功率能量计

经过近两年的努力，中科院上海光学精密机械所高功率激光物理联合实验室测量课题组成功完成了大口径方形能量计的研制任务。 　　目前，高功率激光装置采用多程放大和方型光束方案来提高泵浦光能量的利用率已成为一种发展趋势。研制中的神光Ⅱ升级装置也采用了此种技术方案，升级后装置的光束口径为310mm×310mm，现有最大口径能量计Φ400mm也无法满足测量需求。而从国外购买的大口径能量计价格高，标定校准难。为满足升级后的神光Ⅱ装置和未来的神光Ⅲ主机对激光能量测量的需求，在863高技术的支持下联合实验室的测量课题组承担了能量计的研制任务。 　　研制完成的大口径方形能量计测量口径达420×420mm，适用基频、二倍频、三倍频三个波段，灵敏度大于50μv/J，面均匀性优于±1.8%，在稳定性、信噪比、面响应均匀性这三个激光能量计的主要技术指标都做到了较高的实用水平。大口径方形能量计于近日获得了中国计量科学研究院授权的校准证书，将用于神光Ⅱ升级项目中激光能量的测量。 　　这是课题组继成功研制口径为Φ20mm、Φ50mm、Φ100mm、Φ300mm、Φ400mm的能量计之后，又一次出色完成了大口径方形能量计的研制。在此次的研制任务中，课题组不仅形成了一套方形、大口径激光能量计设计方法和制作工艺，而且大大丰富了实际的研制经验，为今后研制更大口径的能量计打下了坚实的基础。

7月2日消息，经过近两年的努力，高功率激光物理联合实验室测量课题组成功完成大口径方形能量计的研制任务。 　　目前，高功率激光装置采用多程放大和方型光束方案来提高泵浦光能量的利用率已成为一种发展趋势。研制中的神光Ⅱ升级装置也采用了此种技术方案，升级后装置的光束口径为310mm×310mm，现有最大口径能量计Φ400mm也无法满足测量需求。而从国外购买的大口径能量计价格高，标定校准难。为满足升级后的神光Ⅱ装置和未来的神光Ⅲ主机对激光能量测量的需求，在863高技术的支持下联合实验室的测量课题组承担了能量计的研制任务。 　　研制完成的大口径方形能量计测量口径达420×420 mm，适用基频、二倍频、三倍频三个波段，灵敏度大于50μv/J，面均匀性优于±1.8%，在稳定性、信噪比、面响应均匀性这三个激光能量计的主要技术指标都做到了较高的实用水平。大口径方形能量计于近日获得了中国计量科学研究院授权的校准证书，将用于神光Ⅱ升级项目中激光能量的测量。 　　这是课题组继成功研制口径为Φ20mm、Φ50mm、Φ100mm、Φ300mm、Φ400mm的能量计之后，又一次出色完成了大口径方形能量计的研制。在此次的研制任务中，课题组不仅形成了一套方形、大口径激光能量计设计方法和制作工艺，而且大大丰富了实际的研制经验，为今后研制更大口径的能量计打下了坚实的基础。

【科学背景】随着无线传感器网络在健康监测、环境监测和物联网（IoT）等应用中的重要性日益增加，如何有效供电成为一个关键问题。当前，许多传感器需要在难以接触的地方进行安装，例如用于空气质量、温度和湿度监测的传感器，这些传感器的电力需求通常无法依赖传统电池供给。因此，开发一种能够从环境中收集能量并转化为电力的技术成为了一个重要研究方向。在众多能源收集技术中，射频（RF）能量收集因其全天候可用、易于获取且可以与小型无线传感器网络集成的优点而备受关注。射频能量收集的关键挑战之一是如何在低功率条件下提高能量转换效率。尽管已有技术如肖特基二极管和隧道二极管在较高功率条件下表现出较高的效率，但在环境射频功率低于 -20 dBm 的情况下，这些技术的效率大幅降低，无法满足实际应用需求。此外，传统射频整流器面临热力学极限和高频寄生阻抗等问题，这些因素严重制约了其在低功率环境下的性能。为此，新加坡国立大学Hyunsoo Yang等科学家们致力于改进自旋整流器的性能。例如，作者的研究团队开发了一种新型的自旋整流器 rectenna，其在 -62 dBm 的射频功率下具有约 10,000 mV mW&minus 1 的高灵敏度，能够在弱且嘈杂的环境中有效收集射频能量。此外，作者还开发了一种基于片上共面波导的自旋整流器阵列，该阵列展示了约 34,500 mV mW&minus 1 的零偏灵敏度和 7.81% 的高效率。作者的研究解决了传统自旋整流器在低功率环境下效率低的问题，通过利用电压控制的磁各向异性（VCMA）驱动的自参量效应，显著提高了灵敏度和检测带宽。这一进展使得作者的自旋整流器可以在 -27 dBm 的低射频功率下为传感器提供无线供电，展现出良好的应用前景。【科学亮点】1. 实验首次展示了高灵敏度自旋整流器（SR）rectenna的应用：本文首次报道了一种具有高灵敏度的 SR rectenna，能够在 -62 dBm 的低射频功率下进行能量收集，达到约 10,000 mV mW&minus 1 的灵敏度。这种 SR rectenna 能够在弱且嘈杂的环境中有效捕获射频能量。2. 通过优化器件特性提升灵敏度：研究中指出，单个 SR 的灵敏度与其内在特性密切相关，包括垂直各向异性、器件几何形状和来自极化层的偶极场。这些因素共同定义了纳米磁体的能量景观，并促使低输入功率下的大角度磁化进动。此外，SR 的灵敏度还与磁隧道结（MTJ）的动态响应相关，尤其是零场隧道磁阻（TMR）和电压控制的磁各向异性（VCMA）系数对增强零偏置整流电压的作用。3. SR 阵列的自参量效应提升了性能：实验还显示了 SR 阵列在没有外部天线或匹配设置的情况下，通过 VCMA 驱动的自参量效应，增强了灵敏度和检测带宽。该 SR 阵列基础的能量收集模块（EHM）能够在 -27 dBm 的低射频功率下为商业传感器供电，展示了其在实际应用中的有效性和高效性。【科学图文】图1：利用自旋整流器Spin rectifiers，SRs的射频Radiofrequency，RF能量收集。图2： 自旋整流器SR整流天线的性能。图3： 宽带和谐振整流的调谐。图4：基于宽带低功率自旋整流器SR的能量收集器energy harvesting module，EHM。图5: 肖特基二极管、自旋整流器SR阵列和SR整流天线之间的整流性能比较。【科学启迪】本文的研究通过优化自旋整流器的设计，包括垂直各向异性和设备几何形状，研究成功实现了在极低射频功率下的高灵敏度检测。这表明，通过精细调控材料和结构特性，可以显著提高纳米尺度整流器的能量转换效率，从而扩展其在低功率环境下的应用范围。其次，本文引入了基于电压控制的磁各向异性（VCMA）的自参量效应，展示了在没有外部天线或匹配设置的情况下，如何通过自参量激发实现更高的灵敏度和更宽的检测带宽。这一发现不仅突破了传统射频整流器在低功率和复杂环境下的性能瓶颈，还为未来开发更高效的射频能量收集模块提供了新的思路。最后，本研究表明，基于自旋整流器的射频能量收集模块在实际应用中具有良好的性能，如在 -27 dBm 的低射频功率下为商业传感器供电。这表明这些整流器不仅具备高灵敏度和高效率，还具备良好的实际应用潜力，适合于未来无线传感器网络和物联网设备的集成与应用。原文详情：Sharma, R., Ngo, T., Raimondo, E. et al. Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01212-1

近日，浙江省2022年度“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目——“含碳汇计算的能量计量物联装置与平台研究及产业化”项目召开启动会，浙江工业大学副教授潘国兵、中国计量大学博士黄震威、金卡智能集团股份有限公司副总经理张恩满、金卡智能技术研究院院长叶志增、省计量院热工所所长余时帆参会。 该项目由金卡智能集团股份有限公司牵头，中国计量大学、浙江省计量科学研究院和浙江工业大学等单位开展联合研究攻关。项目以开发具有超级终端设备接纳和并发能力、具备不同场景不同能源秉性的碳汇计算功能的综合能源物联网智能平台为目标，研究大电流宽量程电压电流参数检测方法以及双向电能计量和基于边缘计算的非侵入式负荷识别方法，研制多芯模组化电能采集计量终端嵌入式装置、燃气量质电子计量装置，开展在线气相色谱、流量计量仪表和温度压力传感器在线校准方法研究，建设覆盖电能计量、燃气计量、智能抄表、智慧运营和智慧管理的能源物联网智能平台，服务国家能源数字化战略。 　　据了解，浙江省计量院热工所聚焦浙江省重点领域“双碳”计量需求，依托国家城市能源计量中心(浙江)积极开展智慧能源领域重大科技合作攻关，加快能量计量溯源体系建设和远程在线校准新技术研究，加强能源数据数字化挖掘，以精准计量提升能源消耗碳排放数据质量，积极推进碳排放“可测量、可报告、可核查”。 　　据悉，金卡智能集团股份有限公司是公共事业数字化解决方案提供商，业务涵盖智慧燃气、智慧水务、氢能计量等，为智慧城市、公用事业领域提供端到端的数字化整体解决方案及系统化服务。

天然气产业是四川省优势产业，也是保障国家能源安全的重要组成部分。天然气高位发热量是天然气品质的重要质量指标，其检测结果直接关系到贸易结算的公平公正。　　由中国测试技术研究院化学研究所研制的“天然气能量计量用13组分混合气体标准物质”，明确给出了包含甲烷在内的13组分定值和不确定度，作为“测量砝码”，进一步完善了我国天然气能量计量溯源体系，保证了测量结果的量值统一与准确可靠。　　目前，以上标准物质已通过国家标准物质定级审查，并取得国家二级标准物质定级证书GBW(E)063366，证字第4882号。中国测试技术研究院(以下简称中测院)是四川省人民政府直属公益二类科研事业单位，是集法定计量技术机构、第三方检测与校准机构、测试技术与标准研究机构三位一体的国家级综合性研究院。　　除开展计量科学及应用技术研究外，中测院面向全社会企事业单位开展计量检定校准、产品检验检测、工程测试与评价等，为企业保障和提升产品质量以及技术创新提供技术服务；受政府委托承担计量检定、计量比对、产品抽检、型式评价等法制计量工作，为政府履行监督职能，依法科学行政提供技术支撑。

9月1日，在中国质量（成都）大会分会场——国家级标准计量质量技术机构与四川企业对接会上，国家市场监管总局宣布了两个国家市场监管重点实验室和两个国家市场监管技术创新中心建设验收的结果。其中，由中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司领导建设、天然气研究院具体承建的国家市场监管重点实验室（天然气质量控制和能量计量）成功通过建设验收，正式投入运行。自2021年9月获批建设以来，该国家市场监管重点实验室不懈追求卓越，致力于提升实验室的技术水平，以满足国家监管的严格标准。于2023年8月9日，经过国家市场监督管理总局组织的现场验收审查，实验室以出色的表现通过了验收，基础分高达92.8分，再加上16分的附加项得分。而在验收现场，令人印象深刻的是，我们不仅看到了很多由ASDevices提供的高精度仪器，还目睹了这些仪器在实验室运行中的卓越表现。 ASDevices，作为国家市场监管重点实验室的积极参与者和有力支持者，为此次验收背后的成功发挥了不可或缺的作用。我们的仪器和服务不仅在验收过程中发挥了关键作用，更为实验室的未来发展提供了坚实的技术支持。ASDevices 提供仪器总览序号仪器名称数量1掺氢天然气质量指标监测一体机12KA8000Plus 增强型等离子化气相色谱23离子色谱分析仪14IS4 自动进样器15SCS预浓缩仪1ASDevices：卓越的技术与服务支持高精度测量仪器供应：ASDevices供应了高度精确的测量仪器，尤其针对天然气质量控制和能量计量领域。这些仪器以其卓越的准确性和稳定性而著称，确保实验室的数据可靠性。技术培训和支持：我们提供专业的培训和技术支持，确保实验室操作人员能够充分发挥仪器性能，以满足验收的高标准。定制解决方案：ASDevices深入了解实验室的需求，为其提供了定制解决方案，以满足具体要求。技术创新支持：我们与实验室合作，不断探讨新的技术和方法，确保实验室保持在技术前沿。 ASDevices不仅是仪器供应商，更是实验室发展的战略合作伙伴。我们的目标是确保国家市场监管重点实验室拥有最先进的技术和最可靠的仪器。我们期待与更多实验室建立合作关系，携手前行，共同推进科学的进步。

有望将电机系统运行效率提高2%—3% 　　近日，由湖南银河电气有限公司、湖南省计量检测研究院和国防科学技术大学联合研制的“变频功率标准源”在长沙通过鉴定。 　　当前，国内外变频功率标准源的输出电压、电流只能达到1000V、100A，且只有美国等几个少数国家拥有该项技术成果。针对国家电机节能重点工程、变频功率、变频能量计量等领域的技术难题。由上述合作单位研制的“变频功率标准源”，其输出电压、电流已达到10000V、500A，在电机低频率、低转速的情况下，输出频率可拓展至5Hz，成功解决了变频电机能量消耗的测量统一性问题。 　　以中国工程院张钟华院士为首的专家鉴定委员会一致认为：该项目研究的变频功率测量技术属当今国际计量领域的前沿课题，技术难度大。课题组采用数字合成、大功率放大、智能测控等技术，首次成功地研制出了变频大功率标准源，解决了目前其他国家无法解决的变频电量传感器、变频电量分析仪、变频高电压、变频大电流、变频电机效率等仪器设备、技术参数的量值溯源问题。解决了我国在节能减排等领域变频功率测量技术的瓶颈问题，研制的高电压、大电流变频功率标准源，填补了国内外空白，整体技术达到国际先进水平，其中的量程和频率范围等技术指标居国际领先水平。 　　该成果有助完善面向战略性新兴产业发展、民生改善以及其他重点领域的计量基本标准体系建设 可为国家“电机系统重点节能工程”的变频电机效率测试、电机试验和电机节能改造提供计量保障 有望在“十二五”期间，将电机系统运行效率提高2%—3%，达到年节电能力800亿千瓦时的目标。

近期，在中国质量（成都）大会分会场——国家级标准计量质量技术机构与四川企业对接会上，国家市场监管总局宣布了两个国家市场监管重点实验室和两个国家市场监管技术创新中心建设验收的结果。其中，由中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司领导建设、天然气研究院具体承建的国家市场监管重点实验室（天然气质量控制和能量计量）成功通过建设验收，正式投入运行。 自2021年9月获批建设以来，该国家市场监管重点实验室不懈追求卓越，致力于提升实验室的技术水平，以满足国家监管的严格标准。于2023年8月9日，经过国家市场监督管理总局组织的现场验收审查，实验室以出色的表现通过了验收，基础分高达92.8分，再加上16分的附加项得分。而在验收现场，令人印象深刻的是，我们不仅看到了很多由ASDevices提供的高精度仪器，还目睹了这些仪器在实验室运行中的卓越表现。 ASDevices，作为国家市场监管重点实验室的积极参与者和有力支持者，为此次验收背后的成功发挥了不可或缺的作用。我们的仪器和服务不仅在验收过程中发挥了关键作用，更为实验室的未来发展提供了坚实的技术支持。ASDevices 提供仪器总览序号仪器名称数量1掺氢天然气质量指标监测一体机12KA8000Plus 增强型等离子化气相色谱23离子色谱分析仪14IS4 自动进样器15SCS预浓缩仪1ASDevices：卓越的技术与服务支持高精度测量仪器供应：ASDevices供应了高度精确的测量仪器，尤其针对天然气质量控制和能量计量领域。这些仪器以其卓越的准确性和稳定性而著称，确保实验室的数据可靠性。技术培训和支持：我们提供专业的培训和技术支持，确保实验室操作人员能够充分发挥仪器性能，以满足验收的高标准。定制解决方案：ASDevices深入了解实验室的需求，为其提供了定制解决方案，以满足具体要求。技术创新支持：我们与实验室合作，不断探讨新的技术和方法，确保实验室保持在技术前沿。 ASDevices不仅是仪器供应商，更是实验室发展的战略合作伙伴。我们的目标是确保国家市场监管重点实验室拥有最先进的技术和最可靠的仪器。我们期待与更多实验室建立合作关系，携手前行，共同推进科学的进步。 为了获取更多资讯，了解最新科技趋势和实验室解决方案，请关注我们微信公众号---加拿大ASD分析仪器。

波长调谐范围覆盖6-20μm的高重复频率（10 MHz）、高平均功率（10 mW）飞秒激光源具有重要的应用，由于大量分子在这个波段具有振动跃迁，因此有望用于痕量气体检测以及对由气体、液体或固体组成的复合系统进行与物理、化学或生物学相关的非侵入性诊断。但由于增益介质的缺乏，这些中红外源通常利用高功率近红外飞秒激光器驱动光学差频产生（DFG）来实现：近红外激光脉冲的一部分用作泵浦脉冲，另一部分采用非线性波长转换产生波长可调的信号脉冲，泵浦脉冲和信号脉冲之间的DFG产生可调谐的中红外脉冲。利用传统非线性光学手段产生的信号光脉冲能量较低，限制了中红外光源的功率，导致长波中红外飞秒光源无法广泛应用。针对该难点，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在长期开展基于超快激光脉冲产生及波长转换的基础上，利用自相位调制的光谱旁瓣滤波（SPM-enabled spectral selection，SESS）技术，基于高功率掺铒光纤激光器在高非线性光纤中得到了波长范围覆盖1.6-1.94μm、功率高达300mW（~10nJ）的信号脉冲，再与1.55μm的泵浦脉冲在GaSe晶体中差频得到了波长覆盖7.7-17.3μm的中红外激光脉冲，最大平均功率可达58.3mW。图1. 实验装置图实验装置如图1所示，前端为自制的高功率掺铒光纤激光器系统，重复频率为32MHz，经过啁啾脉冲放大后得到平均功率为4W、脉冲能量为125nJ、宽度为 290fs的脉冲。将激光脉冲分成两份，一份作为泵浦脉冲，另一份耦合到SESS光纤中进行光谱展宽。光纤输出处的展宽光谱由二向色镜分离，长通滤波器（图中的LPF1）将最右边的光谱旁瓣过滤出来作为信号脉冲。泵浦脉冲经过时间延迟线与信号脉冲在时间上重合后聚焦到GaSe晶体上，光斑大小约为50μm。再通过另一个截止波长为4.5μm的长通滤波器，生成的中红外光束经焦距为75mm的90°离轴抛物面镜准直。利用校准的热敏功率计测量中红外脉冲的平均功率，傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪来测量输出光谱。图2（a）为1mm-GaSe后输出光谱和功率，光谱范围为7.7-17.3μm，最大平均功率为30.4 mW。为了进一步提高输出功率，我们采用2mm厚的GaSe晶体，结果如图2（b）所示，整个光谱调谐范围内脉冲功率均大于10mW，最大平均功率达58.3mW。相比于以往基于掺镱光纤的中红外光源，本研究成果将DFG平均功率提高了一个数量级，并首次实验上观测到了工作在光参量放大机制下的高重频DFG过程。该高功率长波中红外光源基于结构紧凑的光纤激光器，可以用于实现中红外双光梳，从而推动中红外光梳在精密光谱学中的前沿应用。相关结果发表在最近的Optics Letters上（https://doi.org/10.1364/OL.482461），被选为Editor's Pick并成为当天下载量最多的5篇论文之一。图2. 在不同厚度GaSe后测量到的中红外光谱和功率:（a） 1mm-GaSe（b）2mm-GaSe。该工作得到了国家自然科学基金（批准号：No.62227822和62175255）、中国科学院国际交流项目（批准号：No. GJHZ1826）和国家重点研发计划（批准号：No. 2021YFB3602602）的支持。论文第一作者为物理所博士生刘洋，常国庆特聘研究员为通讯作者，赵继民、魏志义研究员也参与了该工作的设计和讨论。

