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高温电子技术的发展与挑战

日期:2023-11-30 人气:190

作者:罗宁胜 博士,CISSOID 中国总经理


宽禁带化合物半导体具备先天的耐高温特性,能够实现原本硅基IGBT难以实现或根本不能做到的应用,因此将大大改变电力电子系统设计的格局,为设计工程师提供全新的拓展空间。本文综述了高温电子技术的发展状况、应用前景,及其所面临的挑战。


高温电子技术的发展


温度是普通硅基半导体器件的命门,过高的温度常常带来硅半导体的“温度载流子效应”和“结温效应”。具体地讲,随着温度的升高,由于热效应自然产生电子空穴对,硅基的本征载流子浓度不断升高,由此支撑半导体结工作的、最为重要的掺杂载流子浓度受到抑制,导致半导体结的性能不断下降(温度载流子效应)。一般而言,此效应在70℃开始就十分明显,升到150-200℃范围时,硅基衬底的本征载流子浓度高到几乎完全导电,已经不再是“半导体”了;因此器件应用时会产生很大的漏电流。另外,半导体器件中最为核心的结构是PN结势垒,它是构成二极管和MOSFET的基础元素;然而,当温度升高到150-200℃之间时,本征载流子浓度升高的程度,会使得该PN结势垒消失而导致半导体性能崩溃(结温效应)。


然而,应用的需求推动着业界不断尝试新的半导体材料和结构,以突破普通硅基半导体器件的温度瓶颈,由此也催生了电子学的特殊分支-高温电子学。


最早对高温电子技术的商用需求是石油、天然气等地质勘探和开采领域。钻探的环境温度随井深的增加而不断升高,平均的温度梯度为3℃/100米。超过5000米的井下,温度视井深可高达到150℃、 175℃,甚至200℃以上。另外,航天领域对高温电子技术的需求表现得也很突出。航天器由于外部因素和自身发热使电子器件有可能暴露于高温环境中,而航天项目的高成本和高风险,以及几乎无法进行维护的事实,使得航天器对高可靠性的追求达到了极致。其次是航空领域,飞机要求很高的安全性、可靠性及可维护性,高温电子技术使得飞机发动机及其它部件的分布式控制成为可能,并对去除或简化其原有的、笨重且复杂的液冷和液压传动系统成为可能。特别是在近期,随着第三代宽禁带半导体器件的日趋成熟和全面商业化,其先天的耐高温特性优势使高温电子技术应用达到了新的高度,不仅进一步推动了石油和航空航天等传统高温应用的发展,而且还带动了高铁、电动汽车、移动储能等各类工业领域的新型高温应用,具有广阔的发展前景。


电子系统所面临的高温场景通常表现在两个重要方面:第一,应用环境本身就是高温环境,例如,卫星和航天器面向太阳的一侧,或直接处在外星球表面的高温环境;再如石油钻探中的深度地层环境;还有在飞机、火车、船舶和汽车系统应用中,发动机、电动机及其周边的环境温度经常都在150℃以上。第二,电力电子本身耗散功率导致的温升:所有电力电子,包括MOSFET和IGBT器件本身,及基于它们构建的电源模块及驱动模块等等,都会有一定的内部耗散功率,特别是在高功率密度的应用中。因此,热管理,包括导热和散热设计,还有系统热力学监测及管制,显得尤为重要。这是因为如果处置不当,电力电子器件自身发热带来的温升,会使得器件的寿命大为缩短,以致于非常可能在其服务时间内失效而发生危险。


因此,开发高温电子器件和系统应用会面临颇多技术挑战。这些挑战包括高温半导体集成电路芯片的设计和制造工艺,坚固的半导体器件封装及电路组装,耐高温的被动元器件,还有从芯片到模块,再到电路板乃至系统级别的热管理技术。在深入研究和探讨高温电子技术之前,我们先回顾一下其发展的历史渊源。


早期的大规模电子系统应用是基于真空管(即电子管)的。从六十年代开始,电子管逐渐被新型的固态器件所替代,这就是后来被称之为半导体的“新型”电子器件。半导体晶体管是电子管的升级产品,现在已经几乎完全替代了电子管。作为一种固态半导体的电子元器件,晶体管有着检测电波、整合电流、扩大功率、稳定电压等等作用,使用的范围非常广阔,现在已几乎无所不在了。现在的晶体管有很多种类,比较常用的晶体管有半导体三极管、电力晶体管、光晶体管、双极晶体管、单电子晶体管等等,细分种类非常浩繁。比之于电子管,这些半导体晶体管都有着功耗小、寿命长,而且体积小,不需要预热等优点。


