2024年3期 - 电子元件与材料

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2024年3期

综述与评论

铁电光伏效应的理论机制及其研究进展
作者杨甜甜, 魏杰.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 253-263. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1460
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近期,铁电体的反常光伏效应在太阳能光伏领域引起了广泛关注。基于体光伏效应的铁电光伏器件的内部机制与基于p-n结的传统光伏器件不同。体光伏效应是指在缺乏反演对称性的材料中产生稳定的光电流和超过带隙的光电压。尽管体光伏效应具备巨大应用潜力,但其内部机制尚不明确。回顾了铁电体中铁电光伏效应的理论发展历程和最新进展,重点讨论了体光伏效应的内部机制和理论模型。揭示了对体光伏效应现象与弹道电流、位移电流机制的理论理解及其实验研究。最后,讨论了体光伏效应在未来应用中所面临的机遇和挑战。

Cu核微焊点液-固界面反应及剪切行为研究
作者钱帅丞, 陈湜, 乔媛媛, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 367-373. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1298
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相较于传统Sn基焊点,Cu核焊点具备更好的导热性、导电性及力学性能。为揭示尺寸效应对Cu核焊点界面反应及剪切强度的影响,制备了不同Sn镀层厚度的Cu核焊点(Cu@Ni-Sn/Cu)。观察回流不同时间后Cu核微焊点横截面微观组织,研究了Cu核微焊点在尺寸效应下的液-固界面反应。之后对Cu核微焊点进行剪切测试,结合断口形貌,分析断裂机理。界面反应结果表明:Cu@Ni-Sn/Cu焊点在250℃回流时,Sn/Ni界面生成Ni含量较高的针状(Cu,Ni)₆Sn₅IMC,Sn/Cu界面生成Ni含量较低的层状(Cu,Ni)₆Sn₅IMC。剪切测试结果表明:随着Sn镀层厚度增加,Cu@Ni-Sn/Cu焊点的剪切强度先增大后减小。基于Sn镀层厚度对界面(Cu,Ni)₆Sn₅IMC层体积的直接影响,Sn层厚度的增加提升了焊点剪切强度。然而Cu@Ni-Sn(60μm)/Cu焊点中Cu核位置的偏移,造成剪切强度略

SOP8功率MOSFET结壳热阻与封装可靠性研究
作者何成刚, 朱岚涤, 陈胜全, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 359-366. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1375
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为研究SOP8双MOS芯片结壳热阻与封装可靠性,建立了封装芯片模型。运用有限元软件通过构建热-结构模块仿真了在EME-E115与CEL-1702HF两种塑封材料下的芯片结壳热阻情况,分析了热量在封装芯片内部的主要传递路径。对比分析了两种塑封仿真下塑封料外壳体、MOSFET、引线框架的变形与应力情况,研究了粘接层厚度变化对MOSFET最大等效应力的影响。研究结果表明,在SOP8双MOS芯片的内部,热量主要是沿着引线框架基板向塑封料底部进行传递。粘接焊料增厚50μm,MOSFET结温增幅未超过0.1℃,结温点到塑封料底面中心的热阻升高约1.3℃·W^-1。相比于EME-E115塑封料,使用CEL-1702HF塑封料进行封装仿真时,可使功率MOSFET的结壳热阻降低约20%,且芯片封装体在变形、应力方面均具有明显优势。增大粘接焊料的厚度可以有效减小MOSFET的应力。EME-E115与CEL-1702HF塑封下的MOSFEF最大等效应力在粘接焊料厚度分别超过40μm和50μm后均

一种超宽带双陷波可穿戴天线设计
作者李林, 刘洪庆, 李荣强.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 353-358. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1492
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基于牛仔布柔性材料,设计了一种小型化双陷波超宽带可穿戴天线。天线由牛仔布料基板、开槽单极子辐射贴片和缺陷地平面构成,具有超宽带特性,能覆盖3.1~10.6GHz的超宽带频段范围。通过在天线接地板刻蚀两条新型蜿蜒形槽和在单极子辐射贴片上添加对称枝节以实现双陷波特性。该天线结构紧凑,尺寸仅为24mm×28mm×0.84mm。仿真的-10dB天线工作带宽为143.7%(2.95~18GHz),并且天线在3.24~3.87GHz和5.11~5.91GHz频段内具有双陷波特性,能有效抑制全球微波互联接入系统(WiMAX)和无线局域网(WLAN)频段的干扰。此外,对天线的可弯曲性、辐射性能以及人体安全性能进行了分析。测试与仿真结果基本一致,表明该天线可用于可穿戴系统中。