1. 研究背景及意义碳化硅(SiC)是一种宽带隙(WBG)的半导体材料，目前已经显示出有能力满足前述领域中不断发展的电力电子的更高性能要求。在过去，硅(Si)一直是最广泛使用的功率开关器件的半导体材料。然而，随着硅基功率器件已经接近其物理极限，进一步提高其性能正成为一个巨大的挑战。我们很难将它的阻断电压和工作温度分别限制在6.5kV和175℃，而且相对于碳化硅器件它的开关速度相对较慢。另一方面，由SiC制成的器件在过去几十年中已经从不成熟的实验室原型发展成为可行的商业产品，并且由于其高击穿电压、高工作电场、高工作温度、高开关频率和低损耗等优势被认为是Si基功率器件的替代品。除了这些性能上的改进，基于SiC器件的电力电子器件有望通过最大限度地减少冷却要求和无源元件要求来实现系统的体积缩小，有助于降低整个系统成本。SiC的这些优点与未来能源转换应用中的电力电子器件的要求和方向非常一致。尽管与硅基器件相比SiC器件的成本较高，但SiC器件能够带来的潜在系统优势足以抵消增加的器件成本。目前SiC器件和模块制造商的市场调查显示SiC器件的优势在最近的商业产品中很明显，例如SiC MOSFETs的导通电阻比Si IGBT的导通电阻小四倍，并且在每三年内呈现出-30%的下降趋势。与硅同类产品相比，SiC器件的开关能量小10-20倍，最大开关频率估计高20倍。由于这些优点，预计到2022年，SiC功率器件的总市场将增长到10亿美元，复合年增长率(CAGR)为28%，预计最大的创收应用是在混合动力和电动汽车、光伏逆变器和工业电机驱动中。然而，从器件的角度来看，挑战和问题仍然存在。随着SiC芯片有效面积的减少，短路耐久时间也趋于减少。这表明在稳定性、可靠性和芯片尺寸之间存在着冲突。而且SiC器件的现场可靠性并没有在各种应用领域得到证明，这些问题直接导致SiC器件在电力电子市场中的应用大打折扣。另一方面，生产高质量、低缺陷和较大的SiC晶圆是SiC器件制造的技术障碍。这种制造上的困难使得SiC MOSFET的每年平均销售价格比Si同类产品高4-5倍。尽管SiC材料的缺陷已经在很大程度上被克服，但制造工艺还需要改进，以使SiC器件的成本更加合理。最近几年大多数SiC器件制造大厂已经开始使用6英寸晶圆进行生产。硅代工公司X-fab已经升级了其制造资源去适应6英寸SiC晶圆，从而为诸如Monolith这类无晶圆厂的公司提供服务。这些积极的操作将导致SiC器件的整体成本降低。图1.1 SiC器件及其封装的发展图1.1展示了SiC功率器件及其封装的发展里程碑。第一个推向市场的SiC器件是英飞凌公司在2001年生产的肖特基二极管。此后，其他公司如Cree和Rohm继续发布各种额定值的SiC二极管。2008年，SemiSouth公司生产了第一个SiC结点栅场效应晶体管（JFET），在那个时间段左右，各公司开始将SiC肖特基二极管裸模集成到基于Si IGBT的功率模块中，生产混合SiC功率模块。从2010年到2011年，Rohm和Cree推出了第一个具有1200V额定值的分立封装的SiC MOSFET。随着SiC功率晶体管的商业化，Vincotech和Microsemi等公司在2011年开始使用SiC JFET和SiC二极管生产全SiC模块。2013年，Cree推出了使用SiC MOSFET和SiC二极管的全SiC模块。此后，其他器件供应商，包括三菱、赛米控、富士和英飞凌，自己也发布了全SiC模块。在大多数情况下，SiC器件最初是作为分立元件推出的，而将这些器件实现为模块封装是在最初发布的几年后开发的。这是因为到目前为止分立封装的制造过程比功率模块封装要简单得多。另一个原因也有可能是因为发布的模块已经通过了广泛的标准JEDEC可靠性测试资格认证，这代表器件可以通过2000万次循环而不发生故障，因此具有严格的功率循环功能。而且分离元件在设计系统时具有灵活性，成本较低，而模块的优势在于性能较高，一旦有了产品就容易集成。虽然SiC半导体技术一直在快速向前发展，但功率模块的封装技术似乎是在依赖过去的惯例，这是一个成熟的标准。然而，它并没有达到充分挖掘新器件的潜力的速度。SiC器件的封装大多是基于陶瓷基底上的线接合方法，这是形成多芯片模块（MCM）互连的标准方法，因为它易于使用且成本相对较低。然而，这种标准的封装方法由于其封装本身的局限性，已经被指出是向更高性能系统发展的技术障碍。首先，封装的电寄生效应太高，以至于在SiC器件的快速开关过程中会产生不必要的损失和噪音。第二，封装的热阻太高，而热容量太低，这限制了封装在稳态和瞬态的散热性能。第三，构成封装的材料和元件通常与高温操作（200℃）不兼容，在升高的操作温度下，热机械可靠性恶化。最后，对于即将到来的高压SiC器件，承受高电场的能力是不够的。这些挑战的细节将在第二节进一步阐述。总之，不是器件本身，而是功率模块的封装是主要的限制因素之一，它阻碍了封装充分发挥SiC元件的优势。因此，应尽最大努力了解未来SiC封装所需的特征，并相应地开发新型封装技术去解决其局限性。随着社会的发展，环保问题与能源问题愈发严重，为了提高电能的转化效率，人们对于用于电力变换和电力控制的功率器件需求强烈[1, 2]。碳化硅（SiC）材料作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大，击穿场强高、电子饱和速度大、热导率高等优点[3]。与传统的Si器件相比，SiC器件的开关能耗要低十多倍[4]，开关频率最高提高20倍[5, 6]。SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。但是由于SiC器件工作频率高，而且结电容较小，栅极电荷低，这就导致器件开关时，电压和电流变化很大，寄生电感就极易产生电压过冲和振荡现象，造成器件电压应力、损耗的增加和电磁干扰问题[7, 8]。还要考虑极端条件下的可靠性问题。为了解决这些问题，除了器件本身加以改进，在封装工艺上也需要满足不同工况的特性要求。起先，电力电子中的SiC器件是作为分立器件生产的，这意味着封装也是分立的。然而SiC器件中电压或电流的限制，通常工作在低功耗水平。当需求功率达到100 kW或更高时，设备往往无法满足功率容量要求[9]。因此，需要在设备中连接和封装多个SiC芯片以解决这些问题，并称为功率模块封装[10, 11]。到目前为止，功率半导体的封装工艺中，铝（Al）引线键合封装方案一直是最优的封装结构[12]。传统封装方案的功率模块采用陶瓷覆铜板，陶瓷覆铜板（Direct Bonding Copper，DBC）是一种具有两层铜的陶瓷基板，其中一层图案化以形成电路[13]。功率半导体器件底部一般直接使用焊料连接到DBC上，顶部则使用铝引线键合。底板（Baseplate）的主要功能是为DBC提供支撑以及提供传导散热的功能，并与外部散热器连接。传统封装提供电气互连（通过Al引线与DBC上部的Cu电路键合）、电绝缘（使用DBC陶瓷基板）、器件保护（通过封装材料）和热管理（通过底部）。这种典型的封装结构用于目前制造的绝大多数电源模块[14]。传统的封装方法已经通过了严格的功率循环测试（2000万次无故障循环），并通过了JEDEC标准认证[15]。传统的封装工艺可以使用现有的设备进行，不需要额外开发投资设备。传统的功率模块封装由七个基本元素组成，即功率半导体芯片、绝缘基板、底板、粘合材料、功率互连、封装剂和塑料外壳，如图1.2所示。模块中的这些元素由不同的材料组成，从绝缘体、导体、半导体到有机物和无机物。由于这些不同的材料牢固地结合在一起，为每个元素选择适当的材料以形成一个坚固的封装是至关重要的。在本节中，将讨论七个基本元素中每个元素的作用和流行的选择以及它们的组装过程。图1.2标准功率模块结构的横截面功率半导体是功率模块中的重要元素，通过执行电气开/关开关将功率从源头转换到负载。标准功率模块中最常用的器件类型是MOSFETs、IGBTs、二极管和晶闸管。绝缘衬底在半导体元件和终端之间提供电气传导，与其他金属部件（如底板和散热器）进行电气隔离，并对元件产生的热量进行散热。直接键合铜（DBC）基材在传统的电源模块中被用作绝缘基材，因为它们具有优良的性能，不仅能满足电气和热的要求，而且还具有机械可靠性。在各种候选材料中，夹在两层铜之间的陶瓷层的流行材料是Al2O3，AlN，Si2N4和BeO。接合材料的主要功能是通过连接每个部件，在半导体、导体导线、端子、基材和电源模块的底板之间提供机械、热和电的联系。由于其与电子组装环境的兼容性，SnPb和SnAgCu作为焊料合金是最常用的芯片和基片连接材料。在选择用于功率模块的焊料合金时，需要注意的重要特征是：与使用温度有关的熔化温度，与功率芯片的金属化、绝缘衬底和底板的兼容性，高机械强度，低弹性模量，高抗蠕变性和高抗疲劳性，高导热性，匹配的热膨胀系数（CTE），成本和环境影响。底板的主要作用是为绝缘基板提供机械支持。它还从绝缘基板上吸收热量并将其传递给冷却系统。高导热性和低CTE（与绝缘基板相匹配）是对底板的重要特性要求。广泛使用的底板材料是Cu，AlSiC，CuMoCu和CuW。导线键合的主要作用是在模块的功率半导体、导体线路和输入/输出终端之间进行电气连接。器件的顶面连接最常用的材料是铝线。对于额定功率较高的功率模块，重铝线键合或带状键合用于连接功率器件的顶面和陶瓷基板的金属化，这样可以降低电阻和增强热能力。封装剂的主要目的是保护半导体设备和电线组装的组件免受恶劣环境条件的影响，如潮湿、化学品和气体。此外，封装剂不仅在电线和元件之间提供电绝缘，以抵御电压水平的提高，而且还可以作为一种热传播媒介。在电源模块中作为封装剂使用的材料有硅凝胶、硅胶、聚腊烯、丙烯酸、聚氨酯和环氧树脂。塑料外壳（包括盖子）可以保护模块免受机械冲击和环境影响。因为即使电源芯片和电线被嵌入到封装材料中，它们仍然可能因处理不当而被打破或损坏。同时外壳还能机械地支撑端子，并在端子之间提供隔离距离。热固性烯烃（DAP）、热固性环氧树脂和含有玻璃填料的热塑性聚酯（PBT）是塑料外壳的最佳选择。传统电源模块的制造过程开始于使用回流炉在准备好的DBC基片上焊接电源芯片。然后，许多这些附有模具的DBC基板也使用回流焊工艺焊接到一个底板上。在同一块底板上，用胶水或螺丝钉把装有端子的塑料外壳连接起来。然后，正如前面所讨论的那样，通过使用铝线进行电线连接，实现电源芯片的顶部、DBC的金属化和端子之间的连接。最后，用分配器将封装材料沉积在元件的顶部，并在高温下固化。前面所描述的结构、材料和一系列工艺被认为是功率模块封装技术的标准，在目前的实践中仍被广泛使用。尽管对新型封装方法的需求一直在持续，但技术变革或采用是渐进的。这种对新技术的缓慢接受可以用以下原因来解释。首先，人们对与新技术的制造有关的可靠性和可重复性与新制造工艺的结合表示担忧，这需要时间来解决。因此，考虑到及时的市场供应，模块制造商选择继续使用成熟的、广为人知的传统功率模块封装技术。第二个原因是传统电源模块的成本效益。由于传统电源模块的制造基础设施与其他电子器件封装环境兼容，因此不需要与开发新材料和设备有关的额外成本，这就大大降低了工艺成本。尽管有这些理由坚持使用标准的封装方法，但随着半导体趋势从硅基器件向碳化硅基器件的转变，它正显示出局限性并面临着根本性的挑战。使用SiC器件的最重要的优势之一是能够在高开关频率下工作。在功率转换器中推动更高的频率背后的主要机制是最大限度地减少整个系统的尺寸，并通过更高的开关频率带来的显著的无源尺寸减少来提高功率密度。然而，由于与高开关频率相关的损耗，大功率电子设备中基于硅的器件的开关频率通常被限制在几千赫兹。图1.3中给出的一个例子显示，随着频率的增加，使用Si-IGBT的功率转换器的效率下降，在20kHz时已经下降到73%。另一方面，在相同的频率下，SiC MOSFET的效率保持高达92%。从这个例子中可以看出，硅基器件在高频运行中显示出局限性，而SiC元件能够在更高频率下运行时处理高能量水平。尽管SiC器件在开关性能上优于Si器件对应产品，但如果要充分利用其快速开关的优势，还需要考虑到一些特殊的因素。快速开关的瞬态效应会导致器件和封装内部的电磁寄生效应，这正成为SiC功率模块作为高性能开关应用的最大障碍。图1.3 Si和SiC转换器在全额定功率和不同开关频率下的效率图1.4给出了一个半桥功率模块的电路原理图，该模块由高低两侧的开关和二极管对组成，如图1.4所示，其中有一组最关键的寄生电感，即主开关回路杂散电感(Lswitch)、栅极回路电感(Lgate)和公共源电感(Lsource)。主开关回路杂散电感同时存在于外部电源电路和内部封装互连中，而外部杂散电感对开关性能的影响可以通过去耦电容来消除。主开关回路杂散电感(Lswitch)是由直流+总线、续流二极管、MOSFET(或IGBT)和直流总线终端之间的等效串联电感构成的。它负责电压过冲，在关断期间由于电流下降而对器件造成严重的压力，负反馈干扰充电和向栅极源放电的电流而造成较慢的di/dt的开关损失，杂散电感和半导体器件的输出电容的共振而造成开关波形的振荡增加，从而导致EMI发射增加。栅极环路电感(Lgate)由栅极电流路径形成，即从驱动板到器件的栅极接触垫，以及器件的源极到驱动板的连接。它通过造成栅极-源极电压积累的延迟而降低了可实现的最大开关频率。它还与器件的栅极-源极电容发生共振，导致栅极信号的震荡。结果就是当我们并联多个功率芯片模块时，如果每个栅极环路的寄生电感不相同或者对称，那么在开关瞬间将产生电流失衡。共源电感(Lsource)来自主开关回路和栅极回路电感之间的耦合。当打开和关闭功率器件时，di/dt和这个电感上的电压在栅极电路中作为额外的（通常是相反的）电压源，导致di/dt的斜率下降，扭曲了栅极信号，并限制了开关速度。此外，共源电感可能会导致错误的触发事件，这可能会通过在错误的时间打开器件而损坏器件。这些寄生电感的影响在快速开关SiC器件中变得更加严重。在SiC器件的开关瞬态过程中会产生非常高的漏极电流斜率di/dt，而前面讨论的寄生电感的电压尖峰和下降也明显大于Si器件的。寄生电感的这些不良影响导致了开关能量损失的增加和可达到的最大开关频率的降低。开关瞬态的问题不仅来自于电流斜率di/dt，也来自于电压斜率dv/dt。这个dv/dt导致位移电流通过封装的寄生电容，也就是芯片和冷却系统之间的电容。图1.5显示了半桥模块和散热器之间存在的寄生电容的简化图。这种不需要的电流会导致对变频器供电的电机的可靠性产生不利影响。例如，汽车应用中由放电加工(EDM)引起的电机轴承缺陷会产生很大的噪声电流。在传统的硅基器件中，由于dv/dt较低，约为3 kV/µs，因此流经寄生电容的电流通常忽略不记。然而，SiC器件的dv/dt比Si器件的dv/dt高一个数量级，最高可达50 kV/µs，使通过封装电容的电流不再可以忽略。对Si和SiC器件产生的电磁干扰(EMI)的比较研究表明，由于SiC器件的快速开关速度，传导和辐射的EMI随着SiC器件的使用而增加。除了通过封装进入冷却系统的电流外，电容寄也会减缓电压瞬变，在开关期间产生过电流尖峰，并通过与寄生电感形成谐振电路而增加EMI发射，这是我们不希望看到的。未来的功率模块封装应考虑到SiC封装中的寄生和高频瞬变所带来的所有复杂问题和挑战。解决这些问题的主要封装级需要做到以下几点。第一，主开关回路的电感需要通过新的互连技术来最小化，以取代冗长的线束，并通过优化布局设计，使功率器件接近。第二，由于制造上的不兼容性和安全问题，栅极驱动电路通常被组装在与功率模块分开的基板上。应通过将栅极驱动电路与功率模块尽可能地接近使栅极环路电感最小化。另外，在平行芯片的情况下，布局应该是对称的，以避免电流不平衡。第三，需要通过将栅极环路电流与主开关环路电流分开来避免共源电感带来的问题。这可以通过提供一个额外的引脚来实现，例如开尔文源连接。第四，应通过减少输出端和接地散热器的电容耦合来减轻寄生电容中流动的电流，比如避免交流电位的金属痕迹的几何重叠。图1.4半桥模块的电路原理图。三个主要的寄生电感表示为Lswitch、Lgate和Lsource。图1.5半桥模块的电路原理图。封装和散热器之间有寄生电容。尽管目前的功率器件具有优良的功率转换效率，但在运行的功率模块中，这些器件产生的热量是不可避免的。功率器件的开关和传导损失在器件周围以及从芯片到冷却剂的整个热路径上产生高度集中的热通量密度。这种热通量导致功率器件的性能下降，以及器件和封装的热诱导可靠性问题。在这个从Si基器件向SiC基器件过渡的时期，功率模块封装面临着前所未有的散热挑战。图1.6根据额定电压和热阻计算出所需的总芯片面积在相同的电压和电流等级下，SiC器件的尺寸可以比Si器件小得多，这为更紧凑的功率模块设计提供了机会。根据芯片的热阻表达式，芯片尺寸的缩小，例如芯片边缘的长度，会导致热阻的二次方增加。这意味着SiC功率器件的模块化封装需要特别注意散热和冷却。图1.6展示了计算出所需的总芯片面积减少，这与芯片到冷却剂的热阻减少有关。换句话说，随着芯片面积的减少，SiC器件所需的热阻需要提高。然而，即使结合最先进的冷却策略，如直接冷却的冷板与针状翅片结构，假设应用一个70kVA的逆变器，基于DBC和线束的标准功率模块封装的单位面积热阻值通常在0.3至0.4 Kcm2/W之间。为了满足研究中预测的未来功率模块的性能和成本目标，该值需要低于0.2 Kcm2/W，这只能通过创新方法实现，比如双面冷却法。同时，小的芯片面积也使其难以放置足够数量的线束，这不仅限制了电流处理能力，也限制了热电容。以前对标准功率模块封装的热改进大多集中在稳态热阻上，这可能不能很好地代表开关功率模块的瞬态热行为。由于预计SiC器件具有快速功率脉冲的极其集中的热通量密度，因此不仅需要降低热阻，还需要改善热容量，以尽量减少这些快速脉冲导致的峰值温度上升。在未来的功率模块封装中，应解决因采用SiC器件而产生的热挑战。以下是未来SiC封装在散热方面应考虑的一些要求。第一，为了降低热阻，需要减少或消除热路中的一些封装层；第二，散热也需要从芯片的顶部完成以使模块的热阻达到极低水平，这可能需要改变互连方法，比如采用更大面积的接头；第三，封装层接口处的先进材料将有助于降低封装的热阻。例如，用于芯片连接和热扩散器的材料可以分别用更高的导热性接头和碳基复合材料代替。第四，喷射撞击、喷雾和微通道等先进的冷却方法可以用来提高散热能力。SiC器件有可能被用于预期温度范围极广的航空航天应用中。例如用于月球或火星任务的电子器件需要分别在-180℃至125℃和-120℃至85℃的广泛环境温度循环中生存。由于这些空间探索中的大多数电子器件都是基于类似地球的环境进行封装的，因此它们被保存在暖箱中，以保持它们在极低温度下的运行。由于SiC器件正在评估这些条件，因此需要开发与这些恶劣环境兼容的封装技术，而无需使用暖箱。与低温有关的最大挑战之一是热循环引起的大的CTE失配对芯片连接界面造成的巨大压力。另外，在室温下具有柔性和顺应性的材料，如硅凝胶，在-180℃时可能变得僵硬，在封装内产生巨大的应力水平。因此，SiC封装在航空应用中的未来方向首先是开发和评估与芯片的CTE密切匹配的基材，以尽量减少应力。其次，另一个方向应该是开发在极低温度下保持可塑性的芯片连接材料。在最近的研究活动中，在-180℃-125℃的极端温度范围内，对分别作为基材和芯片附件的SiN和Indium焊料的性能进行了评估和表征。为进一步推动我国能源战略的实施，提高我国在新能源领域技术、装备的国际竞争力，实现高可靠性碳化硅 MOSFET 器件中试生产技术研究，研制出满足移动储能变流器应用的多芯片并联大功率MOSFET 器件。本研究将通过寄生参数提取、建模、仿真及测试方式研究 DBC 布局、多栅极电阻等方式对芯片寄生电感与均流特性的影响，进一步提高我国碳化硅器件封装及测试能力。2. SiC MOSFET功率模块设计技术2.1 模块设计技术介绍在MOSFET模块设计中引入软件仿真环节，利用三维电磁仿真软件、三维温度场仿真软件、三维应力场仿真软件、寄生参数提取软件和变流系统仿真软件，对MOSFET模块设计中关注的电磁场分布、热分布、应力分布、均流特性、开关特性、引线寄生参数对模块电特性影响等问题进行仿真，减小研发周期、降低设计研发成本，保证设计的产品具备优良性能。在仿真基础上，结合项目团队多年从事电力电子器件设计所积累的经验，解决高压大功率MOSFET模块设计中存在的多片MOSFET芯片和FRD芯片的匹配与均流、DBC版图的设计与芯片排布设计、电极结构设计、MOSFET模块结构设计等一系列难题，最终完成模块产品的设计。高压大功率MOSFET模块设计流程如下：图2.1高压大功率MOSFET模块设计流程在MOSFET模块设计中，需要综合考虑很多问题，例如：散热问题、均流问题、场耦合问题、MOSFET模块结构优化设计问题等等。MOSFET芯片体积小，热流密度可以达到100W/cm2~250W/cm2。同时，基于硅基的MOSFET芯片最高工作温度为175℃左右。据统计，由于高温导致的失效占电力电子芯片所有失效类型的50%以上。随电力电子器件设备集成度和环境集成度的逐渐增加，MOSFET模块的最高温升限值急剧下降。因此，MOSFET模块的三维温度场仿真技术是高效率高功率密度MOSFET模块设计开发的首要问题。模块散热能力与众多因素有关：MOSFET模块所用材料的物理和化学性质、MOSFET芯片的布局、贴片的质量、焊接的工艺水平等。如果贴片质量差，有效散热面积小，芯片与DBC之间的热阻大，在模块运行时易造成模块局部过热而损坏。另外，芯片的排布对热分布影响也很大。下图4.2是采用有限元软件对模块内部的温度场进行分析的结果：图2.2 MOSFET模块散热分布分析在完成结构设计和材料选取后，采用ANSYS软件的热分析模块ICEPAK，建立包括铜基板、DBC、MOSFET芯片、二极管芯片以及包括铝质键合引线在内的相对完整的数值模拟模型。模拟实际工作条件，施加相应的载荷，得到MOSFET的温度场分布，根据温度场分布再对MOSFET内部结构和材料进行调整，直至达到设计要求范围内的最优。2.2 材料数据库对一个完整的焊接式MOSFET模块而言，从上往下为一个 8层结构：绝缘盖板、密封胶、键合、半导体芯片层、焊接层 1、DBC、焊接层 2、金属底板。MOSFET模块所涉及的主要材料可分为以下几种类型：导体、绝缘体、半导体、有机物和无机物。MOSFET模块的电、热、机械等性能与材料本身的电导率、热导率、热膨胀系数、介电常数、机械强度等密切相关。材料的选型非常重要，为此有必要建立起常用的材料库。2.3 芯片的仿真模型库所涉及的MOSFET芯片有多种规格，包括：1700V 75A/100A/125A；2500V/50A；3300V/50A/62.5A；600V/100A；1200V/100A；4500V/42A；6500V/32A。为便于合理地进行芯片选型（确定芯片规格及其数量），精确分析多芯片并联时的均流性能，首先为上述芯片建立等效电路模型。在此基础上，针对实际电力电子系统中的滤波器、电缆和电机负载模型，搭建一个系统及的仿真平台，从而对整个系统的电气性能进行分析预估。2.4 MOSFET模块的热管理MOSFET模块是一个含不同材料的密集封装的多层结构，其热流密度达到100W/cm2--250W/cm2，模块能长期安全可靠运行的首要因素是良好的散热能力。散热能力与众多因素有关：MOSFET模块所用材料的物理和化学性质、MOSFET芯片的布局、贴片的质量、焊接的工艺水平等。如果贴片质量差，有效散热面积小，芯片与DBC之间的热阻大，在模块运行时易造成模块局部过热而损坏。芯片可靠散热的另一重要因素是键合的长度和位置。假设散热底板的温度分布均匀，而每个MOSFET芯片对底板的热阻有差异，导致在相同工况时，每个MOSFET芯片的结温不同。下图是采用有限元软件对模块内部的温度场进行分析的结果。图2.3MOSFET模块热分布在模块完成封装后，采用FLOTHERM软件的热分析模块，建立包括铜基板、DBC、MOSFET芯片、二极管芯片以及包括铝质键合引线在内的相对完整的数值模拟模型。模拟实际工作条件，施加相应的载荷，得到MOSFET的温度场分布的数值解，为MOSFET温度场分布的测试提供一定的依据。2.5. 芯片布局与杂散参数提取根据MOSFET模块不同的电压和电流等级，MOSFET模块所使用芯片的规格不同，芯片之间的连接方式也不同。因此，详细的布局设计放在项目实施阶段去完成。对中低压MOSFET模块和高压MOSFET模块，布局阶段考虑的因素会有所不同，具体体现在DBC与散热底板之间的绝缘、DBC上铜线迹之间的绝缘以及键合之间的绝缘等。2.6 芯片互联的杂散参数提取MOSFET芯片并联应用时的电流分配不均衡主要有两种：静态电流不均衡和动态电流不均衡。静态电流不均衡主要由器件的饱和压降VCE（sat）不一致所引起；而动态电流不均衡则是由于器件的开关时间不同步引起的。此外，栅极驱动、电路的布局以及并联模块的温度等因素也会影响开关时刻的动态均流。回路寄生电感特别是射极引线电感的不同将会使器件开关时刻不同步；驱动电路输出阻抗的不一致将引起充放电时间不同；驱动电路的回路引线电感可能引起寄生振荡；以及温度不平衡会影响到并联器件动态均流。2.7 模块设计专家知识库通过不同规格MOSFET模块的设计－生产－测试－改进设计等一系列过程，可以获得丰富的设计经验，并对其进行归纳总结，提出任意一种电压电流等级的MOSFET模块的设计思路，形成具有自主知识产权的高压大功率MOSFET模块的系统化设计知识库。3. SiCMOSFET封装工艺3.1 封装常见工艺MOSFET模块封装工艺主要包括焊接工艺、键合工艺、外壳安装工艺、灌封工艺及测试等。3.1.1 焊接工艺焊接工艺在特定的环境下，使用焊料，通过加热和加压，使芯片与DBC基板、DBC基板与底板、DBC基板与电极达到结合的方法。目前国际上采用的是真空焊接技术，保证了芯片焊接的低空洞率。焊接要求焊接面沾润好，空洞率小，焊层均匀，焊接牢固。通常情况下．影响焊接质量的最主要因素是焊接“空洞”，产生焊接空洞的原因，一是焊接过程中，铅锡焊膏中助焊剂因升温蒸发或铅锡焊片熔化过程中包裹的气泡所造成的焊接空洞，真空环境可使空洞内部和焊接面外部形成高压差，压差能够克服焊料粘度，释放空洞。二是焊接面的不良加湿所造成的焊接空洞，一般情况下是由于被焊接面有轻微的氧化造成的，这包括了由于材料保管的不当造成的部件氧化和焊接过程中高温造成的氧化，即使真空技术也不能完全消除其影响。在焊接过程中适量的加人氨气或富含氢气的助焊气体可有效地去除氧化层，使被焊接面有良好的浸润性．加湿良好。“真空+气体保护”焊接工艺就是基于上述原理研究出来的，经过多年的研究改进，已成为高功率，大电流，多芯片的功率模块封装的最佳焊接工艺。虽然干式焊接工艺的焊接质量较高，但其对工艺条件的要求也较高，例如工艺设备条件，工艺环境的洁净程度，工艺气体的纯度．芯片，DBC基片等焊接表面的应无沾污和氧化情况．焊接过程中的压力大小及均匀性等。要根据实际需要和现场条件来选择合适的焊接工艺。3.1.2 键合工艺引线键合是当前最重要的微电子封装技术之一，目前90％以上的芯片均采用这种技术进行封装。超声键合原理是在超声能控制下，将芯片金属镀层和焊线表面的原子激活，同时产生塑性变形，芯片的金属镀层与焊线表面达到原子间的引力范围而形成焊接点，使得焊线与芯片金属镀层表面紧密接触。按照原理的不同，引线键合可以分为热压键合、超声键合和热压超声键合3种方式。根据键合点形状，又可分为球形键合和楔形键合。在功率器件及模块中，最常见的功率互连方法是引线键合法，大功率MOSFET模块采用了超声引线键合法对MOSFET芯片及FRD芯片进行互连。由于需要承载大电流，故采用楔形劈刀将粗铝线键合到芯片表面或DBC铜层表面，这种方法也称超声楔键合。外壳安装工艺：功率模块的封装外壳是根据其所用的不同材料和品种结构形式来研发的，常用散热性好的金属封装外壳、塑料封装外壳，按最终产品的电性能、热性能、应用场合、成本，设计选定其总体布局、封装形式、结构尺寸、材料及生产工艺。功率模块内部结构设计、布局与布线、热设计、分布电感量的控制、装配模具、可靠性试验工程、质量保证体系等的彼此和谐发展，促进封装技术更好地满足功率半导体器件的模块化和系统集成化的需求。外壳安装是通过特定的工艺过程完成外壳、顶盖与底板结构的固定连接，形成密闭空间。作用是提供模块机械支撑，保护模块内部组件，防止灌封材料外溢，保证绝缘能力。外壳、顶盖要求机械强度和绝缘强度高，耐高温，不易变形，防潮湿、防腐蚀等。3.1.3 灌封工艺灌封工艺用特定的灌封材料填充模块，将模块内组件与外部环境进行隔离保护。其作用是避免模块内部组件直接暴露于环境中，提高组件间的绝缘，提升抗冲击、振动能力。灌封材料要求化学特性稳定，无腐蚀，具有绝缘和散热能力，膨胀系数和收缩率小，粘度低，流动性好，灌封时容易达到模块内的各个缝隙，可将模块内部元件严密地封装起来，固化后能吸收震动和抗冲击。3.1.4 模块测试MOSFET模块测试包括过程测试及产品测试。其中过程测试通过平面度测试仪、推拉力测试仪、硬度测试仪、X射线测试仪、超声波扫描测试仪等，对产品的入厂和过程质量进行控制。产品测试通过平面度测试仪、动静态测试仪、绝缘/局部放电测试仪、高温阻断试验、栅极偏置试验、高低温循环试验、湿热试验，栅极电荷试验等进行例行和型式试验，确保模块的高可靠性。3.2 封装要求本项目的SiC MOSFET功率模块封装材料要求如下：（1）焊料选用需要可靠性要求和热阻要求。（2）外壳采用PBT材料，端子裸露部分表面镀镍或镀金。（3）内引线采用超声压接或铝丝键合（具体视装配图设计而定），功率芯片采用铝线键合。（4）灌封料满足可靠性要求，Tg150℃，能满足高低温存贮和温度循环等试验要求。（5）底板采用铜材料。（6）陶瓷覆铜板采用Si3N4材质。（7）镀层要求：需保证温度循环、盐雾、高压蒸煮等试验后满足外观要求。3.3 封装流程本模块采用既有模块进行封装，不对DBC结构进行调整。模块封装工艺流程如下图3.1所示。图3.1模块封装工艺流程（1）芯片CP测试：对芯片进行ICES、BVCES、IGES、VGETH等静态参数进行测试，将失效的芯片筛选出来，避免因芯片原因造成的封装浪费。（2）划片&划片清洗：将整片晶圆按芯片大小分割成单一的芯片，划片后可从晶圆上将芯片取下进行封装；划片后对金属颗粒进行清洗，保证芯片表面无污染，便于后续工艺操作。（3）丝网印刷：将焊接用的焊锡膏按照设计的图形涂敷在DBC基板上，使用丝网印刷机完成，通过工装钢网控制锡膏涂敷的图形。锡膏图形设计要充分考虑焊层厚度、焊接面积、焊接效果，经过验证后最终确定合适的图形。（4）芯片焊接：该步骤主要是完成芯片与 DBC 基板的焊接，采用相应的焊接工装，实现芯片、焊料和 DBC 基板的装配。使用真空焊接炉，采用真空焊接工艺，严格控制焊接炉的炉温、焊接气体环境、焊接时间、升降温速度等工艺技术参数，专用焊接工装完成焊接工艺，实现芯片、DBC 基板的无空洞焊接，要求芯片的焊接空洞率和焊接倾角在工艺标准内，芯片周围无焊球或堆焊，焊接质量稳定，一致性好。（5）助焊剂清洗：通过超声波清洗去除掉助焊剂。焊锡膏中一般加入助焊剂成分，在焊接过程中挥发并残留在焊层周围，因助焊剂表现为酸性，长期使用对焊层具有腐蚀性，影响焊接可靠性，因此需要将其清洗干净，保证产品焊接汉城自动气相清洗机采用全自动浸入式喷淋和汽相清洗相结合的方式进行子单元键合前清洗，去除芯片、DBC 表面的尘埃粒子、金属粒子、油渍、氧化物等有害杂质和污染物，保证子单元表面清洁。（6） X-RAY检测：芯片的焊接质量作为产品工艺控制的主要环节，直接影响着芯片的散热能力、功率损耗的大小以及键合的合格率。因此，使用 X-RAY 检测机对芯片焊接质量进行检查，通过调整产生 X 射线的电压值和电流值，对不同的焊接产品进行检查。要求 X 光检查后的芯片焊接空洞率工艺要求范围内。（7）芯片键合：通过键合铝线工艺，完成 DBC 和芯片的电气连接。使用铝线键合机完成芯片与 DBC 基板对应敷铜层之间的连接，从而实现芯片之间的并联和反并联。要求该工序结合芯片的厚度参数和表面金属层参数，通过调整键合压力，键合功率，键合时间等参数，并根据产品的绝缘要求和通流大小，设置合适的键合线弧高和间距，打线数量满足通流要求，保证子单元的键合质量。要求键合工艺参数设定合理、铝线键合质量牢固，键合弧度满足绝缘要求、键合点无脱落，满足键合铝线推拉力测试标准。（8）模块焊接：该工序实现子单元与电极、底板的二次焊接。首先进行子单元与电极、底板的焊接装配，使用真空焊接炉实现焊接，焊接过程中要求要求精确控制焊接设备的温度、真空度、气体浓度。焊接完成后要求子单元 DBC 基板和芯片无损伤、无焊料堆焊、电极焊脚之间无连焊虚焊、键合线无脱落或断裂等现象。（9）超声波检测：该工序通过超声波设备对模块 DBC 基板与底板之间的焊接质量进行检查，模块扫描后要求芯片、DBC 无损伤，焊接空洞率低于 5%。（10）外壳安装：使用涂胶设备进行模块外壳的涂胶，保证模块安装后的密封性，完成模块外壳的安装和紧固。安装后要求外壳安装方向正确，外壳与底板粘连处在灌封时不会出现硅凝胶渗漏现象。（11）端子键合&端子超声焊接：该工序通过键合铝线工艺，实现子单元与电极端子的电气连接，形成模块整体的电气拓扑结构；可以通过超声波焊接实现子单元与电极端子的连接，超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波焊接具有高机械强度，较低的热应力、焊接质量高等优点，使得焊接具有更好的可靠性，在功率模块产品中应用越来越广泛。（12）硅凝胶灌封&固化：使用自动注胶机进行硅凝胶的灌封，实现模块的绝缘耐压能力。胶体填充到指定位置，完成硅凝胶的固化。要求胶体固化充分，胶体配比准确，胶体内不含气泡、无分层或断裂纹。4. 极端条件下的可靠性测试4.1 单脉冲雪崩能量试验目的：考察的是器件在使用过程中被关断时承受负载电感能量的能力。试验原理：器件在使用时经常连接的负载是感性的，或者电路中不可避免的也会存在寄生电感。当器件关断时，电路中电流会突然下降，变化的电流会在感性负载上产生一个应变电压，这部分电压会叠加电源电压一起加载在器件上，使器件在瞬间承受一个陡增的电压，这个过程伴随着电流的下降。图4.1 a）的雪崩能量测试电路就是测试这种工况的，被测器件上的电流电压变化情况如图4.1 b）。图4.1 a)雪崩能量测试电路图；b)雪崩能量被测器件的电流电压特性示意图这个过程中，电感上储存的能量瞬时全部转移到器件上，可知电流刚开始下降时，电感储存的能量为1/2*ID2*L，所以器件承受的雪崩能量也就是电感包含的所有能量，为1/2*ID2*L。试验目标：在正向电流ID = 20A下，器件单脉冲雪崩能量EAS1J试验步骤：将器件放入测试台，给器件施加导通电流为20A。设置测试台电感参数使其不断增加，直至器件的单脉冲雪崩能量超过1J。通过/失效标准：可靠性试验完成后，按照下表所列的顺序测试（有些测试会对后续测试有影响），符合下表要求的可认为通过。测试项目通过条件IGSS USLIDSS or IDSX USLVGS(off) or VGS(th)LSL USLVDS(on) USLrDS(on) USL (仅针对MOSFET)USL: upper specification limit, 最高上限值LSL: lower specification limit, 最低下限值4.2 抗短路能力试验目的：把样品暴露在空气干燥的恒温环境中，突然使器件通过大电流，观测元器件在大电流大电压下于给定时间长度内承受大电流的能力。试验原理：当器件工作于实际高压电路中时，电路会出现误导通现象，导致在短时间内有高于额定电流数倍的电流通过器件，器件承受这种大电流的能力称为器件的抗短路能力。为了保护整个系统不受误导通情况的损坏，系统中会设置保护电路，在出现短路情况时迅速切断电路。但是保护电路的反应需要一定的时长，需要器件能够在该段时间内不发生损坏，因此器件的抗短路能力对整个系统的可靠性尤为重要。器件的抗短路能力测试有三种方式，分别对应的是器件在不同的初始条件下因为电路突发短路（比如负载失效）而接受大电流大电压时的反应。抗短路测试方式一，也称为“硬短路”，是指IGBT从关断状态（栅压为负）直接开启进入到抗短路测试中；抗短路测试方式二，是指器件在已经导通有正常电流通过的状态下（此时栅压为正，漏源电压为正但较低），进入到抗短路测试中；抗短路测试方式三是指器件处于栅电压已经开启但漏源电压为负（与器件反并联的二极管处于续流状态，所以此时器件的漏源电压由于续流二极管的钳位在-0.7eV左右，，栅压为正），进入到抗短路测试中。可知，器件的抗短路测试都是对应于器件因为电路的突发短路而要承受电路中的大电流和大电压，只是因为器件的初始状态不同而会有不同的反应。抗短路测试方法一电路如图4.2，将器件直接加载在电源两端，器件初始状态为关断，此时器件承受耐压。当给器件栅电极施加一个脉冲，器件开启，从耐压状态直接开始承受一个大电流及大电压，考量器件的“硬”耐短路能力。图4.2 抗短路测试方法一的测试电路图抗短路测试方法二及三的测试电路图如图4.2，图中L_load为实际电路中的负载电感，L_par为电路寄生电感，L_sc为开关S1配套的寄生电感。当进行第二种抗短路方法测试时，将L_load下端连接到上母线（Vdc正极），这样就使L_sc支路与L_load支路并联。初态时，S1断开，DUT开通，电流从L_load和DUT器件上通过，开始测试时，S1闭合，L_load瞬时被短路，电流沿着L_sc和DUT路线中流动，此时电流通路中仅包含L_sc和L_par杂散电感，因此会有大电流会通过DUT，考察DUT在导通状态时承受大电流的能力。当进行第三种抗短路方法测试时，维持图4.2结构不变，先开通IGBT2并保持DUT关断，此时电流从Vdc+沿着IGBT2、L_load、Vdc-回路流通，接着关断IGBT2，那么D1会自动给L_load续流，在此状态下开启DUT栅压，DUT器件处于栅压开启，但漏源电压被截止状态，然后再闭合S1，大电流会通过L_sc支路涌向DUT。在此电路中IGBT2支路的存在主要是给D1提供续流的电流。图4.3 抗短路测试方法二和方法三的测试电路图1） 抗短路测试方法一：图4.2中Vdc及C1大电容提供持续稳定的大电压，给测试器件DUT栅极施加一定时间长度的脉冲，在被试器件被开启的时间内，器件开通期间处于短路状态，且承受了较高的耐压。器件在不损坏的情况下能够承受的最长开启时间定义为器件的短路时长（Tsc），Tsc越大，抗短路能力越强。在整个短路时长器件，器件所承受的能量，为器件的短路能量（Esc）。器件的抗短路测试考察了器件瞬时同时承受高压、高电流的能力，也是一种器件的复合应力测试方式。图4.2测试电路中的Vdc=600V，C1、C2、C3根据器件的抗短路性能能力决定，C1的要求是维持Vdc的稳定，C1的要求是测试过程中释放给被测器件的电能不能使C1两端的电压下降过大（5%之内可接受）。C2，C3主要用于给器件提供高频、中频电流，不要求储存能量过大。对C2、C3的要求是能够降低被测器件开通关断时造成的漏源电压振幅即可。图4.4 抗短路能力测试方法一的测试结果波形图4.4给出了某款SiC平面MOSFET在290K下，逐渐增大栅极脉冲宽度（PW）的抗短路能力测试结果。首先需要注意的是在测试过程中，每测量一个脉冲宽度的短路波形，需要间隔足够长的时间，以消除前一次短路测试带来的器件温度上升对后一次测试的器件初始温度的影响，保证每次测试初始温度的准确。从图中可以看出，Id峰值出现在1 μs和2 μs之间，随着开通时间的增加，Id呈现出先增加后减小的时间变化趋势。Id的上升阶段，是因为器件开启时有大电流经过器件，在高压的共同作用下，器件温度迅速上升，因为此时MOSFET的沟道电阻是一个负温度系数，所以MOSFET沟道电阻减小，Id则上升，在该过程中电流上升的速度由漏极电压、寄生电感以及栅漏电容的充电速度所决定；随着大电流的持续作用，器件整体温度进一步上升，器件此时的导通电阻变成正温度系数，器件的整体电阻将随温度增加逐渐增大，这时器件Id将逐渐减小。所以，整个抗短路能力测试期间，Id先增加后下降。此外，测试发现，当脉冲宽度增加到一定程度，Id在关断下降沿出现拖尾，即器件关断后漏极电流仍需要一定的时间才能恢复到0A。在研究中发现当Id拖尾到达约12A左右之后，进一步增大脉冲宽度，器件将损坏，并伴随器件封装爆裂。所以针对这款器件的抗短路测试，定义Tsc为器件关断时漏极电流下降沿拖尾到达10A时的脉冲时间长度。Tsc越长，代表器件的抗短路能力越强。测试发现，低温有助于器件抗短路能力的提升，原因是因为，低的初始温度意味着需要更多的时间才能使器件达到Id峰值。仿真发现，器件抗短路测试失效模式主要有两种：1、器件承受高压大电流的过程中，局部高温引起漏电流增加，触发了器件内部寄生BJT闩锁效应，栅极失去对沟道电流的控制能力，器件内部电流局部集中发生热失效，此时的表现主要是器件的Id电流突然上升，器件失效；2、器件温度缓慢上升时，导致器件内部材料性能恶化，比如栅极电极或者SiO2/Si界面处性能失效，主要表现为器件测试过程中Vgs陡降，此时，器件的Vds若未发生进一步损坏仍能承受耐压，只是器件Vgs耐压能力丧失。上述两种失效模式都是由于温度上升引起，所以要提升器件的抗短路能力就是要控制器件内部温度上升。仿真发现导通时最高温区域主要集中于高电流密度区域（沟道部分）及高电场区域（栅氧底部漂移区）。因此，要提升器件的抗短路能力，要着重从器件的沟道及栅氧下方漂移区的优化入手，降低电场峰值及电流密度，此外改善栅氧的质量将起到决定性的作用。2） 抗短路测试方法二：图4.5 抗短路能力测试方法二的测试结果波形如图4.5，抗短路测试方法二的测试过程中DUT器件会经历三个阶段：（1）漏源电压Vds低，Id电流上升：当负载被短路时，大电流涌向DUT器件，此时电路中仅包含L_sc和L_par杂散电感，DUT漏源电压较低，Vdc电压主要分布在杂散电感上，所以Id电流以di/dt=Vdc/（L_sc+L_par）的斜率开始上升。随着Id增加，因为DUT器件的漏源之间的寄生电容Cgd，会带动栅压上升，此时更加促进Id电流的增加，形成一个正循环，Id急剧上升。（2）Id上升变缓然后开始降低，漏源电压Vds上升：Id上升过程中，Vds漏源电压开始增加，导致Vdc分压到杂散电感上的电压降低，导致电流上升率di/dt减小，Id上升变缓，当越过Id峰值后，Id开始下降，-di/dt使杂散电感产生一个感应电压叠加在Vds上导致Vds出现一个峰值。Vds峰值在Id峰值之后。（3）Id、Vds下降并恢复：Id，Vds均下降恢复到抗短路测试一的高压高电流应力状态。综上所述，抗短路测试方法一的条件比方法一的更为严厉和苛刻。3） 抗短路测试方法三：图4.6 抗短路能力测试方法二的测试结果波形如图4.6，抗短路测试方法三的波形与方法二的波形几乎一致，仅仅是在Vds电压上升初期有一个小的电压峰（如图4.6中红圈），这是与器件发生抗短路时的初始状态相关的。因为方法三中器件初始状态出于栅压开启，Vds为反偏的状态，所以器件内部载流子是耗尽的。此时若器件Vds转为正向开通则必然发生一个载流子充入的过程，引发一个小小的电压峰，这个电压峰值是远小于后面的短路电压峰值的。除此以外，器件的后续状态与抗短路测试方法二的一致。一般来说，在电机驱动应用中，开关管的占空比一般比续流二极管高，所以是二极管续流结束后才会开启开关管的栅压，这种情况下，只需要考虑仅开关管开通时的抗短路模式，则第二种抗短路模式的可能性更大。然而，当一辆机车从山上开车下来，电动机被用作发电机，能量从车送到电网。续流二极管的占空比比开关管会更高一点，这种操作模式下，如果负载在二极管续流且开关管栅压开启时发生短路，则会进行抗短路测试模式三的情况。改进抗短路失效模式二及三的方法，是通过给开关器件增加一个栅极前钳位电路，在Id上升通过Cgd带动栅极电位上升时，钳位电路钳住栅极电压，就不会使器件的Id上升陷入正反馈而避免电流的进一步上升。试验目标：常温下，令Vdc=600V，通过控制Vgs控制SiC MOSFET的开通时间，从2μs开通时间开始以1μs为间隔不断增加器件的开通时间，直至器件损坏，测试过程中保留测试曲线。需要注意的是，在测试过程中，每测量一个脉冲宽度的短路波形，需要间隔足够长的时间，以消除前一次短路测试带来的器件温度上升对后一次测试的器件初始温度的影响，保证每次测试初始温度的准确。试验步骤：搭建抗短路能力测试电路。将器件安装与测试电路中，保持栅压为0。通过驱动电路设置器件的开通时间，给器件一个t0=2μs时间的栅源脉冲电压，使器件开通t0时间，观察器件上的电流电压曲线，判断器件是否能够承受2μs的短路开通并不损坏；如未损坏，等待足够长时间以确保器件降温至常温状态，设置驱动电路使器件栅源电压单脉冲时间增加1us，再次开通，观察器件是否能够承受3μs的短路开通并不损坏。循环反复直至器件发生损坏。试验标准：器件被打坏前最后一次脉冲时间长度即为器件的短路时长Tsc。整个短路时长期间，器件所承受的能量为器件的短路能量Esc。4.3 浪涌试验目的：把样品暴露在空气干燥的恒温环境中，对器件施加半正弦正向高电流脉冲，使器件在瞬间发生损坏，观测元器件在高电流密度下的耐受能力。试验原理：下面以SiC二极管为例，给出了器件承受浪涌电流测试时的器件内部机理。器件在浪涌应力下的瞬态功率由流过器件的电流和器件两端的电压降的乘积所决定，电流和压降越高，器件功率耗散就越高。已知浪涌应力对器件施加的电流信号是固定的，因此导通压降越小的器件瞬态功率越低，器件承受浪涌的能力越强。当器件处于浪涌电流应力下，电压降主要由器件内部寄生的串联电阻承担，因此我们可以通过降低器件在施加浪涌电流瞬间的导通电阻，减小器件功率、提升抗浪涌能力。a）给出了4H-SiC二极管实际浪涌电流测试的曲线，图4.7 a）曲线中显示器件的导通电压随着浪涌电流的上升和下降呈现出“回滞”的现象。图4.7 a）二极管浪涌电流的实测曲线； b）浪涌时温度仿真曲线浪涌过程中，器件的瞬态 I-V 曲线在回扫过程中出现了电压回滞，且浪涌电流越高，器件在电流下降和上升过程中的压降差越大，该电压回滞越明显。当浪涌电流增加到某一临界值时，I-V 曲线在最高压降处出现了一个尖峰，曲线斜率突变，器件发生了失效和损坏。器件失效后，瞬态 I-V 曲线在最高电流处出现突然增加的毛刺现象，电压回滞也减小。引起SiC JBS二极管瞬态 I-V 曲线回滞的原因是，在施加浪涌电流的过程中，SiC JBS 二极管的瞬态功率增加，但散热能力有限，所以浪涌过程中器件结温增加，SiC JBS 二极管压降也发生了变化，产生了回滞现象。在每次对器件施加浪涌电流过程中，随着电流的增加，器件的肖特基界面的结温会增加，当电流降低接近于0时结温才逐渐回落。在浪涌电流导通的过程中，结温是在积累的。由于电流上升和下降过程中的结温的差异，导致了器件在电流下降过程的导通电阻高于电流在上升过程中导通电阻。这使得电流下降过程 I-V 曲线压降更大，从而产生了在瞬态 I-V 特性曲线电压回滞现象。浪涌电流越高，器件的肖特基界面处的结温越高，因此导通电阻就越大，而回滞现象也就越明显。为了分析器件在 40 A 以上浪涌电流下的瞬态 I-V 特性变化剧烈的原因，使用仿真软件模拟了肖特基界面处温度随电流大小的变化曲线，如图4.7 b)所示，在 40 A 以上浪涌电流下，结温随浪涌电流变化非常剧烈。器件在 40 A 浪涌电流下，最高结温只有 358 K。但是当浪涌电流增加到60 A 时，最高结温已达1119 K，这个温度足以对器件破坏表面的肖特基金属，引起器件失效。图4.7 b)中还可以得出，浪涌电流越高，结温升高的变化程度就越大，56 A 和 60 A 浪涌电流仅相差 4 A，最高结温就相差 543 K，最高结温的升高速度远比浪涌电流的增加速度快。结温的快速升高导致了器件的导通电阻迅速增大，正向压降快速增加。因此，电流上升和下降过程中，器件的导通压降会更快速地升高和下降，使曲线斜率发生了突变。器件结温随着浪涌电流的增大而急剧增大，是因为它们之间围绕着器件导通电阻形成了正反馈。在浪涌过程中，随着浪涌电流的升高，二极管的功率增加，产生的焦耳热增加，导致了结温上升；另一方面，结温上升，导致器件的导通电阻增大，压降进一步升高。导通电压升高，导致功率进一步增加，使得结温进一步升高。因此器件的结温和电压形成了正反馈，致使结温和压降的增加速度远比浪涌电流的增加速度快。当浪涌电流增加到某一临界值时，触发这个正反馈，器件就会发生失效和损坏。长时间的重复浪涌电流会在外延层中引起堆垛层错生长，浪涌电流导致的自热效应会引起顶层金属熔融，使得电极和芯片之间短路，还会导致导通压降退化和峰值电流退化，并破坏器件的反向阻断能力。金属Al失效是大多数情况下浪涌失效的主要原因，应该使用鲁棒性更高的材料替代金属Al，以改善SiC器件的高温特性。目前MOS器件中，都没有给出浪涌电流的指标。而二极管、晶闸管器件中有这项指标。如果需要了解本项目研发的MOSFET器件的浪涌能力，也可以搭建电路实现。但是存在的问题是，MOS器件的导通压降跟它被施加的栅压是相关的，栅压越大，导通电阻越低，耐浪涌能力越强。如何确定浪涌测试时应该给MOSFET施加的栅压，是一个需要仔细探讨的问题。试验目标：我们已知浪涌耐受能力与器件的导通压降有关，但目前无法得到明确的定量关系。考虑到目标器件也没有这类指标的参考，建议测试时，在给定栅压下（必须确保器件能导通），对器件从低到高依次施加脉冲宽度为10ms或8.3ms半正弦电流波，直到器件发生损坏。试验步骤：器件安装在测试台上后，器件栅极在给定栅压下保持开启状态。通过测试台将导通电流设置成10ms或8.3ms半正弦电流波，施加在器件漏源极间。逐次增加正弦波的上限值，直至器件被打坏。试验标准：器件被打坏前的最后一次通过的浪涌值即为本器件在特定栅压下的浪涌指标值。以上内容给出了本项目研发器件在复合应力及极端条件下的可靠性测试方法，通过这些方法都是来自于以往国际工程经验和鉴定意见，可以对被测器件的可靠性有一个恰当的评估。但是，上述方法都是对测试条件和测试原理的阐述，如何通过测试结果来评估器件的使用寿命，并搭建可靠性测试条件与可靠性寿命之间的桥梁，就得通过可靠性寿命评估模型来实现。

