嵌入PCB术语拓展

　　一、术语

　　1、SiP：System-in-Package

　　SiP是一种先进的封装技术，它将多个半导体器件、集成威廉希尔官方网站 （IC）或其他电子组件，以及必要的辅助零件，集成并封装在一个相对独立的壳体内，形成一个完整的系统或子系统。与片上系统（SoC）不同，SiP不追求所有功能组件的单片集成，而是通过先进的封装技术，将来自不同工艺节点的独立芯片、传感器、天线等组件封装在一起，从而实现系统级别的集成。SiP的实现方式多种多样，包括但不限于倒装芯片（Flip-Chip）、引线键合（Wire Bonding）、凸块技术（Bump Technology）以及晶圆级封装（WLP）等。

　　2、QFN ：Quad Flat No-Lead Package

　　QFN是方形扁平无引脚封装的缩写，它是一种表面贴装技术，用于集成威廉希尔官方网站 的封装。QFN封装有一个由引线框架包围的模具（由铜合金与亚光锡涂层制成）。芯片和框架通常通过线键连接在一起。铜/金是焊丝粘合的首选材料。一些制造商使用倒装芯片技术来实现这种互连。与传统技术相比，倒装芯片技术提供了更好的电气性能。底部是金属化的端子垫，它们沿着底部的四个边缘存在，并为PCB提供电气互连。QFN封装底部的外露衬垫提供与PCB的威廉希尔官方网站 连接，同时提供有效的传热。连接引脚将芯片牢牢地固定在衬垫上的环氧树脂材料中。

　　

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　　3、SiC：silicon carbide

　　

　　SiC晶体有以下优点：

　　（1）力学性质：SiC晶体具有极高的硬度与良好的耐磨性质，是目前已发现的材料中仅次 于金刚石的晶体。由于SiC力学上的优秀性质，粉晶SiC常被用于切割或磨抛工业，一些工件上的耐磨涂层也会采用SiC涂层，山东舰甲板上的耐磨涂层就是由SiC构成的。

　　（2） 热学性质：SiC的导热系数是传统半导体Si的3倍， GaAs的8倍。采用SiC制备的器件产热可以快速被传导出去，由此SiC器件对散热条件的要求相对较宽松，更适合制备大功率器件。SiC具有稳定的热力学性质。在常压条件下，SiC会在较高温度下直接分解为Si与C的蒸气，而不会发生熔化。

　　（3）化学性质：SiC具有稳定的化学性质，耐腐蚀性能良好，室温条件下不与任何已知的酸发生反应。SiC长时间置于空气中会缓慢的形成一层致密SiO2薄层，阻止进一步的氧化反应。

　　（4）电学性质：SiC作为宽禁带半导体的代表材料，6H-SiC和4H-SiC的禁带宽度分别为 3.0 eV和3.2 eV，是Si的3倍，GaAs 的 2 倍。采用 SiC 制备的半导体器件具有较小的漏电电流，较大的击穿电场，所以 SiC 被认为是大功率器件的理想材料。SiC的饱和电子迁移率也比Si要高2倍，在制备高频器件上也具有明显优势。通过晶体中杂质原子的掺杂可以获得p型 SiC 晶体或者 N 型 SiC 晶体。

　　（5）光学性质：由于具有较宽带隙，无掺杂的SiC晶体呈无色透明。掺杂后的SiC晶体由于其性质的不同表现出不同颜色，例如：掺杂N后，6H-SiC呈现绿色；4H-SiC呈现棕色；15R-SiC呈现黄色。掺杂Al后，4H-SiC呈现蓝色。通过观察颜色的不同来确定晶型，是一种较直观的分辨 SiC 晶型的方法。

　　

　　4、GaN：gallium nitride

　　氮化镓（GaN）的晶体结构为六方晶系，与石墨相似，具有层状结构。它的禁带宽度为3.4eV，大于GaAs（1.424eV）和SiC（3.3eV），这使得GaN具有更高的击穿电压和热稳定性。此外，GaN的导热性差，但它的热稳定性非常好，可以在高温下保持其电学性能。