基于双螺旋结构的紧凑型全向圆极化天线
作者朱红博, 陈卓著, 张铭达, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 347-352. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1556
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针对混合法向模螺旋天线方向图不对称问题,提出了一种基于双螺旋法向模的紧凑型全向圆极化天线。该天线主要由两种不同尺寸的螺旋、连接不同尺寸螺旋的两对金属短棒以及馈电巴伦组成。其中,大小螺旋分别主要贡献水平极化和垂直极化,从而实现全向圆极化辐射。相对于单螺旋法向模天线,该双螺旋天线结构更对称,能够实现更为均匀的全向辐射方向图。同时,利用两对金属短棒将大小螺旋进行级联,天线结构更加紧凑,横向尺寸仅为0.15λ。研究结果显示,该天线仿真轴比带宽2.29~2.49GHz,全向增益范围1.2~2.2dBic,能够实现良好的全向圆极化辐射。天线采用金属3D打印技术进行加工。实测结果与仿真结果吻合良好,实测轴比带宽2.27~2.47GHz,最大增益2.08dBic,水平面轴比小于3dB,适用于室内物联网等应用场景。

形变稳定的负磁导率超材料双频柔性天线
作者王蒙军, 靳善美, 户天宇, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 335-346. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1084
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为了解决力学形变对柔性天线电磁特性影响的问题,设计了一种形变稳定的柔性天线,利用加载负磁导率超材料结构增加天线的新频段,使天线工作于2.45GHz和5.80GHz频段。分析了负磁导率超材料结构增加天线频段的机理与影响因素,进而总结了电磁-力学多物理场耦合特性。天线整体尺寸为0.24λ₀×0.20λ₀(λ₀为2.45GHz时自由空间的波长),厚度仅为0.001λ₀,实验结果表明天线在弯曲半径R为10~50mm时频段参数不变。可见加载负磁导率超材料结构单元可以增加天线频段,在一定的力学形变条件下电磁特性仍保持稳定,满足柔性天线超薄小型化的设计需求。

一种精确分段补偿的带隙基准电压源设计
作者何浩, 冯全源.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 328-334. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1448
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针对传统的带隙基准电压的温漂系数较高的问题,设计了一种低温漂系数的带隙基准电压源。分别引入正负温度系数电流在高温和低温阶段对带隙基准电压进行线性补偿。NPN管作为开关管,通过工作在线性区的NMOS管作为等效电阻将正负温度系数电流转换成基极电压,控制NPN管导通和截止,进而控制开始和结束补偿的温度,实现精确补偿。基于SMIC0.18μm工艺通过Cadence进行仿真。仿真结果为:在输入电压5V时,温度在-40~125℃内,输出电压经过精确补偿后,温漂系数从16.48×10^-6/℃下降到0.829×10^-6/℃。输出基准电压最大仅变化152μV。在室温下,低频时电源抑制比为73.7dB,电压源可以在2.8~7.5V稳定工作。

一种基于PIN二极管的可切换吸透一体超材料设计
作者李良柱, 张健穹, 林良圳, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 322-327. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1502
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设计并验证了一种基于集总电阻和PIN二极管的可切换吸透一体超材料结构,以实现宽带透波和通带可开关特性。该超材料单元结构由连接集总电阻的交指谐振器、带通频率选择表面层以及加载PIN二极管的开关控制层组成。通过等效电路理论对单元结构与谐振频率之间的关系进行了分析。通过对单元结构的表面电流和电场分布的分析,揭示了其吸波机理。研究结果表明:当PIN二极管处于导通状态时,设计的结构在9.48~10.31GHz透波频段内插入损耗低于1dB,在5.34~8.08GHz和11.89~15.14GHz频段内具有90%以上的吸波率,并且在5.21~15.37GHz频带内整体反射系数低于-10dB,展现出良好的宽频隐身效果;而当PIN二极管处于截止状态时,原本的通带变为全反射带,反射系数大于-1dB。这一设计在隐身领域具有潜在应用价值。