第五届先进高功率电池国际研讨会The 5 th International Conference on Advanced High Power Battery （CHPB-5）时间：2022年11月1-2日地点：中国.苏州主办单位中国化学与物理电源行业协会中国电子科技集团公司第十八研究所承办单位北京中联毅晖国际会展有限公司第一轮通知我们刚刚在苏州召开的第六届先进电池正负极材料国际论坛（ABCA-6）取得了圆满成功，在疫情不稳定的情况下，会议参加人数达到了800人！在此，我们向所有参会人员、演讲嘉宾以及赞助商表达衷心的感谢！ABCA-6是以纯电动汽车动力电池技术发展为主线的会议，主要涉及动力电池正负极材料创新研究与应用的新进展，以及材料产业链创建与发展。对于纯电动汽车而言，动力电池一般是高比能量设计，即具有高的能量密度，确保一次充电的行驶距离；具有长的循环寿命和日历寿命，确保电池总行驶里程超过数十万公里和至少10年以上的使用寿命。ABCA-6论坛充分展示了近年来动力电池关键正负极材料以及辅助材料（导电剂、粘合剂等）研究与应用的新进展，其在确保动力电池比能量、寿命等要求方面起到了越来越重要的作用。尤其是本届会议特邀加拿大著名教授、锂电池专家、美国Tesla公司首席顾问杰夫.丹做了专题演讲，他用大量实验结果阐明，采用合适工艺与配方、特别是电解质添加剂等的优化，使采用NMC三元正极材料的动力电池完全可以满足电动汽车总行驶里程100万公里和使用期数十年，乃至一个世纪的要求，为新能源汽车的可持续发展提供了重要技术支撑。从全球来看，预计到2025年，全球新能源汽车销量将达到1800万辆；到2030年，全球电动汽车销量预计达到3000万辆规模。从国内来看，2021年我国汽车销售量重新转为正增长，销量达到了2628万辆，增幅为3.8%，结束了调整期。按照每年3%至5%的增速预测，到2035年，我国汽车年销量有望达到目前的1.5至2倍，约为4500万辆，再叠加4倍的渗透率成长空间，预计到2035年时，新能源汽车销量有6至8倍的成长空间，发展前景非常广阔。尽管COVID-19疫情依然严重，但来自韩国市场研究机构SNE Research发布的报告显示，2022年1-6月，全球动力电池装机量高达202GWh，较去年的115GWh大幅提升75.65%。随着疫情控制加强，我国汽车产业正在恢复增长，其中新能源汽车稳定保持世界第一的位置。因此，实现由工业和信息化部指导、中国汽车工程学会组织行业1000余名专家历时一年半修订完成的《节能与新能源汽车路线图2.0》中设定的目标是可以期待的。其中到2025年，BEV和PHEV年销量占汽车总销量15%-25%；到2025年混合动力乘用车当年销量占比达到50-60%（平均油耗达到5.6L/100km）。这预示我国未来的动力电池市场会越来越大。2021年中国动力电池的投资已超过万亿，产能扩张到1000 GWh； 2025年中国动力电池出货量将进入TWh时代，产值进入万亿级别。行业研究机构统计显示，2022上半年全球新能源汽车销量约408.7万辆，同比增长65%，相应的全球动力电池装机量为196GWh，同比增长82%。其中，排名前十的电池企业合计约183GWh，占总装机量的94%。相对于我国快速发展的BEV和PHEV市场而言，我国混合动力（微混/轻混和中混/全混）汽车也迎来了快速发展的良好机遇，如珠海COSMX冠宇通过快充电池材料的研究，在持续降低电池容量设计的前提下，大幅提升了12V锂离子电池的功率特性，推出一款“ 小体积、轻量化且低成本的启停电池”，取代目前采用的铅酸电池。不久以前， 中国化学与物理电源行业协会发布了《48V微混锂离子电源系统》（T/CIAPS0019—2022）标准 ，该标准的实施将极大地推进12-48V低电压电池技术与产品在混动车辆上的发展与应用。除混合动力车辆领域的发展需求外，近年来我国在电动工具和无人机装备等领域成为产销大国，由此对高性能、低成本、长寿命、高安全性“先进功率型”电池提出了创新要求， 为行业持续大力推进“新型高功率电池技术发展与推广应用”提供了重要依据。前四届论坛取得了丰硕成果，2022 年将继续举办第五届“先进高功率电池国际研讨会”，在当前我国技术与市场需求持续发展的有力支撑下，在广泛听取了业界的意见和建议基础上，进一步拓展和深化了论坛的内容，具体如下四个方面。1、先进高功率电池体系向多元化或混合体系创新发展：包括由金属氢化物镍电池扩展至锌镍电池，由双层超级电容器扩展至混合型电容器，由铅酸电池扩展至锂离子电池、钠离子电池，以及其它全新的混合电源体系等（如铅酸/功率型锂离子电池，超级电容器/高比能量锂离子电池）。2、增加先进高功率电池材料和化学体系最新研究进展：现有高功率电池综合性能的进一步提升，离不开新型电极材料、其它关键材料和集成创新技术的支撑。本次会议将增加“新型功能性电解质材料，含新型溶剂、盐（含离子液体）、各种添加剂等”和“隔膜材料，如低阻抗隔膜、高热稳定性隔膜或创新性处理技术等”的创新研究与应用等。3、拓展先进高功率先进电池的技术探讨：混合动力用先进功率型电池，不仅关注大电流脉充放电，更关注“大电流脉冲充电（可获取高效率瞬时能量回收），如微混或轻混车辆中使用的48V电池，充电功率要求高于放电功率等；消费者对电池低温充放电性能要求越来越高。因此对电池提升快充电性能、低温大电流充放电的创新技术研究将予以特别交流安排。4、拓展高功率电池应用领域的技术探讨：本届会议将继续围绕微混、轻混和全混合动力汽车、电动工具、无人机、电网储能调频等及相关电池系统的技术需求、创新研究与应用进展开展探讨。一、主要内容1、微混/轻混车辆市场展望及低电压应用（48V以内）的电池技术创新，特别是12&48V新型电池技术进展：1）微混车/轻混车辆市场现状与发展趋势及其对12&48V电池技术创新的要求；2）12&48V高功率锂离子电池或钠离子电池创新技术与应用进展；3）先进铅酸电池的技术进展（包括12&48V铅酸电池）；4）其它可能的48V电池体系及技术进展（如氢镍、锌镍、超级电容器或混合电源等）；5）12&48V电池系统集成技术（包括电性能、安全、循环、环境适应性、可靠性等）；6）12&48V高功率电池的标准化进展；7）适合极端条件下（如-40℃或更低、+50℃或更高等）的高功率电池技术开发与应用等。2、混合动力车辆（中混/全混）市场展望及高电压应用（100-300V或更高）的先进电池及体系创新技术进展：1）混合动力车辆市场发展现状及趋势分析；2）功率型金属氢化物镍电池技术及其在混合动力车辆上的应用新进展；3）其它功率型电池（锂离子、钠离子、锌镍、铅碳、超级电容器、锂离子超级电容器及其混合电源体系等）技术发展及其在混合动力车辆上的应用新进展；4）功率型电池系统集成技术（包括电性能、安全、循环、环境适应性、可靠性等）；5）功率型电池的评价技术及相关标准等。3、电动工具市场趋势及其对功率型电池的新要求：1）电动工具市场（包括北美、欧洲、亚太、拉美等地区市场）发展现状及趋势分析；2）功率型电池技术（包括锂离子和锌镍等电池技术）进展；3）超大电流持续放电对功率型锂离子电池应用的新挑战；4）电动工具用锂离子电池的能量密度和功率密度的发展趋势；5）电动工具的使用工况与功率型电池和电池包（块）的技术指标要求与评价技术。4、无人机市场趋势及其对功率/能量兼顾型电池的新要求：1）无人机市场趋势分析，包括消费级、行业级和农用级等；2）锂离子电池提升能量密度的技术方案及发展规划；3）全（半）固态电池的技术方案及发展规划；4）电池极限低温环境下充放电能力的研究进展；5）电池极限高温环境下长循环寿命的研究进展等。5、电网储能调频市场趋势及其对功率型电池的新要求6、起吊设备市场趋势及其对功率型电池的新要求7、列车高牵引力市场趋势及其对功率/能量型电池的新要求8、先进高功率电池的关键材料技术创新与应用进展：1）先进高功率电池新型正负极材料的研究与应用进展；2）降低高功率电池内部阻抗的关键材料研究与应用进展，包括高导电率电解质，高导电电极添加剂如碳纳米管、科琴黑等，低电阻粘合剂，高导电集流体，高强度/低离子电阻薄型隔膜等的研究与应用等；3）先进高功率电池全新正负极材料体系研究与应用进展等。9、提升先进高功率电池在高充电倍率下的充电接受能力：1）各种先进高功率电池的充电性能比较；2）镍氢高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；3）锌镍高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；4）锂离子高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；5）超级电容器的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）；6）其它新型高功率电池的充电行为与性能提升研究进展（在宽广温度区间）等。二、会议会期与方式：以大会演讲方式进行，会议安排两天技术交流（关于设立分会场、看报告数量）。三、会议征文：1、大会报告遴选：采取邀请、推荐与投稿相结合，特别欢迎踊跃投稿；2、投稿或推荐安排；1）凡期望能够在本次会议上发表论文单位与个人，均可直接投稿或推荐演讲人及题目（包括推荐国外人员）；2）投稿时只需先交上题目与摘要（说明涉及的主要成果内涵，最长一页纸）；3）推荐演讲人时，请写明演讲人姓名、国家、主要从事研究内容以及详细联系方法（电子邮件地址）；3、推荐演讲人截止时间定于2022年9月25日；个人或单位投稿截止时间初定2022年10月10日。四、会议注册费：2022年10月25日前报名并交费：2800元/人2022年10月25日后报名及现场交费：3400元/人银行账号：单位名称：中国化学与物理电源行业协会地址：天津市滨海新区华苑产业区（环外）海泰华科七路6号开户行：中国银行天津西青支行开票注意事项：如果需要增值税专用发票，请提供单位名称、税号、地址、电话、开户行、账号。2022年11月后及现场交费的，增值税专用发票将于报到现场领取。正式注册代表享有：1、会议提供的资料及参会胸卡；2、会议茶歇提供的饮料及点心；3、会议提供的自助午餐；4、参加会议与讨论以及会议组织的活动；5、会后会议提供的总结报告 6、优惠的会议用房；7、会员单位代表参会可享受10%注册费优惠（仅限于2022年10月25日前报名并交费）。五、会议赞助：为了共同办好这次论坛，热烈欢迎各企业、科研院所,特别是大型电池/材料企业以及为电池/材料企业提供设备/仪器和服务的厂家赞助本次会议，并借此机会提高公司或单位的知名度。有关赞助事宜，请联系会议组委会。赞助商：本次会议设置总冠名、专场冠名、晚宴冠名、白金赞助商等赞助形式，赞助商根据不同的形式可分别享受到相应的权益。参展商：每个展位费用20000元（往届展商九折优惠），双开口展位23000元。包括2人的用餐、展台搭建、资料费用等。六、组委会联系方式：中国化学与物理电源行业协会E-mail:luhui@ciaps.org.cn北京中联毅晖国际会展有限公司E-mail:shaojie@sinobattery.com.cn中国化学与物理电源行业协会2022年8月30日

