用于恶劣环境的碳化硅微机电系统 (英)张,王晓浩,唐飞,王文弢 9787030268624 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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英张，王晓浩，唐飞，王文弢 著

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• 器件
• 可靠性
• 高温

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030268624

商品编码：29334466644

包装：平装

出版时间：2010-03-01

基本信息

书名：用于恶劣环境的碳化硅微机电系统

定价：35.00元

作者：(英)张,王晓浩,唐飞,王文弢

出版社：科学出版社

出版日期：2010-03-01

ISBN：9787030268624

字数：154000

页码：121

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.640kg

编辑推荐

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内容提要

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碳化硅以其优异的温度特性、电迁移特性、机械特性等，越来越被微电子和微机电系统研究领域所关注，不断有新的研究群体介入这一材料及其应用的研究。《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》是目前译者见到的一本系统论述碳化硅微机电系统的著作，作者是来自英国、美国从事碳化硅微机电系统研究的几位学者，他们系统综述了碳化硅生长、加工、接触、腐蚀和应用等环节的技术和现状，汇聚了作者大量的经验和智慧。
　　《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》可供从事微电子、微机械研究的科研人员参考阅读，也可以作为研究生专业课程教材或参考书目。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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复杂环境下的高性能集成电路设计与应用 引言 在当今科技飞速发展的时代，各行各业对电子设备性能的要求日益严苛，特别是在一些极端环境下，传统的硅基集成电路面临着巨大的挑战。高温、高压、强辐射、腐蚀性介质等恶劣条件，不仅会大幅降低电子器件的可靠性和寿命，甚至可能导致其彻底失效。这极大地限制了航空航天、深海探测、地热能源开发、核工业、以及国防军事等关键领域的进步。因此，开发能够适应并稳定运行于复杂环境下的高性能集成电路，已成为一项紧迫且极具战略意义的研究课题。 本书深入探讨了面向恶劣环境的集成电路设计与应用，着重于解决传统材料和工艺在极端条件下的局限性。我们不拘泥于单一材料或技术路线，而是从系统性的角度出发，剖析不同应用场景下对集成电路的具体需求，并提出相应的材料选择、器件设计、电路架构、封装技术以及测试验证策略。本书的目标是为读者提供一套全面而深入的理论框架和实践指导，助力设计出能够胜任最严苛挑战的下一代集成电路。 第一章：恶劣环境对集成电路的影响机制 本章将详细分析各种恶劣环境因素对传统硅基集成电路的物理和化学影响。 高温效应： 深入解析高温如何加速材料的扩散、退化，导致漏电流增加、阈值电压漂移、载流子迁移率下降、器件击穿电压降低等问题。我们将探讨PN结的饱和漏电流随温度指数级增长的物理机制，以及金属互连线的电阻增加、电迁移现象加剧对电路可靠性的影响。此外，还会分析高频噪声的增加以及温度梯度带来的热应力问题。 高压与电场效应： 阐述高电压和强电场对器件绝缘层的击穿机制，包括雪崩击穿、热载流子注入（HCI）和氧化层陷阱的形成。我们将分析不同绝缘材料的击穿电场强度，以及高压下电荷俘获和界面态引起的器件性能不稳定。 辐射效应： 详细介绍电离辐射（如伽马射线、X射线）和粒子辐射（如质子、中子）对半导体材料和器件的损伤机理。重点分析总剂量效应（TID）导致的氧化层电荷累积和阈值电压偏移，以及单粒子效应（SEE）引起的瞬时闩锁（Latch-up）和位翻转（SEU）等现象。我们将区分不同类型辐射对器件参数的影响，并介绍不同半导体材料的抗辐射性能差异。 腐蚀性介质与湿度： 分析化学腐蚀、电化学腐蚀以及湿气对半导体材料、金属互连线和封装材料的侵蚀机理。我们将介绍金属互连线的钝化层失效、封装材料的水解反应以及半导体表面陷阱的形成，这些都会导致器件性能下降和可靠性问题。 机械应力与振动： 探讨温度变化引起的材料热膨胀系数差异所产生的机械应力，以及高强度振动对器件连接和封装的物理损伤。我们将分析应力诱导的器件性能变化，以及连接点断裂、封装开裂等潜在失效模式。 第二章：耐高温半导体材料及其器件应用 本章将聚焦于能够承受极端高温环境的下一代半导体材料，并介绍基于这些材料的先进器件设计。 宽禁带半导体材料： 碳化硅 (SiC)： 详细介绍SiC不同晶型（如4H-SiC, 6H-SiC）的物理特性，包括其极高的击穿电场、优异的热导率、以及良好的抗辐射能力。我们将深入探讨SiC MOSFET, SiC JFET, SiC BJT等功率器件的结构、工作原理、以及相对于硅基器件在高温下的性能优势。 氮化镓 (GaN)： 介绍GaN及其异质结（如AlGaN/GaN）在高温高频领域的应用潜力，重点分析其高电子迁移率和击穿电场。我们将讨论GaN HEMT等高功率射频和功率电子器件的结构特点和工作特性。 氧化镓 (Ga2O3)： 探讨Ga2O3作为一种超宽禁带半导体材料的独特优势，包括其极高的击穿电场和优异的阻断电压能力，并分析其在高温电力电子领域的应用前景。 高温绝缘材料与栅介质： 介绍适合与宽禁带半导体材料集成的耐高温绝缘材料，如氧化铝（Al2O3）、氮化硅（Si3N4）、氧化铪（HfO2）等，并分析其在高介电常数、低漏电流以及高击穿场强方面的特性。 