　　下面来解释什么是禁带宽度。

　　禁带宽度（Band gap）是指一个带隙宽度，单位是电子伏特（eV），用于描述半导体的能带结构。在固体中，电子的能量是不连续的，这些能量不同的电子的能带间存在一个最小能量差，称为禁带宽度。如果想要导电，就要有自由电子或者空穴存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电），而自由空穴存在的能带称为价带（亦能导电）。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

　　GaN HEMT是基于AlGaN/GaN异质结，目前市面上还未出现GaN的MOSFET，主要是因为同质GaN成本太高，一般采用Si或者SiC作为异质衬底，异质衬底就需要在衬底上生长一层缓冲层（AlN），而缓冲层是绝缘的，因此目前的GaN器件还没有MOSFET结构。

　　

　　涨知识！氮化镓（GaN）器件结构与制造工艺

　　定义

　　5、HEMT：high-electron-mobility transistors

　　高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors，HEMT）作为功率半导体器件的代表，在高频应用领域有着巨大的市场潜力。氮化镓相比于硅和碳化硅具有更高的电子迁移率（Electron Mobility）、饱和电子漂移速率（Saturated Electron Veloctity）和击穿场强（Breakdown Field）。 什么是电子迁移率？

　　电流的导通依靠的是材料内部载流子的定向移动。当存在着外加电压时，材料内部的自由电子受到外加电压中电场力的作用，会沿着电场的反方向做定向运动产生电流，我们称其为漂移运动。而将这种定向运动的速度称为漂移速度。根据推导可知，当电场增大时电子的运动速度也会随之增大，两者呈线性关系，而这个比例系数就被称作迁移率。

　　

　　由于材料上的优势，在相同耐压等级下，氮化镓材料更适合制作高效的功率器件，特别是横向结构HEMT，其导通电阻比硅器件的导通电阻低1~2个数量级，与同为宽禁带半导体材料的碳化硅器件相比，其导通电阻减小1/2~1/3。

　　氮化镓HEMT与普通晶体管的区别就在于高电子迁移率，因此更适合于高频应用场合，对提升转换器的效率和功率密度非常有利，这也是它被大规模应用的原因与前提。比如氮化镓HEMT可将充电器的尺寸缩小一半，同时将功率提高3倍。目前氮化镓功率器件主要应用于电源适配器、车载充电器、数据中心等领域，也逐渐成为5G基站电源的最佳解决方案。

　　从HEMT器件结构看，可分为横向和纵向结构。纵向结构器件需要用到氮化镓自支撑衬底，而且从目前来看，氮化镓衬底的成本较高，尺寸较小，这就使得单个器件的成本更高。氮化镓纵向结构器件尚未在市场上出售，目前处于大量研究以使器件商业化的阶段。同时纵向结构的器件并没有利用到氮化镓最大的优势——二维电子气（2 Dimensional Electron Gas，2DEG），而横向结构的器件则能很好地利用到这一特点。

　　独特的 2DEG

　　氮化镓外延的异质结结构，典型如AlGaN/GaN界面，由于沿镓面方向外延生长的结构存在较强的自发极化和压电极化效应，这导致在AlGaN/GaN异质结界面处会产生高浓度的2DEG。

　　

　　首先，由于GaN与AlGaN的晶格常数不同，而且它们的晶格常数又有变为数值一致的趋势，因此在异质结界面处会出现对上层材料的挤压或拉伸，产生应力。

　　在没有外加应力时，由于氮化物材料自身的结构特点，其自身内部的正负电中心并不对称，电子会向着N原子一侧偏移，在材料内部产生电场，这就是自发极化。

　　与此同时，由于AlGaN材料的晶格常数小于GaN，上层的AlGaN材料会受到压应力。就像等腰三角形来做一个类比，当我们在拉伸三角形的两个等边时，第三个顶点会向着其所对的边移动，这就是压电极化。

　　在自发极化与压电极化的一同作用下，在AlGaN与GaN之间会产生一层极薄的电子层。由于这些电子被限制在几个原子厚度的薄层中，不可以在Z轴方向运动，但可以在X与Y方向自由运动，所以电子近似位于一个平面内。在这个平面中的电子运动模式与自由空间中的气体类似，故称之为2DEG。