听用户真实评价，晓新品技术进展！【评新而论】第3期，主角是安科慧生的双源单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪（MEGREZ-A），曾荣获“3i奖-2022年度科学仪器行业优秀新品”。本次分享清华大学、万华集团以及南京土壤所共计3家知名单位的用户评价。 仪器新品区 点击询价双源单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪是一款新型的能量色散X射线荧光光谱仪，与传统能量色散XRF和波长色散XRF相比，是在光路上的一次全新创新，核心在于采用双曲面弯晶的单色化入射，消除X射线管出射谱中韧致辐射入射样品所产生的连续散射线背景干扰，由于聚焦激发，提升了硅漂移探测器（SDD）元素荧光接受立体角与强度，大幅提升XRF元素检测灵敏度。同时采用双光源激发能够实现从碳到铀的全元素检测，且各元素的检出限均可满足不同行业对主量元素及微量杂质元素的检测要求。具有样品处理简单、分析速度快、精度高、维护及运行成本低等特点，且性能优于同类产品，同时配备自动进样装置实现测试自动化，节省劳动力。一、创新点：1.1双源单色化聚焦激发技术双源单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪首先采用全聚焦型双曲面弯晶单色化技术，将X射线光管出射谱中靶材特征射线单色化衍射并聚焦到样品一点，大幅降低X射线管出射谱中连续散射线背景对样品元素谱的干扰，提升元素检测信噪比，弥补了传统能量色散X射线荧光光谱仪对待测元素灵敏度不足。其次，由于不同元素的激发能量（吸收限）不同，为达到最佳的荧光产额，采用双光源进行单色化照射待测样品，激发待测元素，从而进行全元素的定性和定量分析。1.2定量方法—基本参数法基本参数法(FP)是XRF定量分析的一项前沿技术，其通过对X射线荧光物理学明确的物理现象建立基本参数库和系列数学模型，经过大量计算直接得到样品中各元素的含量，解决了XRF基体效应、元素间吸收增强效应、谱线重叠干扰、探测器各种效应等对定量分析的复杂性和不确定性，实现欠缺标准样品情况下的样品元素定量分析。这弥补了经验系数法需要大量标准样品校正的缺陷。北京安科慧生研发的快速基本参数法（Fast FP2.0）不仅采用基本参数库，同时建立系列的数学模型，从而使得基本参数法提升到定量分析水平，在样品适应性、定量精度、扩展性等方面处于国际领先水平。二、功能介绍：2.1元素范围从碳到铀元素，且检出限低，灵敏度高。采用双源单色激发能量色散X射线荧光光谱仪元素检测范围扩展到C、N、O、F，检测精度优于大型的波长色散X射线荧光光谱仪。采用双光源单色化激发，降低背景连续谱干扰，降低元素检出限，比如超轻元素氧的检出限可达到0.2%，氟元素检出限低至0.05%；重金属镉、砷、铅等低至0.1mg/kg以下。谱图如下：图：双源单波长激发-能量色散X射线荧光光谱仪超轻元素谱图表1部分重金属检出限重金属元素铅镉汞砷铬镍锡铊检出限(mg/kg)0.070.030.10.060.20.10.10.08注：检测时间为300s2.2可实现在少标样甚至无标样的情况下进行定量分析。X射线荧光光谱仪因其样品无需消解等前处理，因此样品基体较为复杂，元素之间、基体与元素间、探测器效应等均对定量有影响。快速基本参数法采用基本参数库与数学模型结合来消除各种X射线荧光光谱法中的各种效应，从而对未知样品进行定量分析，如表所示。表1 标准值与FP计算值准确性对比样品名称Cr(mg/kg)Ni(mg/kg)Cu(mg/kg)标准值FP值相对误差标准值FP值相对误差标准值FP值相对误差GSD-2729.8±2.631.425%15.2±0.917.3114%916±699908%GSD-3270±6.776.59%28.1±1.728.672%25.7±1.330.0417%GSS-6048±354.6414%23±224.798%21±121.42%GSS-2462±263.432%24±125.56%28±130.389%ESS-157.261.958%29.630.94%20.924.7118%ESS-470.484.0619%32.837.0213%26.329.4912%续表1 标准值与FP计算值准确性对比样品名称As(mg/kg)Pb(mg/kg)Cd(mg/kg)标准值FP值相对误差标准值FP值相对误差标准值FP值相对误差GSD-2711±0.612.3913%22±0.623.015%0.36±0.030.32-11%GSD-3233.9±1.133.890%35.7±1.339.5611%0.38±0.040.347-9%GSS-6014.3±0.315.529%18.7±0.618.881%0.113±0.0050.098-13%GSS-2415.8±0.916.826%40±241.784%0.106±0.0070.092-13%ESS-110.712.8920%23.624.423%0.0830.06-28%ESS-411.413.8421%22.624.659%0.0830.07-16%2.3样品采用下照式，避免粉末样品污染X射线出射及入射窗口。2.4仪器结构紧凑，无需较大激发电压，光管功率最大仅为50W，运行及维护成本较低。相较于波长色散型X射线荧光光谱仪，光路紧凑，无需较大激发光源，因此运行维护成本较低。因为功率较小因此对样品的烧灼破坏较小，尤其针对空气滤膜等样品来说，样品损失较小，重复利用率较高。对于某些受热易挥发元素如硫、氯等元素，也是降低其损失性。2.5样品处理简单、检测速度快。检测元素样品一般仅需要15分钟左右。 评"新"而论区 用户单位1：清华大学应用领域：综合科研评论：由于学生研发项目较多，合成及研制的样品类型各种各样，样品基体组分复杂多样，没有任何相关标准物质，同时要求全元素的同时测定。双源单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪可快速定性出样品中的全部元素，同时在无标准物质标准曲线的情况下，达到准确定量效果，非常适合未知样品的准确定性和定量，对于科研人员非常友好。用户单位2：万华集团应用领域：锂电池评论：当前锂电池材料尤其是硅氧碳富集材料的准确定量分析非常复杂，且数据稳定性较差，采用双源单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪可以有效激发C、O、Si等超轻元素的特征X射线荧光峰，采用不同比例混合的硅氧富集材料进行无标定量，无标定量结果与理论值线性良好，测试实际样品测定值也与理论值相符合，为今后行业元素测定提供了新的思路和方法。用户单位3：南京土壤所应用领域：土壤检测评价：土壤中的全总量元素，尤其是Si、S等元素的测定，方法繁杂，要求技术人员操作技术非常高，且经验丰富，此外，测试周期较长，日常样品通量少，面对一百以上甚至上千的样品来说，检测任务非常繁重，而采用双源单波长激发能量色散X射线荧光光谱仪可同时对全总量元素及痕量重金属快速准确定量，同时仅需5~7个标准样品进行校正，可适应各类不同土壤类型，同时配备了自动进样系统，完全可胜任大批量工作。用户可从繁重的检测任务中解脱出来，投身更多的科研项目。“3i奖-2023年度科学仪器行业优秀新品”评选火热进行中！获奖结果将于ACCSI2024中国科学仪器发展年会现场揭晓并颁发证书。时间：4月17-19日地点：苏州狮山国际会议中心详情点击：https://www.instrument.com.cn/accsi/2024/index日常新品申报入口↓↓↓https://www.instrument.com.cn/Members/NewProduct/NewProduct关于：“3i奖—科学仪器行业优秀新品”仪器及检测3i奖，又名3i奖（创新innovative、互动interactive、整合integrative），是由信立方旗下网站：仪器信息网和我要测网联合举办的科学仪器及检验检测行业类奖项，是随着行业的发展需求，应运而生。从旗下第一个奖项优秀新品奖于2006年创办，3i奖为记录行业发展路上的熠熠星光，截至目前，已设置有12个常设奖项。“科学仪器行业优秀新品”作为3i奖中非常重要的一项，旨在将在中国仪器市场上推出的、创新性比较突出的国内外仪器产品全面、公正、客观地展现给广大的国内用户，同时，鼓励各仪器厂商积极创新、推出满足中国用户需求的仪器新品。“科学仪器行业优秀新品”评选活动已经成功举办了十七届。评选出的年度优秀新品受到越来越多仪器用户、国内外仪器厂商以及相关媒体的关注和重视。经过10余年的打造，该奖项已经成为国内外科学仪器行业最权威的奖项之一，获奖名单被多个政府部门采信，仪器信息网新品首发栏目也成为了国内外科学仪器厂商发布新品的首选平台 往期回顾 vol.01评"新"而论|达普Cytospark CSP高通量细胞筛选系统vol.02评"新"而论|Akoya PhenoCycler-Fusion单细胞原位空间组学分析平台

