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【哔哥哔特导读】2023年下半年以来，碳化硅单管器件价格已急剧下降至20元左右，碳化硅在车载OBC的普及应用还有多远？企业又该如何优化现有产品方案以应对即将到来的碳化硅应用潮？ 碳化硅方案在车载OBC的应用目前仍以简单替代传统的硅基器件为主，碳化硅的性能优势并未能完全发挥出来。随着价格战不断升级，成本压力不断增加的情况下，降本或将成为整机乃至整车厂进一步挖掘碳化硅器件性能潜力，加速碳化硅市场在新能源汽车的渗透速度的动力。 本期《对话》通过知名院校、整机企业、芯片企业和磁性元件企业，共同探讨碳化硅市场落地的技术难题及磁性元件未来的改进方向，以探究如何更好地满足第三代半导体在新能源汽车的应用。 对话导览 1、同样功率下的OBC，采用碳化硅方案后系统整体成本差异大概是多少?性能提升如何? 2、采用碳化硅器件后，OBC产品解决方案对功率器件、磁性元件的用量有何改变?对性能的要求或改变主要体现在哪些方面(比如宽温特性、频率、体积等)? 3、针对功率器件而言，目前的碳化硅器件依然采用传统的封装形式，结温还是175℃，是否有采用新的形式优化封装，以提高散热效率? 4、OBC母线电压升高后，磁元件企业如何在磁通密度较高的情况下(0.15T或更高)降低磁性元件的损耗(铁损)? 5、对功率器件、磁性元件而言，最大的挑战是什么?目前有哪些解决方案可以解决磁性元件频率无法匹配功率器件的问题? 对话内容 1、目前采用碳化硅OBC模块产品主要集中在哪个功率段? 浙江大学王正仕： 目前6.6kW是标配产品，碳化硅渗透率应该不超过20%。 东风汽车史来锋： 6.6kW用得不多，11kW可能会有，但实际上现在也不普遍，我估计可能在5%以下，我们自己只有一款车是碳化硅的。 这里面还有一个背景是，现实中用户没办法安装11kW的桩，因为11kW要用三相电，很多小区不让安装，向下兼容又只能使用3.3kW，不像国外很多大House，三相电不成问题，我们也是最近才意识到这个问题。不过现在出口越来越多，我相信11kW平台的量还是会拉起来的，国内主流还是6.6kW为主。 英搏尔高军： 6.6kW产品只有交流侧部分需要用到碳化硅，目前母线电压只有400V，所以现在用得很少，但从今年的趋势看，会越来越多。 巨一动力徐晓泉： 6.6kW平台的OBC产品基本上都已搭载碳化硅，渗透率在80%以上，11kW、22kW等更高功率的平台，因为涉及到三相交流的高压整流，传统硅管无法满足，渗透率要更高，功率越往上走，碳化硅产品的优势会越明显。 士兰微甘谨豪： 主要集中在11kW和22kW两个功率段，11kW及以上功率段OBC只能使用碳化硅器件，硅基器件无法满足系统性能要求。 Qorvo Andy Jing： 我们在跑客户过程中收集到最多的是6.6kW的，部分走在前面的客户比如比亚迪，也在慢慢研究11kW及以上平台的。 威海东兴张洪伟： 从了解的情况看，基本考虑的都是三相11kW以上的碳化硅产品上使用，归结原因，应该还是总体成本。 超越电子於汉斌： 从目前交货的产品看，第八代产品都是碳化硅方案，功率主要在6.6kW及以上功率段的产品。 图片来源：士兰微 2、同样功率下的OBC，采用碳化硅方案后系统整体成本差异大概是多少?性能提升如何? 浙江大学王正仕： 一般来说采用碳化硅器件后，效率提升幅度在0.5%-1%，因为传统OBC方案效率也比较高，基本在95%左右，更大的潜力是在OBC体积的缩小方面。但目前的碳化硅方案并没有把OBC体积做得很小，主要的原因就是频率没有提上去，因为提频需要重新设计电磁兼容方案，整个方案改动较大。 东风汽车史来锋： 成本差异应该不是太大，现在大家对成本都比较敏感，一点一点地扣，而且OBC对效率、体积也没那么敏感，比如1%的效率，对于整车而言，可能也就相当于每百公里0.1度电的能耗差距，对于6.6kW的OBC而言，碳化硅也不是最迫切的。 英搏尔高军： 前两年碳化硅和硅管的价格差异还是很大，在2倍以上，但今年的碳化硅价格极具下降，已经快接近硅管，产本差异已经不大。 性能方面，效率提升大概零点几个点，碳化硅方案的关键不在于性能提升，达到800V以后，硅MOS是无法满足使用需求的，IGBT也做不到这么高的频率，而碳化硅的优势是既能做高频，又能做高压。 巨一动力徐晓泉： 经过这几年的发展，国产碳化硅也越来越成熟，碳化硅的价格已经压下来了，跟普通的硅管相比差不了多少钱，直观地说，以前一个碳化硅管可能卖30-40元，现在差不多20元，价格已经比较亲民。 性能方面，传统硅管的整体效率始终难以提上去，使用碳化硅方案后，PFC效率至少提高0.5%以上，频率提高1倍，磁性元件体积减小25%-50%，包括电流纹波也会变小。 