　　在极薄的平面中，电子的运动不会受到阻挡，所以电子的漂移速度就会相对较高，这也是高电子迁移率的由来。

　　6、MOSFET：metal-oxide-semiconductor field-effect transistors

　　金属氧化物半导体场效应晶体管是一种电压控制元件，以金属层的栅极隔着氧化层利用电场的效应来控制半导体的场效应晶体管。

　　

　　Power MOSFET Basics：https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-power_mosfet_basics-Article-v01_00-EN.pdf？fileId=8ac78c8c8d2fe47b018e625961741a0e

　　7、IGBT：insulated-gate bipolar transistors

　　绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。下图显示了一种N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。IGBT是一个三端器件，正面有两个电极，分别为发射极（Emitter）和栅极（Gate）背面为集电极（Collector）。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通；反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。

　　

　　各种功率器件的应用场景

　　

　　8、IMS：insulated metal substrate

　　绝缘金属基板，其制造方法是：在铝基板表面压合绝缘层，并在绝缘层表面压合并刻蚀出具有特定走线形状的铜箔，在铜箔上贴装控制IC、功率元件和引脚并绑定金属线，然后一体模制成型。

　　9、DCB：direct copper bonded

　　铜直接粘合，其制造方法是：在陶瓷基板两面压合铜箔，其中一面形成特定形状，并在该面装配具有特定走线形状的铜框架，再在铜框架上贴装控制IC、功率元件，然后一体模制成型。

　　10、FR4:a glass fiber fabric， pre-impregnated with partially cured resin， known as FR4 in PCB industry

　　常常提到的FR-4是对一类玻璃纤维增强环氧树脂材料的简称。但严格来讲FR-4不是一种材料名称，而是材料的防火等级。

　　

　　FR-4的规格标准是由NEMA（美国电器制造商协会）制定，NEMA分类标准中的FR表示Flame-Retardant （阻燃的） 。FR-4表示树脂为环氧树脂，增强材料为玻璃纤维布，阻燃等级为UL94 V-0的板材。

　　目前威廉希尔官方网站 板所用的FR-4等级材料的种类非常多，但多数都是以四功能（Tera-Function）的环氧树脂加上填充剂（Filler）以及玻璃纤维所做出的复合材料。

　　PCB的基材不同，阻燃等级也不相同，划分如下：

　　基板种类等级材料是否阻燃

　　纸基板XPC酚醛树脂

　　纤维纸否

　　UL94 HB

　　XXPC改性酚醛树脂

　　纤维纸否

　　UL94 HB

　　FR-1阻燃酚醛树脂

　　纤维纸是

　　UL94 V-1

　　FR-2阻燃酚醛树脂

　　纤维纸是

　　UL94 V-1

　　玻璃布

　　基板FR-4环氧树脂

　　玻璃布是

　　UL94 V-0

　　FR-5环氧树脂

　　玻璃布是

　　UL94 V-0

　　复合基板CEM-1环氧树脂

　　纤维纸

　　玻璃布是

　　UL94 V-0

　　CEM-3环氧树脂

　　玻璃布

　　玻璃毡是

　　UL94 V-0

　　FR4定义

　　FR-4的导热率一般在0.3~0.4 W/m·K范围内，热导性能较差。

　　11、Tg：glass transition temperature

　　Tg值，指的是材料从一个相对刚性“玻璃”状态转变为易变形状态的温度点。只要没达到热分解温度（Td），这种热力学变化是可逆的，当冷却至Tg值以下时，材料可以变回刚性状态。当超过热分解温度时，FR-4会发生分解失效。

　　业界通常根据Tg值，把FR-4板材划分为高、中、低三档：

　　低 Tg FR-4：Tg值在135℃左右；

　　中 Tg FR-4：Tg值在150℃左右；

　　高 Tg FR-4：Tg值在170℃左右。

　　如果PCB加工时压合次数多、PCB层数多、焊接温度高（≥230℃）、工作温度高（超过100℃）、焊接热应力大（如波峰焊接），时应选择高Tg板材。

　　12、CTI：Comparative Tracking Index

　　相对漏电起痕指数，用来度量绝缘材料的电击穿（电痕破坏）性能。漏电起痕发生在绝缘材料表面，由于介质损耗的存在，电介质发热升温，引起电介质分解碳化，最终延伸至电极导致短路。