高温金属互连与接触： 讨论耐高温金属材料（如钨、钼、钽）及其合金在高温互连和欧姆接触方面的应用，以及高温退火对接触电阻和稳定性的影响。 第三章：抗辐射集成电路设计技术 本章将深入研究一系列旨在提高集成电路抗辐射能力的先进设计方法和技术。 抗辐射材料选择与工艺优化： 探讨不同半导体材料（如SOI, SOS）的抗辐射性能，以及优化工艺参数（如热氧化、离子注入）以减少器件对辐射损伤的敏感性。 器件级抗辐射设计： 抗闩锁设计： 介绍如何通过器件结构优化、工艺改进以及辅助电路设计来抑制CMOS器件中的寄生PNPN结构，从而提高抗闩锁能力。 辐射硬化电路设计： 重点介绍冗余设计、保护电路设计、以及时钟信号的冗余传输等技术，以减轻单粒子事件（SEE）的影响。 电路级抗辐射设计： 错误检测与纠正（EDAC）编码： 详细讲解在存储器和数据通路中引入EDAC编码，以检测和纠正由辐射引起的位翻转（SEU）。 冗余设计与投票机制： 介绍如何通过三模冗余（TMR）等技术，提高关键电路的可靠性。 时钟与信号的同步与恢复： 探讨在高辐射环境下保持系统时钟同步和信号可靠传输的策略。 特定应用抗辐射设计： 针对航空航天、核工业等不同辐射环境，介绍定制化的抗辐射设计方案。 第四章：高可靠性封装与互连技术 本章将探讨能够承受恶劣环境的先进封装和互连技术，确保集成电路在极端条件下的物理和电气连接的可靠性。 耐高温封装材料： 介绍陶瓷封装（如Alumina, AlN）、金属封装以及特种聚合物封装材料，分析其在高温稳定性、热膨胀匹配、密封性和抗腐蚀性方面的优异表现。 先进封装结构： 倒装芯片（Flip-Chip）与引线键合（Wire Bonding）的改进： 探讨适用于高温和高振动的倒装芯片凸点材料与工艺，以及耐高温焊料和可靠性测试。分析引线键合的材料选择（如金、铜）和工艺优化，以应对热循环和机械应力。 三维集成（3D Integration）： 探讨3D封装技术在提高集成度和减小尺寸方面的优势，以及在高密度互连（HDI）下的可靠性挑战。 热管理与散热： 介绍高效的热管理技术，包括热沉、热界面材料（TIM）以及主动散热方案，以解决高温工作环境下的散热问题。 灌封与密封技术： 讨论针对腐蚀性介质和高湿环境的特种灌封材料和密封技术，以保护器件免受外部侵蚀。 第五章：恶劣环境下的测试与验证 本章将详细介绍针对在恶劣环境下工作的集成电路进行有效测试和验证的方法和标准。 高温测试： 介绍高温测试设备和程序，包括高温老化测试、高温工作寿命（HTOL）测试，以及高温下的直流和交流参数测试。 辐射测试： 详细阐述各种辐射源（如Co-60, X-ray, 质子加速器）的使用，以及总剂量效应（TID）和单粒子效应（SEE）测试的流程和指标。 环境应力筛选（ESS）： 介绍各种环境应力测试，包括高低温循环、恒定湿热、振动冲击等，以及如何通过这些测试来加速潜在的失效模式。 失效分析技术： 介绍先进的失效分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）等，用于定位和分析器件的失效原因。 可靠性建模与预测： 探讨基于测试数据的可靠性模型，用于预测器件在恶劣环境下的长期寿命和可靠性指标。 第六章：应用案例分析 本章将通过实际的应用案例，展示本书所介绍的理论和技术在解决实际问题中的有效性。 航空航天领域： 分析卫星、探测器等在太空极端温度、真空和辐射环境下的集成电路设计需求，以及相应的耐高温、抗辐射器件和封装解决方案。 深海探测： 介绍深海探测器在高压、低温、高腐蚀性海水环境下的电子设备挑战，以及相应的耐压、耐腐蚀密封和材料选择。 地热能源与高温工业： 探讨油气勘探、地热发电等领域对高温传感器和功率器件的需求，以及基于SiC等宽禁带材料的解决方案。 国防军事应用： 分析军事装备在复杂战场环境（如高温、潮湿、电磁干扰）下的可靠性要求，以及相应的抗干扰、耐高温、抗冲击设计。 汽车电子： 讨论汽车发动机舱等高温高振动环境下的电子控制单元（ECU）和功率器件的可靠性设计。 结论 本书系统地阐述了用于恶劣环境的集成电路设计所面临的挑战、关键技术以及未来发展趋势。通过深入理解各种恶劣环境的影响机制，并结合先进的材料、器件、电路、封装和测试技术，我们可以设计出更加强大、可靠、高性能的集成电路，为人类探索未知领域、推动社会进步提供坚实的技术支撑。本书希望能够成为相关领域研究人员、工程师和学生的宝贵参考，共同推动集成电路技术向更广阔、更严苛的应用领域迈进。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题——《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》——一听就让人觉得沉甸甸的，仿佛承载着无数科研人员的智慧与汗水。我并非这个领域的专家，但平日里对一些前沿科技始终保持着强烈的好奇心。碳化硅，这个名字本身就带着一种硬朗和耐久的感觉，让人联想到极端条件下能够屹立不倒的材料。而“微机电系统”，则勾勒出精密、微小却功能强大的集成器件的画面。将这两者结合，并在“恶劣环境”这个限定词下进行探讨，足以激发我对书中内容的无限遐想。 我想象，这本书大概会深入剖析碳化硅材料在高温、高压、强辐射、腐蚀性介质等严苛环境中表现出的优异性能，并详细介绍如何利用这些特性设计、制造出能够在这些极端环境下稳定工作的微型机械和电子设备。无论是太空探索中探测器上的传感器，还是深海石油钻探平台上的关键部件，抑或是核能设施内部的监测装置，这些微机电系统都可能扮演着至关重要的角色。 我期待书中能够展现碳化硅微机电系统在传感器、执行器、微泵、微阀等方面的具体应用案例，并深入探讨其设计原理、制造工艺、封装技术以及可靠性评估方法。同时，作为一名非专业读者，我也希望书中能有一些科普性的介绍，帮助我理解碳化硅材料的基本性质、其在微机电系统中相比于传统硅基材料的独特优势，以及当前面临的技术挑战和未来发展趋势。这本书，在我看来，更像是一扇通往未来科技前沿的窗口，让我得以窥见那些在极端条件下依然能够精准运作的微小奇迹。