半导体晶体管的出现大大改变了电子系统设计的格局,但晶体管一开始也受到热管理问题的困扰,特别是早期一些高功率器件,其自身的发热常常会烧坏管体本身,对于应用系统而言,这当然是非常严重的问题。较之于半导体晶体管,电子管体积很大,在高温时较为容易散热,而晶体管的体积很小,热密度高,如何高效地散热确实是一个挑战。通常的解决办法是附加散热片或散热装置,如强制风冷或液冷系统;不过,电子系统的功率越大,所需要的冷却系统也就越大,使得整体系统的体积和重量大大增加,且带来极为繁琐的可维护性和可靠性问题。


无论采用何种散热手段,散热是需要有环境温度梯度为物理条件的,当这种温度梯度条件不具备时(其本身处于高温环境中),或是在某些系统应用中不能采用较大的冷却装置时,常规的半导体晶体管器件自然就不能满足应用需求了。为了应对此类场景,人们引入了一种特定的工作模式,称为降额,将性能限制在自身功耗较低的区域,尽可能降低功率器件自身的温升,以防止损害组件。但是,这种降额的方法使得系统的设计受到了极大的限制。


高温应用的需求一直驱动着业界开拓创新型半导体晶体管器件,即要求晶体管本身就能在高温下正常工作。目前,器件物理、材料科学、乃至制造工艺及相关应用迅速发展,高温半导体晶体管器件已得到长足的进步。基于普通硅基半导体材料的温度局限,半导体行业一般将消费和商业电子应用定标在最高70℃,工业电子应用最高85℃,汽车电子应用最高125℃,军工应用最高150℃。基于这一温度定标,通常的高温是指125-200℃,超过200℃区域被称为特高温。大部分高温应用都是在普通高温范围125-200℃,只有在特别极端的情形下会涉及超过200℃的特高温范围。例如,石油勘探中的超过7000米的特深井,另外,飞机发动机的传感装置附近常常能达到300℃,甚至更高。


针对普通的高温范围125-200℃,通过稍加修改普通硅器件的结构设计、封装设计,或通过适当的降额处理,普通硅器件的高温性能会稍有改善;此类措施,也许能应付一些低负载的普通商业应用;但是对于要求高性能、高可靠的系统应用,如石油勘探、航空航天、轨道交通、国防装备等等,普通硅器件应用于高温环境,将使得系统可靠性大为降低而至于不可接受。因此,需要全新的半导体器件设计来满足这些高温高可靠应用需求,这对半导体器件的设计和实现带来了多重挑战。


半导体器件多是通过复杂的、掺杂的物理和化学工艺流程制作而成的。半导体器件的工作温度是决定其可靠性、工作寿命的关键因素之一。一般而言,半导体器件的工作温度越高,则工作寿命越短,反映这一半导体温度-寿命关系的曲线即是Arrhenius模型(著名的阿氏模型,见下图1,来源:CISSOID)。

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图1:半导体温度-寿命关系曲线(Arrhenius模型)

传统的普通硅基半导体的温度-寿命曲线在两条彩色线范围(红色和青色)范围内。很明显,当节温升到100℃后,硅基半导体的工作寿命(对数坐标)迅速缩短(温度载流子效应);接近150-200℃范围时,硅基半导体的寿命急剧下降(结温效应,导致锁闭/崩溃)。


基于这一机制,为了确认在某一温度下的器件工作寿命,我们通常需要进行加速老化试验,即人为地升温到某一较高温度下(或进行温度冲击和电热联合功率循环),对目标器件进行“长烤试验”,测试若干小时得到统计学意义的基础失效数据,然后通过Arrhenius公式,来折算、换算该器件在设定工作温度下的确保寿命。其实,对普通的硅基半导体器件而言,当测试温度超过125C°时,器件将在很短的时间内损坏,使得加速老化测试无法继续进行下去。