　　CTI是绝缘材料表面能经受住50滴电解液（0.1%氯化铵水溶液）而没有形成漏电痕迹的最高电压值，单位为V。换句话说，CTI是绝缘塑料在通电情况下，其表面滴加50滴导电液体而没有产生碳化短路的最高电压值。

　　材料的CTI值与其绝缘性能正相关。高CTI值意味着要求的爬电距离更低，两个导体间的距离会更近。

　　漏电起痕指数 （V）性能等级类别（PLC）

　　CTI≥600 0

　　400≤CTI《6001

　　250≤CTI《4002

　　175≤CTI《2503

　　100≤CTI《175 4

　　CTI《100 5

　　13、CAF：Conductive Anodic Filamentation）

　　导电性阳极丝，指的是PCB内部铜离子从阳极（高电压）沿着玻纤丝间的微裂通道，向阴极（低电压）迁移过程中发生的铜与铜盐的漏电行为。

　　如下图片，对两个相邻的两个过孔进行纵向研磨，置于电子显微镜下放大100倍，板材呈黯淡颜色，亮金色部分则为铜，可以看到在两个过孔间，有铜点、铜丝存在。

　　14、Young´s modulus

　　杨氏模量就是弹性模量，这是材料力学里的一个概念。弹性模量是指材料在弹性变形范围内（即在比例极限内），作用于材料上的纵向应力与纵向应变的比例常数。也常指材料所受应力如拉伸，压缩，弯曲，扭曲，剪切等）与材料产生的相应应变之比。

　　弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，故是组织结构不敏感参数。在工程上，弹性模量则是材料刚度的度量，是物体变形难易程度的表征。

　　15、IPM：intelligent power module

　　智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动威廉希尔官方网站 集成在一起。而且还内部集成有过电压，过电流和过热等故障检测威廉希尔官方网站 ，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动威廉希尔官方网站 以及快速保护威廉希尔官方网站 构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内部集成电流传感器及驱动威廉希尔官方网站 的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件

　　

　　16、coefficient of thermal expansion （CTE）

　　热膨胀系数，英文简称CTE，是指物质在热胀冷缩效应作用之下，几何特性随着温度的变化而发生变化的规律性系数。热膨胀系数有三个指标，线膨胀系数（α），面膨胀系数（β），和体膨胀系数（γ）。实际应用中，α最常用，γ次之，β较少使用。

　　计算公式：α=ΔL/（L*ΔT）

　　如下是半导体器件常用材料的热膨胀系数

　　材料热膨胀系数（10^-6/°C）

　　硅（Si）2.6

　　镓砷化物（GaAs）5.9

　　氮化硅（Si3N4）2.4~3.2

　　碳化硅（SiC）4.0~4.4

　　氮化镓（GaN）5.59（a轴），6.57（c轴）

　　- 氧化铝陶瓷7~9

　　- 氮化硅陶瓷3.2~4.5

　　FR-46~14

　　铜（Cu）16~17

　　银（Ag）18.9~19

　　环氧树脂10~70

　　17、PVD：physical vapor deposition

　　物理气相沉积（Physical vapor deposition，PVD）是一种在真空条件下采用物理方法，将固体或液体材料表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能薄膜的技术。

　　物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：（1）镀料的气化：即使镀料蒸发，升华或被溅射，也就是通过镀料的气化源；（2）镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应；（3）镀料原子、分子或离子在基体上沉积。

　　

　　18、PDEV：partial discharge extinction voltage

　　局部放电是由于在绝缘材料层或屏蔽表面界面上的空隙的空气分解。这个放电导致聚合物最终退化和击穿。这一过程涉及的电子和离子的撞击是电缆中绝缘击穿的主要原因。空隙存在可能是由于杂质导致的界面接触不好，老化引发的退化也许与制造过程相关。该部分包括聚合物绝缘电性能基本原理。在这里指出局部放电方面没有直接关系的绝缘材料现象，但在本章中不包括：这些包括沿着导体和屏蔽传输的高频信号，周围区域辐射的电磁波，以及发射的光波和声波。应该查阅参考文献来研究放电类型或脉冲幅值的重要性。

　　 1.空隙里发生了什么

　　挤出电缆绝缘里可能会存在小的空隙，由于老化引起的改变导致它们的发展。符合工业规范要求的挤出电缆中不应存在超过一定尺寸的空隙。在新制作电缆上进行局部放电测试能防止带有一定尺寸（和数量）空隙的电缆到达用户的手上。