评分☆☆☆☆☆

《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》这个标题，立刻勾起了我对于尖端科技的好奇心。碳化硅，这个名字本身就带有一种坚固、可靠的联想，它在材料科学领域的地位不言而喻。而“微机电系统”，则代表着集微小、精密、智能于一体的工程奇迹。当这两个词汇被置于“恶劣环境”这一背景下时，这本书所呈现的内容，在我看来，一定是关于如何在极端的条件下，利用最先进的技术实现最精密的运作。 我想象，书中会对碳化硅这种材料的独特性能进行深入的解析，比如它在高温下的稳定性，对化学腐蚀的抵抗能力，以及其优异的机械强度。这些特性，恰恰是传统硅基材料所难以比拟的，也因此，碳化硅在需要极端耐受性的应用领域，如航空航天、深海探测、核能工业等，具有不可替代的优势。 我特别期待书中能够详细介绍，如何将碳化硅的这些材料特性，通过精密的微机电系统设计，转化为实际可用的器件。这可能包括各种类型的传感器，例如高温传感器、压力传感器、化学传感器，以及微型执行器，如微泵、微阀等。书中或许还会探讨，这些器件在实际应用中，如何应对各种“恶劣环境”带来的挑战，例如温度的剧烈波动、高强度的辐射、腐蚀性介质的侵蚀等，以及如何通过材料选择、结构设计、工艺优化等手段来保证其长期可靠性。 我觉得，这本书不仅仅是关于材料和技术本身，更是关于如何突破工程极限，将科技的力量延伸到人类难以生存的未知领域。它可能还会涉及一些前沿的研究方向和未来的发展趋势，例如新型碳化硅基微机电系统的创新设计，以及其在新兴技术领域的应用前景。这本书，对我而言，更像是一份关于未来科技的展望，一本揭示极端环境下工程解决方案的探索日志。