目前,基于SOI(Silicon on Insulator,绝缘层上硅)的独特高温半导体技术,全面突破了普通硅基半导体器件的温度困境,有效地消除了温度载流子效应和结温效应的影响,其高温工作寿命可达约15年(最高结温175℃),或约5.5年(最高结温225℃),又或约2.5年(最高结温250℃),以及约1.3年(最高结温280℃)等等;其规律是,近乎于每升高25℃,寿命将约减少一半;在300℃以上时,SOI器件也还有几千小时的工作寿命(图1,来源:CISSOID)。


另外,一些宽禁带化合物半导体(例如GaAs,SiC,GaN等等),天生具有卓越的高温性能,其工作温度已被实验证明可达500℃,甚至更高。


总而言之,特种SOI半导体技术和宽禁带化合物半导体技术的结合,是现代高温电子技术的核心支撑。目前,二者的联手已经实现了许多尖端的应用,后续还有很多日益明显的应用潜能。本文的目的,就是探讨高温电子技术的现状、发展和挑战,以及相关应用的关键问题。下一节,我们将对高温电子技术的应用及其发展,作一个综述。


高温电子技术的应用


高温电子技术是电子技术中特别尖端的分支之一,其最早的尖端专业应用需求来源于航天。传统普通硅基半导体器件所面临的高温困境,在航天领域表现得最为突出;航天项目的高成本和高风险,以及几乎无法进行维护的事实,使得航天器对高可靠性的追求达到了极致。一般而言,航天器运行的外层空间环境温度均值为 -195℃,此时电力电子的发热,能够通过热辐射方式有效发散,似乎温度不是一个严重的问题。不过对于面向太阳的一侧,环境温度可以高达200℃,此时问题就很严重了,器件寿命将会大大缩短,并因此影响了整个航天器的工作寿命。另外,对于着陆型航天器而言,外星球的温度也许会很高(例如,月球表面白天的温度可达127℃)。这样,较高的环境温度使得器件通过向外辐射制冷的机制会基本失效,电力电子器件本身的发热就会使器件的工作温度不断上升至175℃、200℃甚至更高,从而加速了器件的老化,缩短了器件工作寿命,进而缩短整个航天器的工作寿命。


通常在对传统普通硅基半导体器件进行筛选时,只要求测试到125/150℃、1000小时(极为罕见测到175℃、1000小时)而已,这也带来了可靠性问题的极大隐患:一方面,如果由于器件自身发热使实际工作温度可能会高出125/150℃, 这样可保证的寿命就会从1000小时缩短到几百小时;另一方面,所测寿命1000小时也只是一个平均值而已,对单个器件而言也许会或左或右偏离该值,左偏的结果即是寿命只有几百小时。由于短板效应,整个系统的可靠性将取决于其最为薄弱的器件的可靠性,而传统普通硅基半导体温度性能的局限又使得设计冗余严重不足,这样可能会导致系统的实际可靠性低于设计指标。因此,航天领域一直在极力追求高可靠的耐高温半导体器件,其保证可靠性的选件指标已不再是125/150℃、1000小时了,而是如上图1所示的高达300℃以上的全温度寿命曲线。


最早对高温电子技术的商用应用需求是石油、天然气等地质勘探和开采领域。钻探的环境温度随地层深度的增加而不断升高,平均的温度梯度为3℃/100米。超过5000米的井下,视井深可高达到150℃、 175℃,超过7000米甚至可达200℃以上。而近年来,世界最大钻深记录已达约13000米,井下温度已超过300℃;中国的最大钻深记录为8588米,井下温度也已超过了200℃。地层钻探分深浅、随钻和测井、陆地井和海上井等不同任务,对器件的可靠性的潜在要求稍有不同。一般深度井、随钻作业、海上钻井因器件失效而停机所导致的成本代价极其高昂,因此追求最高可靠性的半导体器件。特别是近几年发展起来的页岩层斜井/水平井钻探技术,以及“最大油藏接触技术”要求的“根系状井道”,对钻头钻探方向控制、随钻测试及相关井下作业的复杂操作,其传感器和执行器都需要大量的高温高可靠半导体器件所构成的电路来支持。