多层LCP基板过孔互联结构高精度等效电路模型
作者刘维红, 杨孜, 刘烨, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 313-321. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1440
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液晶高分子聚合物(LiquidCrystalPolymer,LCP)作为一种优异的毫米波封装材料,被广泛应用于毫米波高密度系统集成电路设计。在多层电路系统中,过孔作为核心电路单元,可以实现不同层器件以及传输线的互联,有效减小了电路体积,改善了毫米波信号的传输效率。针对传统互联结构建模方法中存在的精度低、耗时长等难题,提出了一种高精度的过孔内在等效电路模型。该模型分析了电源/地平面对过孔传输特性的影响,考虑了电磁模式转换产生的寄生效应,并对传统π型等效电路模型进行了优化。基于过孔的内在等效电路模型,结合微波级联法构建了整个过孔互联结构的等效电路。通过4层LCP封装基板技术,制作了接地共面波导-带状线-接地共面波导(GCPW-SL-GCPW)过孔互联结构电路板并进行测试。结果表明,等效电路仿真结果、全波仿真结果、实测值高度一致,验证了高精度等效电路模型的有效性。

蓝宝石高温弹性模量的理论计算和实验测量
作者张毅, 沈民浩, 刘禹男, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 306-312. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1389
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蓝宝石因其良好的透光性和高温稳定性而成为光纤式高温压力传感器的理想结构材料。蓝宝石在高温下弹性模量的变化与其高温压力测量的准确性密切相关,因此获取高温条件下蓝宝石的弹性模量是设计和制备高温压力传感器的必要前提条件。基于高温原位XRD测试得到不同温度下蓝宝石的晶胞参数,然后利用第一性原理对蓝宝石的弹性性能进行了理论计算,得到蓝宝石高温情况下的弹性刚度矩阵和柔度矩阵。同时基于脉冲激振法,测量了室温至1200℃范围内不同取向蓝宝石样品的弹性模量,验证了理论计算结果的准确性。理论计算及实验结果均表明:随着温度的升高,蓝宝石的弹性模量减小,并且不同晶向之间存在显著差异。所获取蓝宝石的高温弹性模量数据可为相关高温压力传感器的设计提供基础数据参考。

含空位的二维GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究
作者张丽丽, 王晓东, 马磊, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 299-305. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1248
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基于密度泛函理论,计算了二维GaN及其Ga、N空位体系的电子结构和光学性质,通过形成能的计算分析了空位缺陷体系的稳定性,然后进一步计算了各体系的电子结构,分析并讨论了空位缺陷对吸收光谱的影响。计算结果表明:Ga-N空位体系形成能最小,该结构最容易形成;Ga空位体系产生的缺陷能级使二维GaN呈现p型半导体特性,反之N空位缺陷呈现n型半导体特性,缺陷能级的出现有利于提高二维GaN电子迁移率以及光响应能力;各空位体系的吸收光谱均发生红移,其吸收系数在低能区域均大于本征二维GaN,这说明Ga、N空位的产生可以提升二维GaN对可见光的吸收能力。

第一性原理研究In， Cr， Sb掺杂BiOIO3的电子结构和光学性质
作者苟杰, 王云杰, 白雪, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 291-298. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1382
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基于第一性原理研究In,Cr,Sb掺杂BiOIO₃的电子结构和光学性质的理论机制。BiOIO₃与In,Cr,Sb掺杂BiOIO₃四种结构体系的带隙值分别为1.910,1.837,1.777和1.603eV,与BiOIO₃本征带隙相比较,掺杂In,Cr,Sb元素后跃迁方式都由间接带隙变为直接带隙,这一变化表明掺杂后减少了跃迁需要的能量。且Cr掺杂体系表现出n型半导体特性,表明引入Cr加快了电子的迁移速率,使Cr掺杂BiOIO₃具有更高的导电性能。在对光学性质的研究中,发现掺杂元素Cr后BiOIO₃对紫外光、红外光区域的吸收能力都大幅度提升,并提高了可见光光催化活性。掺杂In,Cr,Sb后BiOIO₃晶体在1064nm处的双折射率分别为0.227,0.141和0.247,In和Sb掺杂增大了双折射率,而掺杂Cr元素降低了双折射率。