评分☆☆☆☆☆

刚看到《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》这本书名，我的脑海里立刻浮现出各种高科技的画面。碳化硅，这个名字听起来就带着一种坚不可摧的韧性，而“微机电系统”则描绘了精巧绝伦的微观世界。当这两者被冠以“恶劣环境”的应用场景时，这本书所散发出的吸引力更是成倍增加。我并非此领域的专业人士，但对于那些能够在人类难以企及的极端条件下工作的技术，总是抱有极大的敬意和浓厚的兴趣。 我猜测，这本书会深入挖掘碳化硅材料在高温、强辐射、化学腐蚀等苛刻条件下的独特优势。比如，它可能详细解释碳化硅与传统硅基材料在耐高温性能上的巨大差异，以及其优异的绝缘击穿场强如何能够支持高压应用。同时，书中应该也会探讨如何利用这些优越的材料特性，设计出在极端环境下能够精确、稳定运行的微型传感器、执行器、微泵等。 我对书中可能会介绍的具体应用案例充满了期待。想象一下，在太空探索任务中，探测器上的关键传感器能够承受宇宙射线和极端温度的变化；在深海钻探平台，微型设备能够应对高压和腐蚀性海水；又或者在核能领域，监测设备能够长期暴露在强辐射环境中而保持正常工作。这些场景都让我觉得这本书所涉及的内容具有极其重要的现实意义和广阔的应用前景。 我认为，这本书或许还会涉及到碳化硅微机电系统的制造工艺，包括如何进行高精度的微加工，以及如何解决在复杂环境下器件的封装和可靠性问题。这本书，在我眼中，不仅仅是一本技术专著，更像是一扇窗，让我得以一窥那些隐藏在极端科技背后的精密设计和卓越性能。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》，我首先被它略显硬朗的设计风格所吸引，封面上深邃的蓝色背景和泛着金属光泽的标题，都透露出一种科技的严谨与力量感。虽然我对微机电系统（MEMS）并非全然陌生，但“碳化硅”这个关键词，以及“恶劣环境”的应用场景，却为这本书增添了极大的神秘色彩。我猜测，这本书并非是那种泛泛而谈的科普读物，而是更侧重于技术细节和工程实践。 作者们，张、王晓浩、唐飞、王文弢，这些名字本身就代表着在这个领域深厚的积累。我期待书中能够像一位经验丰富的工程师，娓娓道来碳化硅材料的独特晶体结构如何赋予其超凡的耐高温、耐腐蚀、抗辐射能力，并详细阐述如何通过精密的微加工技术，将这种材料转化为能够在宇宙深处、海底峡谷、或者高温炉膛中稳定工作的微型设备。 我特别好奇书中关于“恶劣环境”的具体界定，是涵盖了哪些极限条件？以及针对这些条件，碳化硅微机电系统在设计和制造过程中，又需要克服哪些特殊的挑战？例如，高温下的热应力管理，腐蚀性介质对器件寿命的影响，或者强辐射环境下的材料劣化机制等等。 我设想，书中应该会包含大量图表、实验数据和案例分析，来支撑其论点。或许还能看到一些前沿的研究成果，比如基于碳化硅的微传感器在航空航天领域的应用，或者在极端能源环境下的检测设备，甚至可能涉及一些尚未公开的军事或工业应用。这本书，对我而言，更像是一本技术指南，一本揭示未来高科技装备核心秘密的宝藏。

评分☆☆☆☆☆

我注意到这本《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》的书名，第一反应是它肯定是一本相当专业和深入的书籍。碳化硅，本身就是一种以其卓越的耐高温、耐腐蚀和高硬度而闻名的材料，在半导体领域，特别是电力电子领域，已经越来越受到重视。而MEMS（微机电系统），更是集成电路技术向微观世界延伸的必然产物，它将机械部件和电子元件集成在同一芯片上，实现了器件的小型化、集成化和智能化。将这两者结合，并且聚焦于“恶劣环境”，这本身就暗示了这本书所探讨的应用领域之广阔和技术要求之严苛。 我对书中可能涉及到的内容充满了好奇，尤其是“恶劣环境”究竟包含了哪些具体方面？是高温、高压、强辐射、化学腐蚀，还是这些因素的复合作用？书中是否会详细介绍碳化硅材料在这些极端条件下，其物理、化学、电学性质的变化规律？以及如何通过材料改性、器件设计、制造工艺的优化，来提升碳化硅微机电系统在这些环境下的可靠性和稳定性？ 我想象，书中可能会深入探讨碳化硅在传感器、执行器、微流控器件等方面的具体应用。例如，在航空发动机内部的高温传感器，深海探测器的耐压传感器，或者核反应堆内部的辐射监测器件。这类应用对于材料的耐受性有着极其高的要求，而碳化硅的特性恰好能够满足这些需求。 我也期待书中能够对碳化硅微机电系统的制造工艺进行详细的阐述，包括外延生长、干法刻蚀、键合技术等，以及如何克服这些工艺在恶劣环境应用中所面临的挑战。这本书，对我来说，更像是一份技术白皮书，一本探索材料科学与工程技术在极端条件下如何实现突破的深度报告。