在航空领域,由于飞机在空中无法进行维护和检修,如果在空中出现故障,所导致的结果是灾难性的,因此航空领域对高温半导体器件的需求也类似于航天。飞机对高温电子技术的需求主要在两个方面,一是飞机发动机周边环境温度可高达300℃以上,或是飞机在超音速飞行时由于与空气摩擦使飞机表面温度可高达200℃以上,在这些位置附近进行传感信号采集和对相关发动机或其它装置实时控制,特别是实现先进的分布式执行控制时,高温器件的支持必不可少;另一是飞机自身的电力电子设备受其自身发热影响会温度升高,飞机出于体积重量及可靠性的原因往往不能配备液冷装置,因此对其电力电子器件的高温可靠性要求也很高,这样才能保证其电力电子部件能承受器件本身发热导致的高温,而且还要能达到超过10年以上的寿命。


第三代宽禁带化合物半导体器件(如SiC)的日趋成熟和大规模商业应用给高温电子技术的普及带来了新的活力。Yole Development 的市场调查报告表明(图2),自硅基功率半导体器件诞生以来,应用的需求一直推动着功率器件的应用结温的升高,目前已达到150℃。随着近几年第三代宽禁带化合物半导体器件(如SiC)的迅猛发展,由先进的新型应用设计所推动,其独特的耐高温性能正在加速推动结温从目前的150℃迈向175℃,未来将进军200℃。借助于SiC的独特耐高温特性和低开关损耗优势,这一结温不断提升的趋势将大大改变电力系统的设计格局。这些典型、未来的高温、高功率密度应用将能够实现,包括深度整合的电动汽车动力总成、多电和全电飞机乃至电动飞机、移动储能充电站和充电宝,以及各种液体冷却受到严重限制的电力应用。

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图2:法国技术市场趋势调查公司YOLE对功率器件结温的预测

电动汽车的动力总成(电机、电控和变速箱)已走向三合一,但目前仅仅是在结构上简单堆叠在一起,属于弱整合。根本原因在于不同部位有不同的温度控制需求,例如,电机一般长期工作耐受温度可达150℃左右(特殊高温电机可达更高额定工作温度),而电控箱一般长期工作耐受温度只有70-85℃左右,这即是目前普通硅器件能够保证长期工作的温度范围。然而,耐高温SOI驱动器件和电路匹配碳化硅功率模块却能突破这一技术瓶颈,并将给电动汽车设计带来新的突破。首先,可使电控箱的控制温度与电机的控制温度相匹配,这样有利于与其深度整合,简化冷却系统的布局,例如使用合并的油基液体同时冷却电机和电控,甚至在某些中低功率的电动车上完全放弃液冷,而采用自然风冷。总之,未来在结构上,动力总成的深度整合是必然路径,因为,这样可能使体积减少约三分之一,重量减少约三分之一,内耗减少约三分之一,并有可能使总成本压缩2至4倍。 

相应在飞机领域,传统飞机中控制尾舵、机翼、起落架等的机械动作都是靠经典的液压传动。液压油作为液体,受环境影响很大并且维护成本很高,目前已趋向于部分或全部的电气化,此即多电和全电飞机的概念。在飞机上采用电机替代液压油路实现机械操作,可靠性高、可维护性强,且方便冗余备份设计,还可以大大减小部件的体积和重量,这对飞机本身尤为重要。然而,最大的困境是飞机上的电机和电控不充许配备液冷,只能依靠强制风冷和自然背板散热冷却,因此,实现多电或全电飞机、乃至电动飞机的电控设计,需要率先面对的重大技术挑战即是高温。耐高温SOI驱动器件和电路匹配以碳化硅功率模块,为解决这一航空领域的技术难题铺平了道路。此外,电机取代传统液压传动的技术方向不仅仅应用在飞机上,在坦克、舰船及各种工程机械的各种设备中也被用到,特别是当体积和重量受到限制,或是需要更快速的机械反应能力时。 

还有许多其他的应用场景,例如,随着电动车大规模普及,半移动式储能充电站和全移动式充电宝将可有效地填补固定式充电在某些场景下的缺失。对于这类移动充电应用,液冷机构将不仅带来额外重量体积的负担,更重要的是它消耗自身携带的存储电能,因此,采用自然冷却才是佳径。当然,前提是必须妥善处理好电控系统热管理的问题。