　　必须知道空气（在空隙里）的介电强度。绝缘的介电强度越大，在放电条件下的电阻就越大。因此，当（聚乙烯或XLPE）绝缘薄膜的介电强度本身很高时 （也许高达16000V/mil），而空气的介电强度则低2~3个数量级，这是最容易受加速电子老化的。

　　对已发生的放电，空隙的尺寸（直径）、形状、压强和温度都有显著影响。当遭遇带电的电子时不同的绝缘材料会有不同的响应，但是空气的基本老化响应是不变的。

　　空气的老化过程会导致形成额外的电子和离子，如图6-11所示。

　　

　　约含有80%氮气的空气的降解可能会导致形成离子和其他有氮的（例如氮氧化物）降解产生物一旦产生新形成的离子和电子，它们会继续这个过程；攻击空隙中剩余的空气，如图6-12所示。

　　

　　在某一时刻，临界值一过就会发生击穿；这个击穿被称为是局部放电起始电压 （PDIV）。在击穿之后，穿过空隙的电压立即降为0 （或接近 0）。这就是局部放电熄灭电压（PDEV）。如要继续放电过程和发生额外的击穿， 电压必须再次建立起来。空隙中空气的降解就是重复这一过程，是非常有害的。因 此，放电导致空隙的击穿，引起空气降解。

　　2.局部放电过程

　　在雪崩过程发生时，绝缘层的固/气界面会受到大量电子轰击。这会导致绝缘分子链断裂并产生解离副产物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷以及其他低分子量碳氢化合物，同时也会生成无机碳酸盐。这些生成物会与气体解离产物混杂在一起。解离出来的电子、离子以及其他产物将沉积在绝缘表面（这将大大增强绝缘表面的极性）。电子可能被束缚在表面上一段时间，然后再释放出来。如果这一过程持续发生，解离过程将会导致从绝缘/气孔界面向绝缘内部发展，而不仅限于初始放电的气孔。部分本来完好的聚合物绝缘将被解离后的聚合物取代。解离产生的高氧化性炭黑会破坏聚合物的连续性，形成电树。在电树发展的路径里，充斥着放电产生的各种气体。如果局部放电一直存在，电树最终会延展到绝缘表面形成放电通道，导致材料的击穿。

　　19、IPC-TM-650

　　IPC-TM-650是国际电子工业联接协会（IPC，Association Connecting Electronics Industries）制定的一套标准试验方法手册，主要用于测试印刷威廉希尔官方网站 板及其相关产品的性能和可靠性。全称为《印刷威廉希尔官方网站 板（PCB）和模块的测试方法》。

　　IPC-TM-650手册涵盖了大量的试验方法，包括物理性能测试、电气性能测试、可靠性测试等多个方面，用于评估和测试电子产品的各种性能和可靠性指标。具体包括：

　　焊接试验：IPC-TM-650包括了多种焊接试验方法，用于评估焊接接头的质量和可靠性。其中包括焊接性能评估、焊接强度测试和焊接可靠性测试等试验方法。

　　环境试验：提供了多种环境试验方法，用于评估电子产品在不同环境条件下的性能和可靠性。包括高温试验、低温试验、湿热试验、盐雾试验、温度循环测试和湿度测试等。

　　电气性能测试：包括了多种电气性能测试方法，用于评估电子产品的电气性能和可靠性。包括电阻测试、电容测试、电感测试和绝缘电阻测试等方法。

　　可靠性试验：提供了多种可靠性试验方法，用于评估电子产品在长时间使用过程中的可靠性和稳定性。包括热冲击试验、振动试验（如正弦振动试验）、冷却试验和封装试验等方法。

　　材料测试：包括了多种材料测试方法，用于评估电子产品中使用的材料的性能和可靠性。包括焊料测试、胶粘剂测试和材料耐久性测试等方法。

　　此外，对于金相切片而言，IPC-TM-650标准下的测试非常关键，可帮助分析和评估印刷威廉希尔官方网站 板（PCB）内部结构的完整性和质量，包括内层连接质量的检查、材料分析以及损坏评估等。