一个国际科学家联合小组设计了新的强大激光系统，该系统有上千个光纤激光(fiber lasers)的阵列组成，可以用来在实验室进行基础研究和更加广泛的应用，如质子治疗和原子核嬗变。 　　激光可以提供非常短暂的测量手段，可以精确到飞秒(10^-15)，瞬间释放的功率可以高达10^15瓦，是全球发电功率的上千倍。然而，阻碍高强度激光广泛应用的有两个方面：一是高强度激光通常每秒只能发出一个脉冲，而实际应用中则要求能提供上万次脉冲 二是高强度激光能量利用率非常低，输出的激光能量只是输入电能的很小一部分，大部分以热能的形式散发，在实际应用中要保持稳定的高功率输出是非常不经济的。 　　最新研发的这种&ldquo 光纤激光&rdquo 阵列不但能提供稳定的光脉冲，而且能量利用效率也大大提升。科学家可以利用它研制一种紧凑型粒子加速器(Compact accelerators)，可以在数厘米的距离上把粒子的能量提升到很高的水平，而传统的粒子加速器的加速距离则高达数公里。当今天的加速器体积做的越来越大，耗资越来越高的时候，这种用激光驱动的加速器会越来越受到青睐，或许新一代LHC会采用这种手段。 　　紧凑型加速器在医学领域也有很强的应用需求，可以用来对癌症病人进行质子治疗。在工业领域可以用来处理核反应堆生成的核废料，缩短放射性同位素的半衰期，从数十万年降低到几十年、甚至更短，大大减少了对环境的危害性。

【科学背景】弛豫铁电材料（RFE）是一类重要的介电材料，由于其高能量密度和优异的功率密度，广泛应用于能量存储和高功率电子系统中，因而成为研究热点。然而，现有RFE的能量密度普遍低于200 J/cm³ ，这限制了其在下一代能量存储设备中的应用潜力。当前，提升能量存储密度的主要挑战在于极化能力不足和击穿电场较低，导致其在实际应用中的可靠性受到影响。为了解决这一问题，7月11日，清华大学李敬锋教授，北京理工大学黄厚兵研究员和澳大利亚卧龙岗大学张树君教授合作在“Science”期刊上发表了题为“Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability”的最新文章。他们提出了通过化学异质性引入短程有序的极性纳米区域（PNRs）来增强RFE的性能。这一策略使得材料内部形成了极性簇，从而显著提升了可逆极化和击穿强度，进而实现了更高的能量存储能力。例如，Bi(Mg,Ti)O3-SrTiO3薄膜在这种设计理念的指导下，其能量密度达到了110 J/cm³ ，效率提升至80%。通过进一步优化PNRs的结构和分布，研究者们期望能够突破现有材料的性能瓶颈，推动RFE在能量存储领域的应用。【科学亮点】（1）实验首次实现了在弛豫铁电材料中应用分区极性泥状策略，成功得到具有独立极性簇的高性能Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-SrTiO3薄膜。这一创新设计显著提高了材料的能量存储密度和效率。（2）实验通过相场模拟指导，抑制非极性立方基质并引入高绝缘网络，从而形成了动态的泥状极性簇。这一过程显著增强了可逆极化和击穿强度，使得材料的能量存储密度（Ue）达到202 J/cm³ ，效率高达约79%。（3）研究还表明，形成短程有序的极性纳米区域（PNRs）有效降低了极化切换障碍，进而减少了剩余极化（Pr），实现了更高的可恢复极化（ΔP）。（4）尽管已有研究在PNR结构上取得进展，但通过缩小PNRs以形成极性簇的方式仍面临挑战。该方法虽然能降低Pr，却可能削弱局部极化，影响最大极化（Pm）和ΔP。【科学图文】图1：采用隔离极性IPS策略设计具有增强储能性能的RFEs。图2：研究了三种基于BMT-ST的RFE薄膜的极化、电气和储能性能。图3：三种基于BMT-ST的RFE薄膜的结构表征。图4：储能性能的可靠性、稳定性和可扩展性测量。【科学启迪】本文的研究为弛豫铁电材料的发展提供了重要价值，尤其是在能量存储领域。首先，通过引入分区极性泥状策略，成功实现了极性簇的独立化，这不仅提高了材料的能量存储密度，也展示了在设计新型介电材料时灵活性的重要性。这种创新的设计理念强调了化学异质性对材料性能的关键作用，为进一步探索极性纳米区域（PNRs）提供了新的思路。其次，实验中所采用的相场模拟方法，不仅为材料设计提供了科学依据，也展示了计算与实验相结合的重要性。这种方法论的应用为未来新材料的快速开发奠定了基础，尤其是在解决材料内部结构和性能关系时，能够提供深刻的洞见。此外，研究还指出了在提升材料性能时需解决的技术挑战，如极化开关障碍和绝缘性能的权衡。这一发现提醒我们，在追求高性能的同时，必须综合考虑材料的多种物理特性，以实现最佳的应用效果。最后，本文的成果不仅推动了高能量密度电容器的技术进步，也为未来在电力电子、智能电网及电动汽车等领域的应用开辟了新的可能性。这种跨学科的研究模式和思路，将进一步促进材料科学与工程技术的融合，为新一代能量存储系统的发展奠定坚实基础。文献信息：Liang Shu&dagger , Xiaoming Shi, Xin Zhang, Ziqi Yang, Wei Li, Yunpeng Ma, Yi-Xuan Liu, Lisha Liu, Yue-Yu-Shan Cheng, Liyu Wei, Qian Li, Houbing Huang, Shujun Zhang, Jing-Feng Li,&thinsp Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8721

经过多年的研发，几家供应商正在接近出货基于下一代宽带隙技术的功率半导体和其他产品。这些器件利用了新材料的特性，例如氮化铝、金刚石和氧化镓，它们还用于不同的结构，例如垂直氮化镓功率器件。但是，尽管其中许多技术拥有超过当今功率半导体器件的特性，但它们在从实验室转移到晶圆厂的过程中也将面临挑战。功率半导体通常是专用晶体管，在汽车、电源、太阳能和火车等高压应用中用作开关。这些设备允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。它们提高了效率并最大限度地减少了系统中的能量损失。多年来，功率半导体市场一直由使用传统硅材料的器件主导。硅基功率器件成熟且价格低廉，但它们也达到了理论极限。这就是为什么人们对使用宽带隙材料的设备产生浓厚兴趣的原因，这种材料可以超越当今硅基设备的性能。多年来，供应商一直在出货基于两种宽带隙技术——氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) 的功率半导体器件。使用 GaN 和 SiC 材料的功率器件比硅基器件更快、更高效。几家供应商一直在使用下一代宽带隙技术开发设备。这些材料，例如氮化铝、金刚石和氧化镓，都具有比 GaN 和 SiC 更大的带隙能量，这意味着它们可以在系统中承受更高的电压。今天，一些供应商正在运送使用氮化铝的专用 LED。其他人计划在 2022 年推出第一波围绕新材料制造的功率器件，但也存在一些挑战。所有这些技术都有各种缺点和制造问题。即使它们投入生产，这些设备也不会取代今天的功率半导体，无论是硅、GaN 还是 SiC。“它们提供了令人难以置信的高性能，但在晶圆尺寸方面非常有限，” Lam Research战略营销董事总经理 David Haynes 说。“它们在很大程度上更具学术性而不是商业利益，但随着技术的进步，这种情况正在发生变化。但基板尺寸小且与主流半导体制造技术缺乏兼容性意味着它们可能只会用于极高性能设备的小批量生产，尤其是智能电网基础设施、可再生能源和铁路等要求严苛的应用。”尽管如此，这里还是有一波活动，包括：NexGen、Odyssey Semiconductor 和其他公司正在准备第一个垂直 GaN 器件。Novel Crystal Technology (NCT) 将推出使用氧化镓的功率器件。Kyma 和 NCT 正在这里开发子状态。基于金刚石和氮化铝的产品正在发货。什么是功率半导体？功率半导体在电力电子设备中用于控制和转换系统中的电力。它们几乎可以在每个系统中找到，例如汽车、手机、电源、太阳能逆变器、火车、风力涡轮机等。功率半导体有多种类型，每一种都用带有“V”或电压的数字表示。“V”是器件中允许的最大工作电压。当今的功率半导体市场由基于硅的器件主导，其中包括功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率 MOSFET 用于低压、10 至 500 伏的应用，例如适配器和电源。超结功率 MOSFET 用于 500 至 900 伏应用。同时，领先的中端功率半导体器件 IGBT 用于 1.2 千伏至 6.6 千伏应用，尤其是汽车应用。英飞凌销售、营销和分销高级副总裁 Shawn Slusser 表示：“IGBT 功率模型基本上正在取代汽车中的燃油喷射器。“它们从电池向电机供电。”IGBT 和 MOSFET 被广泛使用，但它们也达到了极限。这就是宽带隙技术的用武之地。“带隙是指半导体中价带顶部和导带底部之间的能量差异，”英飞凌表示。“更大的距离允许宽带隙半导体功率器件在更高的电压、温度和频率下运行。”硅基器件的带隙为 1.1 eV。相比之下，SiC 的带隙为 3.2 eV，而 GaN 的带隙为 3.4 eV。与硅相比，这两种材料使设备具有更高的效率和更小的外形尺寸，但它们也更昂贵。每种设备类型都不同。例如，有两种 SiC 器件类型——SiC MOSFET 和二极管。SiC MOSFET 是功率开关晶体管。碳化硅二极管在一个方向传递电流并在相反方向阻止电流。针对 600 伏至 10 千伏应用，碳化硅功率器件采用垂直结构。源极和栅极在器件的顶部，而漏极在底部。当施加正栅极电压时，电流在源极和漏极之间流动。碳化硅在 150 毫米晶圆厂制造。过去几年，碳化硅功率半导体已投入批量生产。Onto Innovation营销总监 Paul Knutrud 表示：“碳化硅具有高击穿场强、热导率和效率，是电动汽车功率转换芯片的理想选择。开发垂直 GaN几家供应商一直在开发基于下一代材料和结构的产品，例如氮化铝、金刚石、氧化镓和垂直 GaN。在多年的研发中，垂直 GaN 器件大有可为。GaN 是一种二元 III-V 族材料，用于生产 LED、功率开关晶体管和射频器件。GaN 的击穿场是硅的 10 倍。“高功率和高开关速度是 GaN 的主要优势，”Onto 的 Knutrud 说。今天的 GaN 功率开关器件在 150 毫米晶圆厂制造，基于高电子迁移率晶体管 (HEMT)。GaN 器件是横向结构。源极、栅极和漏极位于结构的顶部。横向 GaN 器件已投入量产。一些公司正在将 GaN 器件在 200 毫米晶圆厂投入生产。“对于 GaN，它是 GaN-on-silicon 技术在 200mm 和未来甚至 300mm 上改进的性能，这是技术发展的基础，”Lam 的 Haynes 说。今天的 GaN 器件使用硅或 SiC 衬底。衬底顶部是一层薄薄的氮化铝 (AlN)，然后是 AIGaN 缓冲层，然后是 GaN 层。然后，在 GaN 顶部沉积薄的 AlGaN 势垒层，形成应变层。如今，有几家公司参与了 GaN 功率半导体市场。今天的横向 GaN 功率半导体器件在 15 到 900 伏的电压范围内运行，但在这些电压之外运行这些器件存在若干技术挑战。一方面，不同层之间存在不匹配。“这真的只是因为当你在不同的衬底上生长 GaN 时，你最终会因两种晶格之间的不匹配而产生大量缺陷。每平方厘米的许多缺陷会导致过早击穿和可靠性问题，”Odyssey Semiconductor 的 CTO Rick Brown 说。解决这些问题的工作正在进行中，但横向 GaN 目前停留在 1,000 伏以下。这就是垂直 GaN 适合的地方。它承诺在 1,200 伏及以上电压下运行。与其他功率半导体器件一样，垂直 GaN 器件在器件顶部有一个源极和栅极，底部有一个漏极。此外，垂直 GaN 器件使用块状 GaN 衬底或 GaN-on-GaN。据 Odyssey 称，GaN 衬底允许垂直传导的 GaN 晶体管具有更少的缺陷。“如果你看硅基高压器件和碳化硅高压器件，它们都是垂直拓扑。出于多种原因，它是高压设备的首选拓扑。它占用的面积更小，从而降低了电容，并且将高压端子置于晶圆的另一侧而不是栅极端子具有固有的安全因素，”Brown说。目前，Kyma、NexGen、Odyssey、Sandia 和其他公司正在研究垂直 GaN 器件。Kyma 和 Odyssey 正在增加 100 毫米（4 英寸）体 GaN 衬底。“垂直 GaN 正在出现，我们正在向研究人员和实验室出售产品，”Kyma 的首席技术官 Jacob Leach 说。“该行业在制作外延片方面遇到了一些挑战。我们有不同的技术。我们能够以低廉的成本制造垂直 GaN 所需的薄膜。”GaN衬底已准备就绪，但垂直GaN器件本身很难开发。例如，制造这些器件需要一个离子注入步骤，在器件中注入掺杂剂。“人们没有对 GaN 使用垂直导电拓扑的唯一原因是没有一种很好的方法来进行杂质掺杂。Odyssey已经找到了解决办法，”该公司的Brown说。Odyssey 正在其自己的 4 英寸晶圆厂中开发垂直 GaN 功率开关器件。计划是在 2022 年初发货。其他人的目标是在同一时期。“我们有垂直导电的 GaN 器件。我们已经证明了 pn 结，”Odyssey 首席执行官 Alex Behfar 说。“我们的第一个产品是 1,200 伏，可能是 1,200 到 1,500 伏。但是我们的路线图将我们一直带到 10,000 伏。由于电容和其他一些问题，我们希望在碳化硅无法访问的频率和电压范围内做出贡献。近期，我们希望能够为工业电机和太阳能提供设备。我们希望给电动汽车制造商机会，进一步提高车辆的续航里程。那是通过减轻系统的重量并拥有性能更好的设备。从长远来看，我们希望实现移动充电等功能。”如果或当垂直 GaN 器件兴起时，这些产品不会取代今天的横向 GaN 或 SiC 功率半导体，也不会取代硅基功率器件。但如果该技术能够克服一些挑战，垂直 GaN 器件将占有一席之地。联电技术开发高级总监 Seanchy Chiu 表示：“Bulk GaN 衬底上的 GaN 垂直器件为可能的下一代电力电子设备带来了一些兴奋，但还有一些关键问题需要解决。” “基于物理学，垂直功率器件总能比横向器件驱动更高的功率输出。但是 GaN 体衬底仍然很昂贵，而且晶圆尺寸仅限于 4 英寸。纯代工厂正在使用 6 英寸和 8 英寸工艺制造具有竞争力的功率器件。由于其垂直载流子传输，需要控制衬底晶体的质量并尽量减少缺陷。”还有其他问题。“GaN衬底比SiC衬底更昂贵，GaN中垂直方向的电子传导仅与SiC大致相同，”横向GaN功率半导体供应商EPC的首席执行官Alex Lidow说。“与 SiC 相比，GaN 中的电子横向迁移率高 3 倍，但垂直方向的迁移率相同。此外，碳化硅的热传导效率高出三倍。这对垂直 GaN 器件几乎没有动力。”氧化镓半导体同时，几家公司、政府机构、研发组织和大学正在研究β-氧化镓 (β-Ga2O3)，这是一种有前途的超宽带隙技术，已经研发了好几年。Kyma 表示，氧化镓是一种无机化合物，带隙为 4.8 至 4.9 eV，比硅大 3,000 倍，比碳化硅大 8 倍，比氮化镓大 4 倍。Kyma 表示，氧化镓还具有 8MV/cm 的高击穿场和良好的电子迁移率。氧化镓也有一些缺点。这就是为什么基于氧化镓的设备仍处于研发阶段且尚未商业化的原因。尽管如此，一段时间以来，一些供应商一直在销售基于该技术的晶圆用于研发目的。此外，业界正在研究基于氧化镓的半导体功率器件，例如肖特基势垒二极管和晶体管。其他应用包括深紫外光电探测器。Flosfia、Kyma、Northrop Grumman Synoptics、NCT 和其他公司正在研究氧化镓。美国空军和能源部以及几所大学都在追求它。Kyma 已开发出直径为 1 英寸的氧化镓硅片，而 NCT 则在运送 2 英寸硅片。NCT 最近开发了使用熔体生长方法的 4 英寸氧化镓外延硅片。“氧化镓在过去几年取得了进展，这主要是因为您可以生成高质量的基板。因此，您可以通过标准的直拉法或其他类型的液相生长法来生长氧化镓晶锭，”Kyma 的 Leach 说。这是半导体工业中广泛使用的晶体生长方法。最大的挑战是制造基于该技术的功率器件。“氧化镓的挑战是双重的。首先，我没有看到真正的 p 型掺杂的方法。您可能能够制作 p 型薄膜，但您不会获得任何空穴导电性。因此，制造双极器件是不可能的。您仍然可以制造单极器件。人们正在研究二极管以及氧化镓中的 HEMT 型结构。有反对者说，' 如果你没有 p 型，那就忘记它。这只是意味着它在该领域没有那么多应用，”Leach 说。“第二大是导热性。氧化镓相当低。对于高功率类型的应用程序来说，这可能是一个问题。在转换中，我不知道这是否会成为杀手。人们正在做工程工作，将氧化镓与碳化硅或金刚石结合，以提高热性能。”尽管如此，该行业仍在研究设备。“第一个采用氧化镓的功率器件将是肖特基势垒二极管 (SBD)。我们正在开发 SBD，目标是在 2022 年开始销售，”NCT 公司官员兼销售高级经理 Takekazu Masui 说。NCT 还在开发基于该技术的高压垂直晶体管。在 NCT 的工艺中，该公司开发了氧化镓衬底。然后，它在硅片上形成薄外延层。该层的厚度范围可以从 5μm 到 10μm。通过采用低施主浓度和40μm厚膜的外延层作为漂移层，NCT实现了4.2 kV的击穿电压。该公司计划到 2025 年生产 600 至 1,200 伏的氧化镓晶体管。NCT 已经克服了氧化镓的一些挑战。“关于导热性，我们已经确认可以通过使元件像其他半导体一样更薄来获得可以投入实际使用的热阻。所以我们认为这不会是一个主要问题，”增井说。“NCT 正在开发两种 p 型方法。一种是制作氧化镓p型，另一种是使用氧化镍和氧化铜等其他氧化物半导体作为p型材料。”展望未来，该公司希望开发使用更大基板的设备以降低成本。减少缺陷是另一个目标。金刚石、氮化铝技术多年来，业界一直在寻找可能是终极功率器件 — 金刚石。金刚石具有宽带隙 (5.5 eV)、高击穿场 (20MV/cm) 和高热导率 (24W/cm.K)。金刚石是碳的亚稳态同素异形体。对于电子应用，该行业使用通过沉积工艺生长的合成钻石。金刚石用于工业应用。在研发领域，公司和大学多年来一直致力于研究金刚石场效应晶体管，但目前尚不清楚它们是否会搬出实验室。AKHAN Semiconductor 已开发出金刚石基板和镀膜玻璃。设备级开发处于研发阶段。“AKHAN 已经实现了 300 毫米金刚石晶圆，以支持更先进的芯片需求，”AKHAN 半导体创始人 Adam Khan 说。“在高功率应用中，金刚石 FET 的性能优于其他宽带隙材料。虽然 AKHAN 的兴奋剂成就是巨大的，但围绕客户期望制造设备需要大量的研发、技术技能和时间。”该技术有多种变化。例如，大阪市立大学已经展示了在金刚石衬底上结合 GaN 的能力，创造了金刚石上的 GaN 半导体技术。氮化铝 (AlN) 也是令人感兴趣的。AlN 是一种化合物半导体，带隙为 6.1 eV。据 AlN 衬底供应商 HexaTech 称，AlN 的场强接近 15MV/cm，是任何已知半导体材料中最高的。Stanley Electric 子公司 HexaTech 业务发展副总裁 Gregory Mills 表示：“AlN 适用于波段边缘低至约 205nm 的极短波长、深紫外光电子设备。“除了金刚石之外，AlN 具有这些材料中最高的热导率，可实现卓越的高功率和高频设备性能。AlN 还具有独特的压电能力，可用于许多传感器和射频应用。”几家供应商可提供直径为 1 英寸和 2 英寸的 AlN 晶片。AlN 已经开始受到关注。Stanley Electric 和其他公司正在使用 AlN 晶片生产紫外线 LED (UV LED)。这些专用 LED 用于消毒和净化应用。据 HexaTech 称，当微生物暴露在 200 纳米到 280 纳米之间的波长下时，UV-C 能量会破坏病原体。“正如我们所说，基于单晶 AlN 衬底的设备正在从研发过渡到商业产品，这取决于应用领域，”米尔斯说。“其中第一个是深紫外光电子学，特别是 UV-C LED，由于它们具有杀菌和灭活病原体（包括 SARS-CoV-2 病毒）的能力，因此需求激增。”多年前，HexaTech 因开发氮化铝功率半导体而获得美国能源部颁发的奖项。这里有几个挑战。首先，基板昂贵。“我不知道氮化铝在这里有多大意义，因为它在 n 型和 p 型掺杂方面都有问题，”Kyma 的 Leach 说。结论尽管如此，基于各种下一代材料和结构的设备正在取得进展。他们有一些令人印象深刻的属性。但他们必须克服许多问题。EPC 的 Lidow 说：“这意味着将需要大量资本投资才能将它们投入批量生产。” “额外的好处和可用市场的规模需要证明大量资本投资的合理性。