喷涂功率对稀土元素掺杂氧化锆涂层微波介电性能的影响
作者梁莹, 李天天, 李昕, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 284-290. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1553
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以Yb₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃和ZrO₂为原材料,采用固相反应法合成了锆酸钆钇镱(YGYZ)陶瓷粉末,采用等离子喷涂技术在不同喷涂功率下制备了YGYZ涂层。系统研究了喷涂功率变化对涂层微观结构、物相组成、孔隙率、介电常数以及力学性能的影响。结果表明,随着喷涂功率的升高,涂层内部会产生应力,涂层的密度和介电常数随之升高,而涂层的孔隙率、介电损耗和显微硬度则随之降低。喷涂功率为65kW时,涂层微波介电常数最小,其值为13.31,对应的介电损耗为3.8×10^-2。采用镱、钆和钇稀土元素掺杂的氧化锆涂层具有较低的介电常数和较高的热稳定性,在航空发动机领域具有应用前景。

铪钛酸钡陶瓷制备及其压电性能的微观机制研究
作者李雄伟, 尹红梅, 周恒为, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 277-283. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1376
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采用传统固相反应法制备系列BaHf_xTi_1-xO₃陶瓷,通过对陶瓷的压电、铁电、相组成、晶粒尺寸的测试和分析,发现:所有BaHf_xTi_1-xO₃陶瓷样品均具有纯钙钛矿结构,室温均为铁电体具有压电性;在x<0.1时室温压电系数为195~327pC/N,x=0.02时,压电系数、剩余极化强度和平均晶粒尺寸最大,分别为327pC/N,13.3μC/cm²和37.2μm,大晶粒尺寸和四方-正交-三方多相共存是其具有大压电系数的主要原因。

基于石墨嵌入式结构的SiC功率模块热仿真与优化
作者王广来, 汪涵, 倪艳, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 270-276. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1365
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SiC器件相比于Si器件,具有更高的功率密度,表现出高的器件结温和热阻。为了提高SiC功率模块的散热能力,提出了一种基于石墨嵌入式叠层DBC的SiC功率模块封装结构,并建立封装体模型。通过ANSYS有限元软件,对石墨层厚度、铜层厚度和导热铜柱直径进行分析,研究各因素对散热性能的影响,并对封装结构进行优化以获得更好的热性能。仿真结果表明,石墨嵌入式封装结构结温为61.675℃,与传统单层DBC封装相比,结温降低19.32%,热阻降低27.05%。各影响因素中石墨层厚度对封装结温和热阻影响最大,其次是铜柱直径和铜层厚度。进一步优化后,结温降低了2.1%,热阻降低了3.4%。此封装结构实现了优异的散热性能,为高导热石墨在功率模块热管理中的应用提供参考。

GaN HEMT栅偏置电压与反向传导电压的解耦合研究
作者周峰, 荣玉, 郑有炓, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 264-269. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1455
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第三代宽禁带氮化镓高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)的反向传导特性由于受到栅极偏置的控制作用,限制了器件在双向DC/DC变换器等场景中的实用化发展。通过采用源极控制p-GaN区域的结构设计,使得部分异质结导电沟道受到源极控制,实现了反向传导电压与栅极偏置电压的解耦合,有效解决了负栅偏压下器件的反向传导特性退化难题。研究表明,当器件p-GaN层上方的源控金属块和栅极金属块长度比值为1∶1时,有利于实现正向与反向传导性能的最佳折中。在150℃高温下,采用新结构设计的GaNHEMT维持了低开启反向传导能力。双脉冲动态开关测试表明,器件具有快速开关能力。器件制备工艺简单,兼容现有的GaNHEMT工艺流程,有望促进GaN功率半导体器件技术在变换器应用领域的实用化发展。

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耐低温液态铝电解电容器开发方法的研究
作者李刚, 王婷, 黄远彬, 等.
来源电子元件与材料, 2024, 43(3): 374-378. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2024.1437
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电子元器件宽温化是必然趋势,为保障铝电解电容器低温性能的可控性,通过对电容器等效电路模型的梳理,建立了电容器低温容量比α_xx和工作电解液的低温电导率σ_xx之间的关系式,并进行了实验验证。研究结果表明:当电容器材料配套与工作电解液相匹配时,经关系式估算和实验验证发现,低温下电容器要求满足一定容量比所需的实际电导率σ_测与估算电导率σ_算误差约5%,说明α_xx和σ_xx的关系式具有较高的参考价值。根据结果得出开发耐低温电容器的方法:先选定材料配套和相匹配的工作电解液制成电容器,测试和计算相应的参数;然后由低温下电容器需要的容量比α_xx根据关系式估算出需要的电导率&sig

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