除了上述三种典型的新型高温应用外,在许多特种工业应用中,液体冷却受到严重限制时,电控系统将面临同样的高温挑战。耐高温的电控技术是实现以上高温应用的关键,其核心技术是SiC功率器件的高温封装技术,和与之相匹配的基于SOI的高温驱动芯片和电路技术。总之,随着第三代宽禁带化合物半导体(如SiC)功率半导体器件的日趋成熟和普及,其固有的耐高温性能与基于SOI的高温半导体器件是非常理想的搭配,可使得SiC功率器件的性能得以充分地发挥,使高功率密度和高温应用成为可能,由此必将大大改变电力电子系统设计的格局,为设计工程师提供全新的拓展空间。

高温电子技术的挑战 

高温电子技术所面临的挑战首当其冲是耐高温的半导体芯片。针对普通高温范围125-200℃,采用SOI半导体芯片则可以很好地满足这一高温区段的应用需求,甚至可达300℃。SOI半导体技术由于采用了绝缘体夹层和其他特殊器件结构,很好地规避了因温度升高使本征载流子浓度增加而导致漏电流的增加,也很好地规避了因温度升高使有效结性能大幅减弱的结温效应而导致器件锁闭/崩溃。然而,在芯片制造方面,SOI工艺线与普通硅工艺线所需设备和工艺有很多不同之处,因此需要到具备SOI工艺条件的晶圆厂才能生产,国际上SOI产线相对较少而受到一定的局限。

在高于300℃时,SOI器件的漏电流也足够大得使其半导体性能极度衰弱而难以使用。在这一超高温区,就必须采用宽禁带化合物半导体材料了,如GaAs,GaN,SiC等等,其中尤其以SiC的耐高温性能最佳。在芯片制造方面,SiC与硅基器件的原理相似,但SiC无论是材料还是器件的制造难度,都明显高于传统硅基半导体,其中大部分的难度都是由SiC材料高熔点和高硬度所需特殊工艺带来的。

SiC器件的生产环节主要包括衬底制备、外延生成、器件制造及封测四大步骤。其中,衬底制备不仅是各步骤中难度和价值量最高的环节,也是成本最贵的环节。这些难点包括:一、对温度和压力的控制要求高,其生长温度在2300℃以上;二、长晶速度慢,7 天的时间大约仅可生长2cm 碳化硅晶棒;三、晶型要求高、良率低,只有少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才可作为半导体材料;四、切割磨损高,由于SiC的硬度极大,在对其进行切割时加工难度较高且磨损多。昂贵的时间成本和复杂的加工工艺使得碳化硅衬底的成本较高,限制了碳化硅的应用放量。此外,晶片尺寸越大,下游器件的制造效率越高,单位器件成本越低,但对应晶体的生长与加工技术的难度相应加大。近两年由于特斯拉的带动使SiC进入了电动汽车市场而需求大增,促使生产技术和规模有了较长足的发展,同时器件的价格也下降了许多。目前,国际和国内的碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片,Wolfspeed、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

完成高温半导体裸芯片制造之后,接下来的挑战即是高温封装设计和工艺实现,高温电路组件焊接和组装工艺等各个方面。封装材料和相应制造工艺的选择非常重要,必须保证在很宽的温度范围内(例如 -55℃至 +225℃及更宽范围)长期可靠地密封以保证耐候性。另外,封装本身的导热性设计也是一个额外的关键性问题,它代表着扩散半导体器件中自身功率损耗产生热量的难易程度,高的热导能力可防止器件的工作温升出现超标的危险,使得管芯结温不至于升得太高而损坏管芯(一般确保结温只高出环境温度15-25℃左右为适宜)。另外则是封装材料和工艺的问题,最好的塑胶材质只能保证最高达175℃,超过 175℃ 就必须采用陶瓷和金属材料,还必须有相应的封装制造工艺相配合。新型的管芯连接材料和焊料必须耐受高温,而不会融化或产生剥落。在高温下的金属间连接容易受到影响,普通的焊线方法很容易产生空洞而减低连线强度、增加连接电阻,最终导致连接失效。金属化工艺也必须根据高温情况来量身定制,以避免因电迁移的影响而产生空洞。针对高温封装需求,采用新材料和新的制备方法,各种工艺因素都要验证,例如,耐高温树脂改善机械应力,陶瓷或有机基板在高温下要有足够的黏合强度,无铅焊锡必须在高温下不疲劳,等等。 