滨松光子学株式会社（静冈县滨松市，董事长：昼马 明 ，以下简称“滨松光子学（株）”）将传统泵浦用半导体激光器的功率提高了三倍，并优化了放大器的设计 ，成功开发了只有桌面尺寸大小，可以产生1焦耳（以下，j）的高能量、300赫兹（以下，hz）高重复频率的功率激光器。一般的激光器的输出功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，而该课题实现了小型却高功率、高重复频率的激光器。本产品的诞生，通过去除细小的污垢的激光清洁来提高了传统加工的生产效率，同时，期待它在金属材料的激光成形、延长金属器件的使用寿命的激光喷丸等方面的新应用。该产品的开发是内阁办公室主导的综合科学技术与创新研发推进项目（impact）的一部分，是佐野雄二负责的“普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会”研发项目的一环，由滨松光子学（株）中央研究所产业开发研究中心副所长川嶋利幸等人开发，而且今后我们也将继续推进研究成果的产品化。此外，该新研发的产品将于11月1日（星期四）起连续3天在actcity滨松（滨松市中町区）举行的滨松光子综合展“2018photon fair”上展出。＜关于功率激光器＞功率激光器主要由振荡器和放大器组成。 振荡器由泵浦用半导体激光器、激光介质、全反射镜、输出镜和光开关组成，放大器由泵浦用半导体激光器和激光介质组成。 由振荡器发出的激光通过放大器时，从三种高能量状态（激发状态）的三段激光介质接收能量实现高功率输出。功率激光器的结构＜新产品概述＞该产品搭载了最新研发的泵浦用半导体激光器，虽然只有桌子尺寸大小，但却是可以产生1j的高脉冲能量且300hz的高重复频率的功率激光器。滨松光子学（株）已经开始制造并销售300hz的重复频率下输出功率为100w的泵浦用半导体激光器。此次，结合公司独有的晶体生长技术和镀膜技术，将传统泵浦用半导体激光的功率提高到世界最高水平300w，同时放大器在激光介质的长度和横截面积上下功夫，并采用具有提高冷却效率的放大器，解决了由于热问题导致激光介质损坏或破坏的问题，成功输出了传统放大器的3倍能量。这是因为放大器采用了新的散热设计，提高了激光的放大效率。此外，由于采用半导体激光器作为泵浦光源，具有高于市面上销售的氙灯泵浦脉冲激光器约10倍的光电转换效率，约100倍的泵浦光源的寿命。通过控制零部件的数量，成功实现了器件的稳定输出、小型以及低成本。一般激光器的功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，但本产品却实现了小型而又高功率和高重复频率的特性。利用该产品，可以对附着于材料上的小污垢进行激光清洁，以提高传统加工的生产效率。此外，我们也期待脉冲激光器在工业领域的新应用，如飞机的金属材料等可以在不使用模具的情况下进行变形加工完成激光成形，以及通过激光喷丸来提高金属器件的使用寿命等。＜研发背景＞激光在金属材料的钻孔、焊接、切割等方面有着广泛地加工用途，为了提高生产效率，光纤激光器和co2激光器等各种各样的激光都在朝着高功率的方向发展。激光分连续输出一定强度激光的cw（continuous wave）激光和短时间内重复输出激光的脉冲激光，目前cw激光是激光加工领域的主流。另一方面，脉冲激光不同于cw激光，它正在朝着新型激光加工的应用方向发展。采用半导体激光器作为泵浦光源的功率激光器，它具有高功率、高重复频率的特性，但因为半导体激光器价格昂贵很难推向产品的实用化，而市场上销售的j级脉冲激光器上使用的泵浦光源多采用氙灯光源，对激光器内部有严重地热影响，因此重复频率只能限制在10hz左右。像这样，为了进一步提高生产效率，同时扩大用途，对小型且可以发出高功率、高重复频率脉冲激光的激光器的需求日益增加。主要规格＜委托研究信息＞此研究成果，是通过以下的科研课题项目得到的。内阁办公室创新研发推进项目（impact）项目负责人：佐野雄二研发项目：普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会研发课题：开发高功率小型功率激光器研究负责人：川鸠利幸（滨松光子学株式会社 中研研究所 产业开发研究中心 中心副主任）研发时间：2015年~2018年本研究开发课题是致力于开发桌子大小、高功率、高重复且稳定性高的脉冲输出的功率激光器。＜项目负责人佐野熊二的评论＞“普及功率激光器以实现安全、安心和长寿的社会”的impact计划，推动了大功率脉冲激光器的小型化、简化和高性能的发展，这对于探索最先进的科学和工业是不可缺的，同时，我们也正在推进相关基础技术和应用技术的开发，旨在提供可以随时随地使用，具有高稳定性的廉价激光器，向工业领域的创新努力。此次，滨松光子学（株）的开发团队采用了自有的先进半导体激光器作为泵浦高能脉冲激光器的光源，通过优化激光器件，以低价格实现前所未有的小型、高功率、高重复的激光设备。从限制成本和生产效率的角度来看，在我们之前放弃引入激光设备的领域，也期待会有更多的应用。功率激光器设备的结构 功率激光器设备外观

p 　　近日，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋、张华民领导的研究团队在高能量密度、长寿命锌碘液流电池研究方面取得新进展。研究成果作为“Very Important Paper”在线发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。 /p p 　　大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的关键核心技术，液流电池由于具有安全性高、储能规模大、效率高、寿命长等特点，在大规模储能领域具有很好的应用前景。锌碘液流电池由于电化学活性好，电解质溶解度高，能量密度高(理论能量密度可达250.59Wh/L)等优势，具有很好的研究和应用前景。但是目前锌碘液流电池存在循环寿命短，功率密度低的问题。 /p p 　　为解决以上问题，该研究团队提出利用廉价的聚烯烃多孔膜(15美金/m2)替代昂贵的全氟磺酸离子交换膜，大大降低了电池成本。此外，该体系使用KI和ZnBr2的混合溶液作为电池的正负极电解质，大大提高了中性环境下电解质的电导率和稳定性。由于聚烯烃多孔膜的多孔结构在中性环境下表现出优异的离子传导能力，电池的工作电流密度大幅度提高。实验结果表明，在80mA/cm2下运行，单电池能量效率达82%，较之前报道的锌碘体系提高了8倍，能量密度达80Wh/L 在180mA/cm2运行条件下，电池的能量效率超过70%，表现出很好的功率特性。更为重要的是，聚烯烃多孔结构中充满的氧化态电解液I3-可以与锌枝晶反应，解决了由于锌枝晶导致的电池循环寿命差的问题。即便是电池因为锌枝晶发生短路，电池性能也能够通过膜孔中I3-对锌枝晶的溶解作用实现自恢复。该体系单电池在80mA/cm2下连续运行超过1000圈，性能无明显衰减，表现出很好的稳定性。为进一步证实该体系的实用性，研究团队成功集成出kW级电堆，该电堆在80mA/cm2下稳定运行超过300个循环，能量效率稳定在80%，表现出很好的可靠性。该电池目前仍处于研究初期阶段，需进一步提高其高电流密度下的可靠性，推进其实用化和产业化。 /p p 　　上述工作为开发新一代高性能的液流电池新体系提供了很好的借鉴，也为其他锌基液流电池的研发提供了新的思路。 /p p img title=" v183344_b1526963928105.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/ac1d0392-cdeb-44ed-937f-f9f31f657397.jpg" / /p p 　　大连化物所高能量密度、长寿命锌碘液流电池研究取得新进展 /p p /p p /p

近日，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）全光量子源团队开发完成了国内首台产品级高功率飞秒振荡器——Fermion-007。该产品弥补了国内瓦量级飞秒振荡器的产品空白，在国际上仅有立陶宛Light Conversion等少数几家公司具有相当技术指标的产品。Fermion-007采用了多项创新技术，仅一级振荡器即可输出大于7W、重频80MHz的飞秒脉冲激光，其指标、可靠性均达到国际先进水平。目前，研发团队已接到超快电镜应用领域的商业合作订单。作为产生飞秒脉冲激光的“种子”，超快飞秒振荡器（Ultrafast femtosecond oscillator）具有高重频、高光束质量等优势，但输出功率普遍较低，往往需要对其进行功率放大以满足应用需求。然而，这种“振荡器+放大器”的技术路线会大大增加系统复杂度，导致成本变高、可靠性变差，从而限制了飞秒激光的受众范围。此外，超快电镜、飞秒双光子显微成像等应用对激光重复频率也有较高要求，因此，高功率飞秒振荡器成为相关领域的急需产品。飞秒振荡器主要分为光纤和固体两大类。固体振荡器虽然技术难度较高，但最高输出功率比光纤高3个量级，且具有更高重频和更长的锁模器件寿命，是满足应用需求的最佳技术方案。二者的具体对比见表1。表1 光纤、固体飞秒振荡器参数对比光纤飞秒振荡器固体飞秒振荡器直接输出功率百pW至mW量级几十mW至W量级最高重复频率百MHz几GHz飞秒锁模方式/器件寿命SESAM/3个月1. SESAM/3个月2. 克尔透镜锁模/无寿命问题技术难度技术门槛较低。基于标准化光纤器件、光纤熔接机设计、生产。技术门槛较高。对于腔型设计、调试经验、工程化等均有要求较高。对于产品商业化而言，工程水平的高低起决定作用。定制化程度激光器结构、指标类似，激光表现主要依赖于光纤、熔接仪器等的上游器件的性能。结构灵活性好，适合针对应用定制功率、重频、脉宽、中心波长等指标国内商业化现状5-10家商业化公司目前尚无商业化公司基于上述应用需求和技术路线分析，北京量子院开发了Fermion系列高功率全固态（DPSS）飞秒振荡器。在不需要额外放大的情况下，Fermion-007可直接输出大于7W、80MHz的飞秒脉冲激光，脉冲宽度~120fs，中心波长1035nm。此外，输出激光还具有优异的光束质量和长期稳定性，两维M2小于1.2，12小时连续运转功率均方根值小于0.3%。图1 Fermion-007 光谱及脉冲宽度测量图2 Fermion-007 光束质量及长期稳定性工程化是激光器从实验样机蜕变成可用产品的核心环节。Fermion-007采用了低热阻晶体封装、一体化密封、温湿度负反馈控制等多项工程技术，并对腔体、冷却模组的设计进行了模拟优化，以降低高泵浦热量对激光器运行环境的不利影响。激光器采用克尔透镜锁模（Kerr-lens mode locking）作为飞秒脉冲产生、维持的机制，相比可饱和吸收体（SESAM）具有更长的寿命和更高的器件可靠性。此外，研发团队首次将新型“射频同步技术”应用到Fermion-007中，用以自启动及维持飞秒锁模状态，从根本上克服了克尔透镜锁模飞秒振荡器长期存在的“失锁”问题。图3 Fermion-007 机械热分布及水路的模拟高功率飞秒振荡器在双光子显微成像、光参量泵浦等领域应用广泛。近年来，随着相关技术的发展，超快电镜、超快电子衍射等标准化仪器对此类激光器的市场需求也在迅速提升。超快电子显微镜（Ultrafast electron microscopy(UEM)）是由传统电镜升级改造而成的高端分析仪器，“飞秒激光驱动光阴极”系统是其新增的核心模块。升级后的超快电镜除了拥有原子尺度的空间分辨率外，还具有飞秒-皮秒尺度的超高时间分辨率，由此成为研究材料动力学过程的有力工具。图4 Fermion系列产品在超快电镜中的应用研发团队与相关系统商开展了新型超快电镜开发的前沿合作，首次提出利用飞秒振荡器产生高重频的超快电子，以降低激光脉冲对光阴极造成的损伤风险。该方案有望从根本上解决此类仪器长期存在的光阴极可靠性问题，提高超快电镜产品的使用寿命和市场竞争力。据合作系统商的预估，超快电镜未来3年总市场需求量可达到50台/年。研发团队简介高功率飞秒振荡器是量子院全光量子源团队于子蛟助理研究员主导完成的研究项目。全光量子源团队于2020年由鲁巍教授组建，隶属于北京量子院技术产业开发中心。团队致力于打造支撑量子产业相关的关键激光设备，包括超快超强激光装置（TW-PW系统）、激光加速桌面光源及应用、新型高端科研飞秒激光器的前沿技术研究、产品研发及产业化落地。

直接带隙和间接带隙是固体材料中两种不同类型的能带结构，它们在电子的能级分布和电子激发行为上有显着差异，影响着器件的效率、响应速度和应用场景。工作原理直接带隙光电二极管直接带隙指的是材料的价带（valence band）和导带（conduction band）的能级在动量空间中的最小距离发生在相同的动量值（通常是在动量为零处）。换句话说，电子在从价带跃迁到导带时，其动量不会发生显着变化，这种跃迁过程不需要额外的动量（或波矢）。因此，直接带隙材料通常在吸收或发射光子时具有高效率，能量损失较小。例如，常见的直接带隙材料包括氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）。直接带隙材料的光电二极管利用其电子从价带到导带的直接跃迁特性。当光子（光量子）击中材料并激发电子从价带跃迁到导带时，电子和空穴对会迅速分离并在电场作用下产生电流。这种跃迁过程不需要额外的动量，因此直接带隙材料在光电二极管中表现出高效的光电转换效率和快速的响应速度。例如，氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）等直接带隙材料被广泛用于高速光通信、激光雷达和高频光电探测器等应用中。 间接带隙光电二极管间接带隙则是指材料的价带和导带的能级在动量空间中的最小距离发生在不同的动量值上。在这种情况下，电子在从价带跃迁到导带时，除了能量外还必须具备额外的动量（波矢）以保持能量守恒。这使得在光子吸收或发射时，电子可能会通过与晶格振动（声子）相互作用来释放或吸收额外的动量。因此，间接带隙材料通常在吸收或发射光子时会有较大的能量损失。典型的间接带隙材料包括硅（Si）和锗（Ge）。 间接带隙材料的光电二极管则需要额外的动量来实现电子的跃迁。这种额外的动量通常是通过与晶格振动（声子）相互作用来获得，因此在光电转换过程中会引入更大的能量损失。典型的间接带隙材料如硅（Si）和锗（Ge），虽然其光电转换效率较低，但由于在集成电路、传感器和太阳能电池等应用中具有成熟的制造技术和低成本的优势，仍然被广泛使用。研究方向直接带隙材料的研究方向包括：提高效率和响应速度： 进一步优化直接带隙材料的电子结构和晶体质量，以提高光电转换效率和响应速度。新型器件架构： 探索新型光电二极管的结构设计，如量子阱结构和纳米结构，以改善光电性能。应用拓展： 将直接带隙材料应用于更广泛的光电子器件中，如高功率激光二极管和光伏电池。间接带隙材料的研究方向包括：提高光电转换效率： 探索通过材料工程和表面修饰等方法提高间接带隙材料的光电转换效率。减小能量损失： 研究如何减少光子吸收到电子-空穴对生成之间的能量损失，以提高器件性能。集成电路应用： 开发新型间接带隙材料的光电子集成电路应用，包括在传感器和数据通信中的应用。直接带隙和间接带隙在光电二极管中的不同应用和研究方向反映了它们在材料科学和光电子技术中的重要性和多样性。随着技术的发展和对能源效率的不断追求，研究人员和工程师在不同的材料选择和器件设计中持续探索和优化，以满足不同应用场景下的需求和挑战。光伏检测请搜寻光焱科技

近日，日本市场研究公司富士经济发表了一份研究报告《功率器件晶圆市场的最新趋势和技术趋势》，总结了功率半导体晶圆市场的研究结果。报告称，2024年功率半导体市场预计将比上年增长23.4%，达到2813亿日元。虽然硅功率半导体硅片市场因库存调整而较上年下滑，但由于各大厂商产能增加，SiC裸片销量预计同比增长56.9%，超过硅片市场。此外，从2025年起，随着功率半导体需求的不断增长，市场预计将扩大。特别是，由于汽车电动化带来的需求增加，SiC裸片有望成为长期市场驱动力，硅片也有望摆脱产量调整的影响。此外，我们还可以期待GaN晶圆直径的增加以及氧化镓晶圆开始量产等附加内容，预计2035年市场规模将扩大至10,763亿日元，是2023年的4.7倍。尽管功率半导体市场尚未兴起，但金刚石晶圆、氮化铝晶圆、二氧化锗晶圆等下一代技术正在开发中，其实际应用值得期待。报告指出，近年来，随着功率半导体需求的增加，为了确保供应量，晶圆的直径不断增加。除了转向300mm硅晶圆外，SiC裸晶圆市场预计从2025年起8英寸（200mm）晶圆将真正起飞。此外，正在开发用于功率半导体的 6 英寸（150 毫米）GaN 晶圆和氧化镓晶圆。不过，目前硅功率半导体大部分由8英寸晶圆供货，预计未来8英寸晶圆占比仍将超过60%（基于晶圆数量）。 300mm晶圆越来越多地用于IGBT和MOSFET，随着汽车和电气设备领域需求的增加，其采用预计将进一步增加，未来除某些器件外，8英寸和300mm晶圆将分开。是期待。此外，目前SiC裸片以6英寸为主，预计这种情况还将持续一段时间，但8英寸晶圆市场预计从2025年开始形成，部分样品出货已经开始预计到2035年，其将占所有 SiC 裸晶圆（以晶圆数量计）的13.3%。然而，传统4英寸晶圆预计仅在中国和日本等部分地区部署。预计未来市场规模将会缩小。

从中国科学院长春光学精密机械与物理研究所了解到，由该所研究员王立军带领的课题组攻克了大功率半导体激光器关键核心技术，成功开发出千瓦量级、高光束质量、小型化的各种半导体激光光源，并将成为工业激光加工领域的新一代换代产品。 　　王立军对记者说，大功率半导体激光器是激光加工、激光医疗、激光显示等领域的核心光源和支撑技术之一。由于西方发达国家掌控着大功率半导体激光器关键核心技术，长期以来，我国工业用激光加工设备不得不依赖进口。 　　王立军介绍说，他们的团队历经数年努力，通过激光光束整形、激光合束等关键技术，实现了高光束质量半导体激光大功率输出。 　　据了解，日前由王立军团队承担的这项研究——“高密度集成、高光束质量激光合束高功率半导体激光关键技术及应用”荣获了2011年度国家技术发明奖二等奖。项目组已经开始与一汽集团和北车集团接洽，尝试将这项技术应用于汽车制造等领域。

