要表現為數值下降及出現軟擊穿情況；而對于正向直流傳輸比hFE來說，表現為數值下降和曲線的畸變。
為了更精細地判斷CB結和EB結對靜電放電敏感程度的相對大小，采用步進法更加合理。記錄管子的損傷情況，其中V1表示最大未損傷電壓，V2表示最小損傷電壓，CB結平均最小損傷電壓為900 V， EB結平均最小損傷電壓為1700V，可以認為CB結比EB結對ESD更加敏感。
2.3其他三極管實驗結果
實驗采用步進法，每種器件的樣本量不小于20，注入的電壓步長不超過前一次注入電壓的5%，首次注入即損傷的實驗數據無效。①不同的器件因結構不同、工藝不同，它們的抗ESD的能力不同；②同一端對對于不同ESD模型的靜電敏感度不同，例如3358（F32）的CB結，在HBM模型下，損傷電壓平均值為3025V，在BMM模型下，損傷電壓的平均值為2330V，這是由于BMM模擬器的儲能電容（150pF）較大，而與之串連的放電電阻（330Ω） 又較小，在相等的放電電壓條件下，儲能電容上的能量較大，產生的放電電流峰值較大，放電持續(xù)時間又較短，因此對器件的危害更大；③對于3358（F32）、2SC3356等高頻低噪聲晶體管來說，反向CB結的靜電敏感度要高于反向EB結的靜電敏感度。
3.結論
在不同的靜電放電模型下，通過實驗研究了幾種典型的半導體器件的靜電敏感端對的靜電放電情況和靈敏參數，由于外部環(huán)境、材料、結構和加工工藝不同，器件的靜電損傷模式不同，其最大未損傷閾值和最小損傷閾值也不盡相同。實驗結果表明，對于高頻低噪聲npn型硅三極管來說，反向CB結的靜電敏感度要高于反向EB結的靜電敏感度； ESD電流注入硅器件不同端對時，靈敏參數一般包括反向擊穿電壓、直流電流放大系數和反向漏電流，而極間電容和噪聲系數對靜電不敏感。對于高頻低噪聲晶體管來說，由于其自身結構上的原因，即功率容量小、擊穿電壓低、結淺，因而對靜電非常敏感。ESD注入損傷的最靈敏端對是反向CB結，最敏感參數是VBRCEO，器件失效到擊穿有一擊穿變軟的過程，正向注入時的損傷閾值要高于反向注入時的損傷閾值。
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