最后,针对高温应用,高温半导体器件也需要有相应耐高温的被动元器件来配合,如电容和电阻等。耐高温的电阻材料相对较为容易找到,例如,基于钽金属、氮化钽、钛金属、二氧化锡、镍铬合金、铬-氧化硅陶瓷等材料的薄膜电阻都能在超过200℃工作,基于钌银合金和钯银合金的厚膜电阻的工作温度也能超过200℃。因此,被动元器件最大的挑战是找到合适的高温电容的材料,特别是制作要求体积小、热稳定性好、能量密度高的耐高温电容,尤其具有挑战性,因为,容性元器件的电容值和耗散因数一般随温度升高而变化很大。然而,在许多电机和功率开关应用中,我们又特别需要若干uF、甚至更大容量的电容。 

传统的陶瓷电介质材料具有一基本特性,电介常数较大的材料,其随温度和电压变化的电容值稳定性即会较差。为追求温度稳定性可采用温度补偿型电容器,如C0G 或 NP0类陶瓷电容,其具有可较理想的电容温度系数,电容值随温度的变化保持高度的稳定,而且老化性能衰退也较小。然而,这类电容器常常是采用电介常数较小的钛酸盐混合物来制作的,不宜于做大电容值电容器。另一方面,常用的陶瓷电容器(如X7R),其材料钛酸钡是一种具有大电介常数的铁电体材料,但它随温度的增加的电容值变化范围较大,而且在高温时有明显的漏电流使电容无法保持充电,因此不能为高温应用所接受。电容器制造商一直在积极寻找新型材料,期望能实现高电容值的同时又能保持温度稳定性。目前,各种玻璃,玻璃-陶瓷,乃至高温塑料,如丙烯酸酯,聚酰亚胺,以及含氟聚合物等等材料都在研究和考察之中。 

总结

石油钻探、航空航天和国防装备等的恶劣环境应用需求催生了高温电子学,其核心技术包括:SOI 半导体技术和宽禁带化合物半导体技术,高温封装和组装技术,耐高温被动元器件,器件、模块、电路乃至系统的热管理,以及与应用相关的高可靠性测试,例如,密封性、加速、应力、粒子损害、振动、冲击、热循环、稳定热烘烤、高温工作寿命等等。与普通硅半导体的生产和应用规模相比,高温电子目前仍然是较小的市场,且属于尖端的应用范畴。 

然而,第三代宽禁带半导体碳化硅已日趋成熟和大规模商业化,并且在几乎所有电力电子领域,如电源系统,动力驱动系统,电网送电及储能等等,SiC都以其高效率等卓越性能而将逐步全面取代基于硅的功率器件,而进入电动汽车、轨道交通、船舶、太阳能、风能、电网及储能等等应用。用碳化硅功率器件替代硅基IGBT的初始益处是减小体积、提高效率;更为重要的进步,将是充分发挥碳化硅的高温性能优势,从而能够实现原本IGBT难以实现或根本不能做到的应用,为系统应用设计者提供全新的拓展空间。这特别反映在两个重要方面:其一,高功率密度应用,其所导致的温升,使得器件耐温能力的选择和热管理系统的设计尤显重要;其二,高温环境应用,通常是指没有液冷条件的应用,更加考验器件本身的耐温能力及其高温工作寿命。 

宽禁带化合物半导体(如碳化硅)器件的本质特性之一是耐高温,其管芯在完好密封条件下可在500℃乃至更高温度下正常工作;要使碳化硅功率器件在高温下运行,当然必须配备与之耐温相当的驱动器件及电路。这样,随着SiC功率半导体器件的日趋成熟和广泛普及,其固有的耐高温性能与基于SOI半导体技术的驱动器件是非常理想的搭配,可以充分发挥SiC功率器件的性能,使高功率密度和高温应用成为可能,必将大大改变电力电子系统设计的格局。

总之,高温电子技术,涉及到基础材料、先进半导体工艺,以及极限封装、组装技术等,将随着SiC的普及和大规模应用而全面进入电力电子的各个领域,将是一门越来越受重视的、跨界的前沿学科。

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