编者按 计量是天然气贸易活动中必不可少的一个环节，若计量出现较大偏差，则可能影响贸易的公正性，影响消费者和企业的利益，不利于天然气贸易活动的健康发展。因此，科学的选择计量仪器显得尤为重要。 与国外相比，我国天然气计量起步较晚，但在近几年的大力发展下，还是取得了一定成绩的。本文主要针对天然气计量方法的种类、测量原理、优点及其缺点进行了分析，并对天然气计量中存在的一些问题及其解决对策进行了说明。 差压流量计 差压流量计主要包括孔板式、阿牛巴以及弯管式。 ①孔板式流量计 孔板式流量计原理为质量守恒定律和能量守恒定律，即流体连续性方程和伯努利方程。流体流量越大，差压越大，以此为依据对流体流量进行测量。 优点：该样式的流量计所用的节流件全球通用，无需进行实流校准，且结构简单、牢固、性能稳定可靠、价格较低，因此具有广泛的应用。缺点：范围宽度为3：1，限制了其应用范围，而法兰连接法容易导致跑冒滴漏现象，增加了后期的维护成本。 ② 阿牛巴流量计 阿牛巴流量计工作原理为充满导管的流体流经流量计的检测杆时，检测杆的迎流面和背流面会产生不同的压力值，前者为全压平均值，而后者则被称为静压值，两者的差值就是计算流体流速和流量的主要依据。 优点：安装较为简单，压损较小，准确度高，强度好，耐磨损性能较好，防泄漏性能好。 缺点：迎流面和背流面的取压孔容易发生堵塞，且迎面取压孔的边缘处容易受流体的磨损，因此容易出现测量性能不稳的现象。 ③ 弯管流量计 弯管流量计以质量守恒、能量守恒和动量矩守恒三大定律为测量技术，流体经过管道的拐弯处时，内侧流速大于外侧流速，且呈现一定的规律性，当弯管的角度为45°时，只要测量弯管内外压差和流体的密度时，就可计算出流体的流速，然后根据流体所经弯管的横截面积，即可求得流体的流量。 优点：不受插入件或节流件的影响，无压力损失，精度高，可重复性好。直管段范围要求较宽，而传感器的磨损或者结垢，对流量计的精度影响较小。 缺点：对测量大流量流体较为准确，而小流速测量准确度较差。 气体涡轮流量计 涡轮流量计是一种管径中全截面流速流量的流量计，其测量原理是将一组叶轮悬置于流体中，流体流动时带动叶轮转动，然后根据叶轮的转动速度来获得流体的平均流速，并以此为基础计算出流体流量。 优点：精准度较高，可控制误差在±0.2%至±0.5%之间，压损小、重复性好、稳定性高、能快速响应且该流量计内部结构较为紧凑，体积小，安装以及后期维护较为简单。 缺点：测量结果受流体性质影响较大，当流体介质的粘度、密度、压力等因素发生变化时，可对测量结果产生一定影响。 气体超声波流量计 气体超声波流量计是利用流动状态下的流体对超声束的作用，以检测流体体积的一种测量仪表。 优点：安装简单，精准度较高，可控制误差在0.5%以内；不受机械磨损，长期使用精度不变；不受压力损失的影响，可使用干法进行标定；为非接触性测量，耐腐蚀，可进行管网流动状态的评估测量。 缺点：对测量环境有一定要求，若测量场合存在高频振动噪声，测量结果容易受到干扰。 以上测量仪表都有其各自的特点，综合比较，气体超声波流量计在测量精度、稳定性和适用范围上都更具优势，因而也成为国际上天然气贸易的首选产品。 随着测量技术的不断发展，我国气体超声波流量计的研究已经取得了不小的成果，并解决了一些实际应用过程中存在的问题。 过去，我们往往容易忽视环境温度对计量的影响。温度不仅影响气体的体积，还能影响计量仪器的准确度。在实际的计量过程中，若忽视外界因素的影响，则可能影响计量结果的准确性。如北方温差较大，若不考虑温度温度影响，则燃气公司可能面临一定的经济损失。 以孔板流量计为例，该流量计由节流装置、流量显示仪和差压变送器构成，当环境温度变化较大时，节流装置和差压变送器的准确性就要受到影响，从而导致计量结果不准确。相比之下，国产超声流量计Gasboard-7200具有温度补偿功能，可避免温度影响计量误差，有效提升经济效益。 国产超声流量计Gasboard-7200 总的来说，流量计的选择对于天然气计量工作的精准度影响巨大，企业在选择流量计时，不仅要考虑成本、安装、维修难度，还应考虑使用环境的影响，在满足以上要求的情况下，尽可能的减少计量误差，保证贸易的公平性。版权声明:本文转载自微信公众号@工业过程气体监测技术，如欲转载，请务必注明来源，违者必究。

2022年10月7日，中国散裂中子源工程（CSNS）打靶束流功率达到140kW并稳定供束运行，超过设计指标40%。CSNS打靶束流功率于2020年2月达到100kW设计指标后，加速器团队做了进一步提高打靶束流功率的规划。2021年暑期检修期间，快循环同步加速器（RCS）安装了脉冲校正四极磁铁，用于对束流光学参数进行校正以及对加速过程机器模式的快速调节；2022年暑期检修期间，安装了磁合金加载腔作为二次谐波腔，以操控纵向束流分布，从而增大聚束因子降低空间电荷效应。2022年9月10日开始了新一轮束流调试工作。在前期大量准备工作的基础上，经过近一个月的精心调试，CSNS加速器打靶束流功率提升到140kW，比设计指标提高了40%，大大提高了装置运行效率。空间电荷效应及其引起的束流损失是限制强流质子加速器束流功率提高的最重要因素。在束流调试过程中，团队通过仔细优化RCS基波腔压与二次谐波腔压比以及注入过程与加速过程基波腔与二次谐波腔相位差，显著增大了聚束因子，降低了空间电荷效应的影响。同时，用脉冲校正四极磁铁校正了RCS注入磁铁对束流光学的扰动，并根据不同能量阶段空间电荷频移与束流不稳定性，精细调节了加速过程的工作点模式。通过上述机器调试，团队有效控制了CSNS高功率下的发射度增长与束流损失，实现了140kW束流功率打靶，束流损失控制优于100kW。靶站各系统对到靶束流功率提升的影响进行了详细的分析与评估，结果显示140kW下靶站运行安全。本次功率提升后，靶站各系统运行安全稳定，水冷、低温系统各项参数符合预期，靶体、慢化器、反射体等核心部件温度监控值均在安全范围内，靶站持续高效输出中子束流，各谱仪刻度与用户实验正在有序开展。CSNS打靶束流功率达到140kW并稳定运行，不仅大大提高了装置运行效率、缩短用户实验时间，也验证了CSNS-II束流功率提升的关键技术路线，为CSNS-II设计和工程建设积累了宝贵的经验。

功率器件可靠性研究和失效分析的基本介绍邓二平（合肥工业大学 电气与自动化工程学院 230009）摘要：功率器件可靠性是器件厂商和应用方除性能参数外最为关注的，也是特性参数测试无法评估的，失效分析则是分析器件封装缺陷、提升器件封装水平和应用可靠性的基础。可靠性测试项目的规范性、严谨性和可追溯性，对于功率器件可靠性评估和失效分析至关重要，也是保障分析结果全面性、准确性和有效性的基础。本文结合团队多年的可靠性和失效分析研究的相关经验，对研究步骤等进行了基本介绍，旨在为行业的发展提供可能的参考。1、引言功率器件近年来在国内得到了大力发展，尤其是第三代半导体器件SiC MOSFET与新能源汽车应用的结合，迎来了功率器件国产化的重大发展机遇，包括芯片、封装、测试和设备等。而可靠性研究和失效分析则是器件封装后评估器件长期稳定运行的基础，对器件封装改进、可靠性评估等具有重要意义。本文结合团队多年的可靠性研究经验，主要介绍了进行功率器件可靠性研究和失效分析的一些基本步骤、原理和需要注意的事项等，具体测试电路请参考相应的测试标准（如IEC、MIL、JESD和AGQ等测试标准）。功率器件主要包括：Si IGBT/diode, Si MOSFET/diode, SiC MOSFET/diode, GaN器件，目前市场上比较成熟的产品还是以硅基为代表的IGBT器件，电压等级最高可到6500V，电流目前最大到3600A。随着使用开关频率的提升、能耗要求和基础材料的发展，SiC基的功率器件己逐渐成熟，典型的代表是SiC MOSFET，新能源汽车的800V平台正大量使用1200V的SiC MOSFET。进一步地，GaN工艺的不断成熟以及在射频领域的发展经验，目前600V左右的高频开关领域GaN器件非常有优势，尤其是车载充电机(OBC)。不同类型的功率器件具有不同的特性，因此在测试方法和细节上要有所区分，如SiC器件由于栅极的不稳定性以及GaN动态的快速性需要重点关注。2、测试项目分类功率器件的测试一般分为基本特性测试来表征器件性能优良、极限能力测试来评估器件的鲁棒性、可靠性测试来评估器件长期运行稳定性以及失效分析助力器件改进和优化升级，具体如下。2.1 基本特性测试主要包括：静态特性测试（以IGBT为例一般指饱和压降Vces，阈值电压Vgeth，集-射极漏电流Ices，栅-射极漏电流Iges，稳态热阻Rth等静态参数）和动态特性测试（一般指双脉冲测试，包括开通延时时间td(on)，下降时间tf等动态参数），其中动态特性测试还可包括安全工作区SOA的测试，有RBSOA和SCSOA。静态特性主要表征模块的一些基本性能参数，是表征模块优良的重要指标，如饱和压降Vces表征器件的导通能力，Vces越小，模块工作过程中的导通损耗越小，相同条件下温升越小。器件加速老化可靠性实验前必须进行模块的基本特性测试，尤其是静态特性测试，一方面确保被测器件功能的完整性，另一方面可用于老化后的对比分析，助力器件失效模式的分析。但一般在可靠性老化测试中不进行器件的动态特性测试，即使是进行栅极老化的高温栅偏实验，一方面是动态特性测试时间很短，封装的老化并不会影响器件的动态特性，另一方面器件的部分动态特性可通过Iges和Vgeth表征，甚至可进行栅极电容的测试来表征。2.2极限能力测试主要包括：短路能力测试、浪涌能力测试和极限关断能力测试，考核的是器件在极端工况下的能力，尤其是关断能力。如短路能力测试主要考核器件在短路(一般有3类短路情况)条件下器件的极限关断能力，一般为10µs能关断电流的数值，主要考核芯片的能力。浪涌能力则是考核反并联二极管抗浪涌能力，一般是10ms正弦半波的冲击，尤其是SiC MOSFET的体二极管非常重要，可能还会影响栅极的可靠性，由于时间较长，主要考核封装的水平。极限关断能力则是考核器件饱和状态下在毫秒级的关断能力，如电网用的直流断路器需要在3ms关断6倍的额定电流。从物理和传热学理论来看，短路测试虽然会有大量的能量产生，最终也是由于能量超过芯片极限而损坏，但由于测试时间非常短，反复的短路测试不会引起封装的老化，而浪涌能力和极限能力测试则将进一步影响封装的老化，是加速老化测试未来应该重点关注的测试。进一步地，极限能力是特种电源等极端应用时需要重要关注的测试。2.3可靠性测试主要包括：功率循环、温度循环、温度冲击、机械冲击、机械振动、高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏和高低温存储等，额外的还包括盐雾等测试。按照应力的来源区分其实可分为电应力加速老化和环境应力加速老化，从器件研发到量产以及应用过程中，需要经过大于10项可靠性测试，机械冲击、机械振动、温度存储等主要考核的是器件在运输或者存储过程中的可靠性，而最重要的测试主要有高温栅偏、高温反偏、高温高湿反偏、温度循环和功率循环。这些实验也是工业界和学术界研究最多，最复杂的测试，尤其是功率循环测试。通过上述加速老化实验，提前暴露器件在芯片设计、封装工艺、样品制备、运输存储、实际应用过程中可能存在的问题，一方面可为器件厂商提供改进建议，优化器件的性能并提高器件可靠性，另一方面可为器件的应用方提供技术指导以及实际产品设计和可靠性验证提供数据支撑。2.4失效分析主要包括：SAM超声波扫描分析、X-ray材料损伤检测分析、SEM电子显微镜分析、光学显微镜分析和有限元仿真分析。SAM超声波扫描分析主要是通过超声波对器件内部各层材料进行探伤，尤其是材料的界面处，当存在一个空洞时，返回的超声波能量和相序发生了变化，即可进行定位。X-ray则更多是用于材料本体探伤研究，多用于材料级的失效分析，SEM电子显微镜和光学显微镜也是一样，但光学显微镜需要打开模块才能对相应的位置进行深入探究。有限元仿真分析是一个除实验外最好的检测、分析和研究手段，通过实验测量数据的对比和修正，完全重现实验过程中器件内部的细节和薄弱点，也是失效分析最难和最为重要的环节。3、可靠性研究步骤可靠性研究的基本步骤如下图1所示，一般需要在可靠性测试前进行一些基本特性测试确保器件的性能以及方便与老化后的进行对比分析，然后进行加速老化等可靠性测试，再进行基本特性测试和失效分析，探究器件的失效模式和失效机理。为了进一步深入探究器件内部各层材料在可靠性测试过程中的应力分布情况，可采用SAM超声波扫描以及有限元分析方法配合进行相应的失效分析。上述可靠性测试中高温栅偏100%与芯片有关、高温反偏约80%情况与芯片有关，也有因为封装老化导致的退化、高温高湿反偏测试也是类似的情况，其他所有可靠性测试均与封装有关，尤其是热特性和机械特性有关。图1所示的基本步骤也只是通用的研究过程，对于具体的问题还需要进行特定的对待和分析。比如大部分情况在可靠性研究中是不会进行极限能力测试的，但如果要研究器件老化对极限能力的影响，则需要进一步考虑，包括多应力的耦合测试。图1 功率器件可靠性测试基本流程这里以Si基IGBT器件的功率循环为例简单介绍一下可靠性加速老化的基本流程和各项参数测试的必要性，如下图2所示。以Infineon公司1200V, 25A Easypack封装的IGBT器件为例进行功率循环的老化测试、寿命评估和失效机理研究等。第I步：确定研究对象，也就是FS25R12W1T4，此封装内有6个开关组成的三相全桥，如下图3所示。上桥臂的IGBT开关共用一个上铜层，下桥臂的IGBT开关均是独立的，这里以U相的下桥臂开关S2为例，减小热耦合影响。S2的上铜层面积与芯片面积相当，热扩散角小，导致散热条件相对较弱，热量会更集中于芯片焊料层。第II步：器件基本特性测试，包括常温下饱和压降Vces (@VGE=15V，Ic=25A，Tvj=25ºC)，阈值电压Vgeth (@VGE= VCE，Ic=0.8mA，Tvj=25ºC)，集-射极漏电流 Ices (@ VGE=0V，VCE=1200V， Tvj=25ºC)，栅-射极漏电流 Iges (@VCE=0V，VGE=20V，Tvj=25ºC)，具体条件来源于器件的数据表datasheet。需要说明的是，这里只测试了器件常温下的基本特性，一方面是用于判断器件的性能与好坏，另一方面用于老化后进行对比，常温下的数据即可满足要求。若测试过程中发现某个器件的某个参数超过datasheet里的规定值，则说明此器件是不良品，需要更换新的器件进行测试。进一步地，还可通过此数据来评估各器件间的一致性。第III步：SAM超声波扫描，通过专有设备如SAM301进行器件封装内部各层材料连接状态的检测和参照，将模块倒置于装有去离子水的设备中，超声波从器件的基板开始向下探测，可得到器件各层材料的二维平面图，如下图4所示。此模块没有系统焊接层，因此只展示了器件最薄弱的，也是可靠性测试最为关注和重要的芯片焊料层和芯片表面键合线连接状态，对于新器件而言，各层的连接状态良好。做完SAM后还有一个非常重要的一步，尤其是对于硅胶封装的模块，将模块拿出后必须倒置放置24小时以上，以充分晾干模块内的水分 。进一步地，还需要通过加热板或者恒温箱将器件放置在85ºC环境中至少半小时以上，更加充分的挥发模块内的残余水分以不影响模块的性能。对于TO封装的器件来说，尤其有环氧树脂的充分保护以及环氧树脂吸水性差等特点，加上放置时间很短以及没有高温作用等，可不进行此步骤，但做电学特性实验前必须保证器件表面己无明显水分。在进行热阻等测试前，还需要进行连线，最好通过焊锡连接，以确保连接的可靠性。图2 Si基IGBT器件功率循环测试基本流程 (a) 内部结构 (b) 等效电路图3 FS25R12W1T4模块的内部结构(a) 芯片焊料层 (b) 芯片表面键合线图4 FS25R12W1T4模块SAM超声波扫描结果第IV步：温度关系校准，对于功率器件而言，器件的结温是评估模块电学特性和热学特性最重要的参数，结温不仅可反映模块的散热能力，还可影响器件的电学特性，甚至是可靠性。现在方法中，只有电学参数法测量结温适用并广泛应用于器件可靠性测试中，如热阻测试、功率循环、高温反偏等测试。一般来说，对于低压器件，测量电流选择合适的话，温度校准曲线将呈现完美的线性关系，如下图5所示。可以看到4个器件的曲线均呈现很好地线性关系，虽然在截距上存在一定的差异，但斜率几乎一样，说明芯片的一致性好，此微小差异一般来源于热电源的位置或者加热源的差异，但这种小差异可忽略。图5 FS25R12W1T4的温度校准曲线@IM=100mA第V步：瞬态热阻抗Zth测试，在进行功率循环测试之前，一般为了获得模块内部芯片PN结到散热器甚至环境的热路径情况，以及用于与老化后的状态进行对比，以定位模块失效位置，需要进行瞬态热阻抗Zth测试。通过两次不同散热条件下Zth的测试，也称为瞬态双界面法，可直接获得模块结到壳的热阻值Rthjc，以评估模块的整体性能。将被测器件按功率循环测试的要求安装到测试设备的水冷散热器上，放置好热电偶以以测量相应位置的温度，如壳表面，散热器或环境温度。瞬态热阻抗测试其实相当于一次功率循环，通过给被测器件通过相应的测试电流以加热器件至热平衡状态，降温过程测量器件的结温变化。这里需要注意的是，测试电流越大，测量电路的信噪比越大，测试结果越好，但要保证器件的最大结温不能超过器件允许的最大结温。此器件测量得到的Zthjs如下图6所示，测试条件为升温时间ton=5s, 降温/测量时间toff=40s, 测试电流IL=25A, 水冷温度Tinlet=58ºC, 测量延时tMD=200µs。图6 FS25R12W1T4的瞬态热阻抗曲线，#40器件在功率循环前的结果第VI步：功率循环加速老化测试，做完Zth测试和所有准备工作后，即可进行功率循环的测试，本实验室的测试设备有3条测试支路，每条支路可串联4个器件，共计12个通道，实验过程可以用2条支路或者3条支路。本次测试的器件为4个，每条支路串联2个被测器件，先通过调节测试电流，使得所有器件的结温差在目标温度范围左右，然后再通过控制各个器件的栅极电压来达到精细化和逐点调节。进一步地，通过控制外部水冷的入口温度调整所有器件的最大结温在目标温度范围左右，然后再通过安装条件的修正来达到各个器件的精细化和逐点调节。最终得到的测试条件为升温时间ton=2s, 降温时间toff=2s, 测试电流IL=29.7A, 水冷温度Tinlet=58ºC, 最大结温Tjmax≈150ºC，结温差ΔTj≈90K，测量延时tMD=200µs。功率循环条件设置完成后，只需要在程序中设定相应的保护即可实现完全无人值守运行，保护变量一般应该包括电压Vce保护，电流IL保护，热阻Rth保护，结温Tj保护，水温Tc保护，电源输出保护等。设置完成后的程序运行界面如下图7所示，可看到4个器件的测试条件相应比较接近。值得注意的是，上述测试过程中设置了测量延时，这是由于在半导体器件电流关断时，载流子复合需要时间，尤其是双极性器件。在这个延时时间里，芯片的结温其实是持续下降的，这就导致我们在延时时间tMD后测量的结温并不是器件真正的最大结温，而存在一定的误差，需要通过一些方法进行修正，如根号t方法，具体这方面的内容需要参考相关论文。而此结温的误差将会导致器件的寿命数据存在一定的差异，需要通过现有的模型进行相应的修正。进一步地，我们也看到不可能使得所有器件的数据完全一致，达到我们的想要的测试条件，最终在进行寿命对比时，需将所有器件的条件均归一到同样的条件以保对比的公平性和数据的正确性，如下图8所示。图7 功率循环运行界面示意图图8 功率循环寿命数据第VII步：瞬态热阻抗Zth测试，当模块老化到一定程度或者达到失效判定条件后，需要停止功率循环测试，对其进行瞬态热阻抗测试，进一步准确定位老化位置。测试条件与功率循环前一致，下图8列举了#40器件在不同功率循环次数条件下的测试结果，可以看到，随着老化程度的增加，器件的热阻增加。进一步地，可以看到在模块功率循环前没有经过老化(No.68)时，整个曲线均较小，当老化到一定程度后(No.76888)，热阻增加不是非常明显，可以理解为裂纹的形成过程。当功率循环加速老化持续进行(No.91522)，这个过程为焊料裂纹生长过程，热阻增加非常明显。图9 #40器件功率循环前后Zthjs结果对比第VIII步：SAM超声波扫描，将功率循环测试后的器件，利用原有的参数设置进行SAM超声波扫描，通过对比可得到器件芯片焊料层和键合线的老化状态，利于器件的失效模式和失效机理研究。下图10展示的是#40功率循环老化后IGBT芯片焊料层和芯片表面键合线的连接状态，可以看到芯片焊料层出现了白点，有严重老化的迹象，这也与图9的结果相吻合。而键合线的状态由于焊料的老化，改变了超声波的路径，使得键合线的状态很难识别，从实验结果来看并没有发生严重的老化。(a) 芯片焊料层 (b) 芯片表面键合线图10 #40器件功率循环老化后的SAM结果值得说明的是，图中的S3和S6也出现了老化是因为之前做过不同ton的实验，但也可以看到S2和S6的老化程度和现象比较一致，更集中于中心区域，而S3则比较均匀，这是由于S3具有更大的散热面积，使得S3焊料的温度分布更均匀。这里想给大家展示的是如何通过SAM图来获得相应的老化信息，要有全局观念，要知道整个实验的计划、过程、细节和数据等，才能给出更为准确的结论。第IX步：器件特性参数测试，完成器件的SAM测试后，仍然要将器件放置干燥处理后才能进行相应的电气特性测试，采用相同的实验条件对上述参数进行测量。一般情况下，上述参数在功率循环老化后不会发生变化，SiC MOSFET由于栅极可靠性问题可能会存在一定程度的阈值电压偏移。同时，Si IGBT一般也会存在轻微的阈值电压偏移，而且是负偏移，但一般在5%以内，这也侧面说明利用阈值电压作为温敏参数可能存在的误差。一般器件的温敏关系约为-2mV/ºC，假定器件的初始阈值电压为5V，则电压偏移25mV，最终导致约12 ºC的误差。第X步：有限元仿真分析，没有仿真解释和验证的实验数据是不可信的，因为实验数据很大程度依据于测试人员、经验、测试方法、测试条件等各方面因素；而没有实验验证的仿真分析也是不可信的，能否解释实际现象很关键。因此，有限元仿真分析其实与实验是相辅相成的，仿真的第一步必然是建立仿真模型，并修正和验证仿真模型的有效性。对于功率循环来说，考核的主要是器件封装在往复周期性温度变化过程中的热应力，因此，模块的热流路径至关重要，可通过瞬态热阻抗来修正模型。下图11为仿真和实验获得的模块S2瞬态热阻抗曲线，仿真与实验结果有非常高的吻合度，最后的些许差异来源于不同的安装条件，从两个实验结果也可看到。图11 S2的瞬态热阻抗曲线对比实验验证后的有限元仿真模型就具备与真实器件相同的热流路径了，可以用来进行功率循环仿真分析。这里值得一提的是，对于功率循环的功率循环仿真分析，必须使用电-热耦合仿真，一方面是纯热仿真没有芯片的电热耦合作用，另一方面是纯热仿真没有键合线的自发热现象，这会导致仿真结果的偏差。这里以S2和S3的有限元仿真来进行说明，下图12为功率循环仿真的结温变化曲线，芯片的结温提取的是芯片表面平均温度，这是与VCE(T)方法获得的值最接近的表征。仿真所用的条件均来源于实验测量结果，仿真过程与实验测试过程一样，通过调整芯片的电导率来获得不同的功率最终达到相同的结温差，调整环境温度来达到相应最大结温。(a) S2在不同ton条件下仿真的结温曲线 (b) S3在不同Tjmax条件下仿真的结温曲线图12 仿真得到的结温曲线获得与实验相同的结温后就可以进行器件内部更为细致和全面的分析，下图13为S2和S3在相同的功率循环条件下芯片表面的温度分布，由于铜散热面积的差异，导致温度分布有所差异，最终导致失效位置发生了变化，如图10所示。因此，通过电气参数的测试可以知道器件的整体变化情况，但无法定位到具体位置，而通过SAM超声波扫描则可获得基本位置信息，但无法准确分析其原因以及产生的机理。最终通过有限元仿真可以得到器件内部更为细节的信息，实现对器件的失效机理研究和封装结构优化。但最为根本的是要把握器件的所有信息，结果能进行相互验证，缺一不可。(a) S2, ton=2s, ΔTj=89.5K和Tjmax=147.7˚C (b) S3, ton=2s, ΔTj=90.9K和Tjmax=152.1˚C图13 芯片表面温度分布4、总结上述以功率循环为例详细描述了需要进行的哪些实验、步骤和原理，严格按照上上述实验步骤再加上一些经验基本上就具备了全面分析功率器件老化失效的能力。但要达到更高水平，尤其是能在做实验过程中主动解决所有遇到的问题，还需要更为细致和深入的学习，其中最最最为核心的就是要把握每个测试的基本原理。只有把握了这些参数、测试的基本测试原理，逻辑思路和功率器件的基本物理过程，才能更深刻的理解一些问题，并解决实际中遇到的问题。主要参考文献[1] MIL-STD-883G, United State420_20220614.jpg" style="margin: 0px padding: 0px border: 0px max-width: 100% color: rgb(51, 51, 51) font-family: " hiragino="" sans="" microsoft="" helvetica="" text-align:="" text-indent:="" white-space:="" background-color:="" max-height:=""/

p 　　由我国科学家自主研发的国内首台高平均功率太赫兹自由电子激光装置，日前在四川成都首次饱和出光。经第三方检测，实验真实可靠且装置运行稳定。我国太赫兹源从此正式进入自由电子激光时代。 /p p 　　8月29日，由中国工程物理研究院应用电子学研究所牵头的高平均功率太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)首次饱和出光，并实现稳定运行。9月20日，经过专家组现场测试和中国兵器工业第205研究所第三方检测，CTFEL装置太赫兹频率在1.99THz、2.41THz和2.92THz三个频率点稳定运行，平均功率均大于10W，最高达到17.9W 微脉冲峰值功率均大于0.5MW，最高达到0.84MW。通过调节电子束能量和磁场强度，可以实现输出激光频率连续可调。 /p p 　　太赫兹(THz)辐射通常指频率在0.1THz—10THz区间的电磁辐射，波段位于微波和红外光之间，是人类尚未完全认识并很好加以利用的最后一个波(光)谱区间。物质的太赫兹光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息，研究有关物质在这一波段的光谱响应，探索其结构性质及其所揭示的新的物理内容已成为一个新的研究方向。自由电子激光(FEL)由于具有频率连续可调、功率大、线宽窄、方向性好、偏振强等优点，使得在同一台装置上实现太赫兹波段全覆盖的大功率理想太赫兹源成为了可能，故自由电子激光是目前该波段最有前途的高功率可调谐相干光源。 /p p 　　CTFEL装置是依托科技部支持的国家重大科学仪器设备开发专项“相干强太赫兹源科学仪器设备开发”项目，于2011年立项启动。作为一种新型相干强太赫兹光源，CTFEL装置在材料、生物医学等领域有着重要应用前景。 /p

近日，华中科技大学光学与电子信息学院教授和团队， 通过获取光场相位信息，实现了 256 万亿帧/秒的拍照帧率，借此造出目前世界上最快的光场摄像机之一。图 | 李政言（来源“”）在评审相关论文时，一位激光脉冲时空测量领域的专家表示，该课题组制作的超快光场摄像机是领域内多年来极度渴望的仪器和技术。在应用前景上，表示：“我们期待超快光场摄像机在两方面取得应用，一方面是服务大型激光装置，另一方面是服务工业应用。”就大型激光装置来说，面向高能量密度物理、强场物理等前沿科学和能源、以及国防安全等战略应用的需求，中国、欧洲、和美国都已建设了一批超大能量脉冲激光装置。然而，这类装置重复频率极低。并且，巨大的光束口径导致激光脉冲光场存在复杂的时空耦合。因此，需要先进的光场时空诊断设备，引导激光装置进行优化，并为物理实验的理论分析和数值仿真，提供初始输入激光信息。就工业应用来说，激光精密加工有两个趋势，一是超快化甚至飞秒化，即使用飞秒激光作为光源，借此实现冷加工并提高精度；二是智能化，即以在线方式观测材料的特性，并对激光参数做出调整。所以，通过安装超快光场摄像机模块，有望让激光精密加工设备长出一只“眼睛”，也即通过实时采集探针光信号、以及观测材料超快时间尺度相应，来对加工工艺做出动态优化。（来源：Light: Science & Applications）以较低成本实现极高的时间分辨率尽管成果很新，但是背景很“旧”，这要从 144 年前说起。1878 年，美国摄影师埃德沃德迈布里奇（Eadweard Muybridge）使用安置在赛道上的 12 台照相机，来拍摄奔跑的赛马。借此证明马在奔跑时会四个蹄子同时离地，解决了几个世纪以来画家和艺术家的困惑，并给电影发明带来了灵感。时隔一百多年，2018 年诺贝尔物理学奖部分授予杰哈莫罗（）和唐娜斯特里克兰（）这两位科学家，以对他们发明的高功率超快激光的啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification, CPA）做出表彰。在激光精密加工、近视的激光视力矫正、惯性约束核聚变等高功率超快激光的应用中，每一个超快激光脉冲仿佛一匹光速奔跑的“赛马”，在各类物质的“赛道”上穿行时。对于激光脉冲和物质特性在极短时间内的演化现象，人们同样充满好奇，希望像迈布里奇那样为激光与物质相互作用的过程“拍摄电影”。（来源：Light: Science & Applications）基于此，制作了这台超快光场摄像机 。在超快光学领域中，它能为激光脉冲和激光照射的物质“拍摄电影”，并同时具有空间分辨和时间分辨的单发测量能力。几十年来，尽管在超快光学领域出现了大量时间分辨测量技术，但多数方法主要测量不同时刻下某个物理量的演化，普遍缺少空间分辨能力；要么得让激光脉冲的“赛马”多次跑过物质“赛道”进行重复测量。而超快光场摄像机只需激光脉冲一次性地作用于物质，它记录的是光速飞行的激光脉冲通过某个特定位置时，位于这一位置光场的二维空间分布。这样，人们就能一次性得到激光脉冲三维时空分布的“电影”。而实现单发光场摄像的难点在于，如何使用常规照相机的等二维阵列式探测器，来一次性地记录三维数据。研究中，该团队借鉴了压缩感知概念，在前人光学压缩成像技术的基础上，将待测光场的三维信息“压缩”到二维探测器上并进行一次性采集，从而实现了摄像机的功能。此外，不同于一般摄像机或探测器记录的是光强度信息，超快光场摄像机的记录包括振幅和相位信息在内的“光场”信息。对于表征超快激光脉冲来说，获取光场信息是非常重要的，它既决定着激光脉冲中各个颜色成分的时间先后关系，还决定着影响聚焦和成像质量的空间波前分布。另外，在对激光照射物质的探测过程中，获取探针光束的完整振幅和相位信息，可以帮助人们完整了解物质不同位置的光学性质，同时获取折射率、吸收率等重要参数的空间分布。该成果的另一亮点在于，超快光场摄像机以较低的成本，实现了极高的时间分辨率或“电影”帧率。日常生活中，我们观看的电影帧率一般为 24 帧/秒，最高可以达到 120 帧/秒，仅能满足人眼视觉暂留效应的要求。而团队的超快光场摄像机，记录的是光速飞行的超快激光脉冲的“赛马”过程，即在各类物质“赛道”上奔跑的过程，需要观测飞秒（10 -15 秒）时间尺度内发生的事件，所需的帧率在万亿帧/秒量级。近日，相关论文以《单次压缩光场形貌》（）为题发表在 Light: Science & Applications 上，唐浩程和门庭为共同第一作者，担任通讯作者 [1]。图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）为超快时间尺度内发生的任意事件拍摄电影据介绍，课题组的目标是为超快时间尺度内发生的任意事件“拍摄电影”。这项工作最早要追溯到十四年前读博期间。他说：“2008年 8 月开始我到美国德克萨斯大学奥斯丁分校读博士，第一次见到导师 教授他就给我指派了博士论文课题：为超高强度超短激光脉冲在等离子体中激发的光速传播的尾波‘拍摄电影’，这样就可以对基于等离子体尾波的新一代桌面型电子加速器提供实时诊断。”这是一个挑战性极高的课题，经过六年的努力，只能部分地解决这一问题。例如，在测量技术方面，他和当时的所在团队发展了一种基于多束探针光和断层成像技术（tomography）的方法，可以为光速飞行的折射率结构拍摄“电影”[2]，并被 Nat. Phot. 以 News & Views 文章的形式再次进行报道。后来，他还观测到了等离子体尾波纵向结构的演化规律 [3]。然而，为激光驱动的等离子体尾波“拍摄电影”的梦想一直没能实现，主要难点在于无法在单发条件下，用二维探测器记录三维数据信息。2014 年，的合作者 （现为加拿大魁北克大学应用计算成像实验室教授），发表了基于压缩感知概念的超快照相技术的论文 [4]，对前者解决等离子体尾波电影拍摄中遇到的维度问题，带来了极大启发。然而，超快压缩照相技术获得的是光场的强度时空分布信息。另一方面，等离子体尾波主要调制探测激光的相位。那么，如何使用超快压缩照相技术来同时测量包含振幅和相位的光场信息，就成为亟待解决的问题。同时，这也是研究基于压缩感知的超快光场摄像机的问题来源。2017 年，回国入职华中科技大学，经过前期实验室建设和武汉疫情，他和团队终于在 2020 年秋季，开始了针对超快光场摄像机的研究。（来源：Light: Science & Applications）“研究早期充满了挣扎，一方面我们需要反复试错以完成实验系统光学设计和成像质量的不断优化，另一方面激光光场高光谱图像的压缩感知重构技术以及相关算法，对我们来说是新事物，需要不断积累经验。”他说。在这过程中，非常感谢负责具体实验和数据处理工作的研究生唐浩程和门庭，以及 教授和他的学生 Xianglei Liu。他继续说道：“唐浩程和门庭当时是刚刚入学的一年级研究生，面对陡峭的学习曲线虽然也曾抱怨这个课题‘就像要去五金店里翻找一些零件组装成一部汽车’，但凭借扎实的理论实验基础和顽强的毅力，以及合作者在压缩照相重构算法方面的有力支持，终于克服了种种困难。”到 2021 年秋，他们终于能以较好的可靠性，实现飞秒激光脉冲的超快光场摄像机，并利用它对光速飞行的激光等离子体电离前沿进行表征测量。（来源：Light: Science & Applications）然而，对于超快光场摄像机的探索并未结束。因为，为等离子体尾波“拍摄电影”的梦想并未实现。“也许我们已经找到更好的途径，离目标更近了一些，但仍需要朝着既定方向努力工作。进入 2022 年，我们继续进行超快光场摄像机相关的研究，并取得了一些进展，主要体现在进一步提高系统稳定性和可靠性、获取更全面的矢量光场信息、探索更多的超快光场摄像机应用等。”表示。如今，2022 年即将迎来尾声。对于更久之后的规划，他表示：其一，将进一步完善超快光场摄像机技术。目前的方法基于标量光场的假设，只测量了待测光场的振幅和相位信息。但是，实际的光场具有矢量形态的电 磁波，这时面对待测光场的偏振态以及矢量特征，就得做出完整的测量。其二，他计划完成一些基于超快光场摄像机的典型泵浦-探测实验。泵浦-探测实验，是探索物质超快时间尺度属性的有力工具。因此，他希望使用超快光场摄像机，来为探针光拍摄光场“电影”。其三，他也打算实现一些基于超快光场摄像机的应用。基于此，希望与领域内专家展开更多合作。尤其是在大型激光科学装置上，他期待能研发出一种实用的、小型化的超快激光光场时空表征仪器。而在工业应用方面，他将继续耕耘于为未来的超快激光加工设备配备一双“眼睛”，从而实现基于材料特性实时观测的智能加工。参考资料：1.Tang, H., Men, T., Liu, X. et al. Single-shot compressed optical field topography. Light Sci Appl 11, 244 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00935-02.Z. Li, et al., Nat. Commun. (2014) 5, 30853.Z. Li et al., Phys. Rev. Lett.(2014) 113, 0850014.L. Gao, J. Liang et al., Nature (2014) 516, 74–77

自2019年5月20日起，新的国际单位制正式实施，其中质量的单位千克启用了基于普朗克常数的新定义。能量天平是我国自主的千克新定义复现方案，该方案由中国计量科学研究院张钟华院士提出。能量天平利用电磁力做功与电磁场能量变化之间的转换与平衡，建立普朗克常数与被测砝码质量之间的桥梁。图1 能量天平结构示意图与测量原理电磁力做功量的测量涉及电磁力大小的测量和线圈相对位移测量两方面。因此，悬挂线圈与激励磁体的相对位移测量系统至关重要。它不仅实现了能量天平对于“米”的量子化基准的溯源，而且在保证能量天平积分区间的一致性上也发挥了关键作用。能量天平采用外差激光干涉测量系统对悬挂线圈与激励磁体的相对位移进行测量（图2），但该干涉测量系统存在较大的光学闲区（图3），进而影响了能量天平在空气环境中运行时位移测量的准确性。图2 能量天平激光干涉测量系统图3 能量天平光学闲区示意图近日，发表于《计量科学与技术-中国计量科学研究院专刊（2022）》的文章“能量天平激光干涉测量系统闲区长度测量方法研究”，对能量天平干涉测量系统中闲区长度测量方法进行了分析与讨论。主要成果（1）提出了基于真空/空气环境光程差测量的光学闲区长度测量方法。该方法利用能量天平的真空系统改变光学闲区的空气折射率；利用激光干涉系统测量折射率改变过程中的光程变化，进而测得光学闲区的长度，将原毫米量级的闲区长度测量不确定度抑制至4 μm，大大提高了光学闲区长度的测量能力。（2）利用光学闲区长度表征的绝对距离，实现了对能量天平激励磁体与悬挂线圈间相对零位的测量，以保证悬挂线圈系统位于磁体的均匀区范围。该相对零位的标准测量不确定度达到了54.2 μm。此项研究得到了国家自然科学基金青年基金项目(51805507)的支持。能量天平科研团队简介重新定义千克曾被《Nature》列为世界性的科研难题。张钟华院士向这一科研难题发起了挑战，提出了基于全静态测量的能量天平方案，该方案被《Metrologia》列为国际三种千克量子化定义与复现方法之一。目前，能量天平由李正坤研究员带领的年轻团队接力攻关。该团队连续攻克了高匀场激励磁体设计、准静态磁链差测量、外磁屏蔽方法优化、真空超精密几何量测量、能量天平准直误差理论与技术、超高直线度重载驱动方法与装置等一系列科研难题，建立了第二代能量天平装置NIM-2，其实物图如图5所示。该装置于2019~2020年间，代表中国参加了千克新定义后的首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）。经国际计量局对各国的数据综合评定，能量天平的测量结果与比对参考值（KCRV）的相对偏差为1.17E-8，相对标准不确定度为4.49E-8，比对结果如图6所示。该测量数据已成功用于首个国际质量共识值（the Consensus Value）的评定，进而用于SI新定义后全球质量量值传递。能量天平的研究工作，为建立我国自主的质量量子化基准装置提供了重要的技术支撑。图5 能量天平装置实物图图6 首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）比对结果

第四届国际高功率激光科学与工程学术研讨会，为您带来疫情期间全球高功率激光研究最新进展。由中国科学院上海光学精密机械研究所发起并主办，中国激光杂志社、中国工程物理研究院、上海交通大学IFSA协同创新中心等联合主办的第四届国际高功率激光科学与工程学术研讨会（HPLSE 2021）将于2021年4月12–16日（报道：12日，大会时间：13-16日）在苏州举办。HPLSE国际学术研讨会已经成为国际上高功率激光和高能量密度物理领域最具规模和水平的国际会议之一，为全球高功率激光和物理学专家打造高端、活跃的学术交流平台。 众星联恒将携手日本NTT-AT共同亮相本次大会，并将有幸于14日下午在大会专题1分会场和各位专家学者就《X射线多层膜——原理、工艺、特点及其在静态和超快X射线衍射中的应用》主题进行交流分享。NTT-ATNTT-AT有着多年的EUV/XUV/SXR/X-RAY光学元件的研发与销售经验。在全球范围内，与来自高能密度物理，等离子体物理，同步辐射科学，阿秒科学等领域的众多科学研究者开展了紧密合作，积累了大量独特的设计、制造技术，其产品在业内享有很高的评价。专题一: 高能量密度物理激光等离子体相互作用惯性约束核聚变实验室天体物理核光子学超亮X射线及其应用激光驱动电子与离子加速极端非线性与相对论光学众星在主会场(17)及专题一分会场(13)均设有展台，诚挚邀请各位专家学者莅临，我们将在现场为您提供专业化的咨询服务。大会专题Topic 1: High energy density physics 高能量密度物理Topic 2: High power laser systems 高功率激光系统Topic 3: Laser components for high power laser 高功率激光单元器件Topic 4: Advanced laser technologies and applications 先进激光技术及应用

上海比朗仪器有限公司 　　地址：上海市闵行区北松公路588号7号楼5层 　　EMail：info@bilon.cn 　　电话：021-52965776 　　上海比朗BL-GHX系列光化学反应仪是在上海交通大学，华东理工大学多名教授的技术支撑下研发成功，主要用于研究气相或液相介质、固定或流动体系、紫外光或模拟可见光照、以及反应容器是否负载TiO2光催化剂等条件下的光化学反应。具有提供分析反应产物和自由基的样品，测定反应动力学常数，测定量子产率等功能，广泛应用化学合成、环境保护以及生命科学等研究领域。 　　光化学反应仪主要特征： 　　●微电脑控制器，功率连续可调(国内领先)。 　　●控制器置有电流表和电压表，便于观察电流和电压变化。 　　●有微电脑定时器，可分步定时。 　　●内照式光源，受光充分。 　　●配有磁力搅拌器，使样品充分混匀受光。 　　●双层石英冷阱，可通入冷却水循环以避免光源温度过高受损。 　　●箱体内左侧有 2个专用插座，供箱内灯源和搅拌反应器插头用。 　　●配有可移动式推车，便于移动或固定。 　　●BL-GHX-I型适合大批量样品的处理。 　　BILON品牌光化学反应仪的功率连续可调节，填补了国内同类产品的空白。 　　我公司即将推出的直流控制方式控制器具有以下特点： 　　(1)可将灯的使用寿命延长1倍以上 　　(2)电流、电压更加稳定 　　(3)光能量更为集中。新品的推出将为光化学产品带来技术上的重大革新。 　　光化学反应仪技术参数: 　　★光源功率可连续调节大小。 　　★BILON集成式光源控制器，可供汞灯、氙灯、金卤灯等多种光源使用。 　　★汞灯功率调节范围：100~1000W可连续调节。 　　★氙灯功率调节范围：100~1000W可连续调节。 　　★金卤灯功率调节范围：100~450W可连续调节。 　　★玻璃反应器皿可以分别选用250ml、500ml、1000ml等(或定做)。 　　产品配置： 　　反应暗箱：1台，BILON专用光源控制器：1台，石英冷阱：1只，汞灯：1支，氙灯：1支，金卤灯：1支，搅拌器：1台，样品反应瓶：1只(250ml,500ml,1000ml可选)，移动推车：1个。 详情了解链接：http://www.bilon17.org

CEL-NP2000-Sun180太阳光功率计主要用在户外测量波长范围为300nm～3000nm的太阳光总辐射，可以实现测试太阳光0-180°连续全天候角度下的光功率辐射值，实现全天候测量。太阳光功率计感应面向下可测量反射辐射值，也可用于测量入射到斜面上的太阳辐射，加遮光环可测量散射辐射。CEL-NP2000-Sun180太阳光功率计可广泛应用于户外气象、太阳能利用，太阳光测量，农林业、建筑材料老化及大气环境监测等部门的太阳辐射能量的测量。太阳光功率计由双层石英玻璃罩、感应元件、遮光板、表体、干燥剂等部分组成。双层玻璃罩是为了减少空气对流对辐射表的影响。内罩是为了截断外罩本身的红外辐射而设的。感应元件是太阳光功率计的核心部分，由快速响应的绕线电镀式热电堆组成，感应面涂特种无光黑漆、热结点，当有太阳光照射时温度升高，与另一面的冷结点形成温差电动势、电动势与太阳辐射强度成正比，实现实时的测量。主要技术指标：1.灵敏度:7～14μvw-1m-22.光谱范围：300nm～3000nm3.测量角度：0-180°（全方位）4.测试范围：0～2000Wm-25.年稳定度：≤±2%6.余弦响应：≤±7%（太阳高度角10°时）7.方 位：≤±2%（太阳高度角10°时）8.响应时间：＜10s（95％响应）9.非 线 性：不大于±2%10.温度漂移系数：不大于±2%（-10～40℃）11.输出信号 0～20mV