士兰微甘谨豪： OBC应用的碳化硅产品为1200V 40mR和80mR的插件单管和贴片单管，目前士兰微都有相应的产品可以满足客户需求。 Qorvo Andy Jing： 整机厂商对价格压得很低，如果说1200V 40HΩ的碳化硅20-30元，那确实是做不了，除非量特别大。我们公司也做过相关研究，就6.6kW平台而言，如果频率没有特别大的提升，比如说双向交错式图腾柱的6.6kW产品，频率在60kHz左右，简单用碳化硅方案替代硅基器件，总的成本会偏高。 性能提升方面，碳化硅方案确实会提高系统的整体效率，具体看各个厂家的方案设计能力。 威海东兴张洪伟： 对磁性元件而言，高频化以后，体积会变小，比例高的甚至可以缩小50%，根据客户的设计方案、散热方式而有所不同，相应地磁芯、铜用量会减少，虽然说使用碳化硅成本会增加，但磁性元件的成本是降低的。 超越电子於汉斌： 从客户端要求看，一般要求磁性元件成本降低20%左右。 图片来源：士兰微 3、采用碳化硅器件后，OBC产品解决方案对功率器件、磁性元件的用量有何改变?对性能的要求或改变主要体现在哪些方面(比如宽温特性、频率、体积等)? 浙江大学王正仕： OBC的ADCD变换器一般采用交错并联方案，有快桥臂和慢桥臂，其中ACDC第一级电路的快桥臂速度要求比较快，一般会用碳化硅器件;另外，变压器的右侧有些方案是采用IGBT与碳化硅合封;11kW平台渗透率要更高一些，因为涉及到高压，母线电压基本会采用碳化硅方案，传统的碳化硅方案也不能满足应用要求;22kW的碳化硅方案目前还不多，普通的车11kW OBC也够用了。 目前的方案都是在传统方案基础上采用碳化硅器件替代硅基器件，只是效率提高了，电路拓扑并没有改变，磁性元件的用量也没什么变化。 英搏尔高军： 碳化硅器件的使用和磁性元件的使用量没有关系，但是对磁性元件的性能要求可能会提升，包括我们已经在计划运用的氮化镓，目标就是提高频率，提频后对磁性元件的压力会越来越大。 巨一动力徐晓泉： 车载电源目前应用碳化硅器件比较多，因为电源拓扑比较多，PFC高频开关一般就要2颗碳化硅器件，像威迈斯、欣锐科技等头部型企业都有采用碳化硅解决方案。 士兰微甘谨豪： 在拓扑结构与用量方面基本没有变化，客户应用要求更多体现在高电压等级下的开关特性，以及更高的工作结温。碳化硅方案在OBC应用主要是配合800V电池电压，要求更好的开关特性与更高的耐压，对应的1200V器件正是碳化硅器件的强项。 Qorvo Andy Jing： 会有的，举个例子来说，比如40HΩ的通态电阻，因为高温特性问题(硅基器件一般是3倍，碳化硅是1.2-1.5倍)，从25℃到125℃，硅基器件通态电阻可能从40HΩ变成了120HΩ，但是采用碳化硅方案，可能用50HΩ或者60HΩ就可以替代40HΩ的。 威海东兴张洪伟： 碳化硅方案的优势在电源设计上无非就是高频率、高温度、高耐压、低损耗，对于磁性元器件来讲，肯定是尺寸会进一步降低。因为铜、磁心的需求量同功率变小，成本肯定是会明显下降的，碳化硅对于磁性元件的设计来讲也会有新的挑战，高频率后，磁性元件的杂散参数(分布电容、电感、SRF、漏感、趋肤效应、邻近效应)对电源的影响会变大，所以磁心元件设计的难度会变高，磁芯材料会最求更低的高频损耗，更宽温低损耗磁心，碳化硅产品的体积变小，势必造成散热面积减小，设计强化碳化硅器件的散热和规避本身的局部发热问题。 超越电子於汉斌： 目前的碳化硅方案工作频率，100kHz-300kHz都有，体积要求减小10%-20%。 图片来源：士兰微 4、针对功率器件而言，目前的碳化硅器件依然采用传统的封装形式，结温还是175℃，是否有采用新的形式优化封装，以提高散热效率? Qorvo Andy Jing： 不同的封装形式热阻不一样，同样的损耗，热阻低了温升自然就下来了。目前业界6.6kW的OBC用分立器件特别多，确实绝大部分都是采用原来硅基器件的TO247封装形式，结温175℃(一般情况下，工作温度+20%裕量=结温)，而且都是底部散热，再通过PCB把热导出去，这种布局散热器就不太好安装，现在客户提出的碳化硅器件新需求就是：能否设计成顶部散热，这样效率更高，也更方便，很多客户提出这样的需求了，我们也正在开发中，年底就可以送样。 5、OBC母线电压升高后，磁元件企业如何在磁通密度较高的情况下(0.15T或更高)降低磁性元件的损耗(铁损)? 威海东兴张洪伟： 1)通过跟磁心厂家的深入沟通交流，碳化硅开发应用更高频率，宽温低损耗的磁芯材料; 2)磁心损耗现阶段依靠磁心厂家技术提升降低其实有限，在碳化硅设计OBC磁性元器件的时候，还是以通过增加圈数或者增加磁芯的截面积来降低磁心的磁通密度，所以在这类磁芯元器件设计的时候基本上磁心需要重新建模设计，碳化硅标准品已经很难选择到适用的。 超越电子於汉斌： 电压提高最直接的改观是匝数会增加，我们选取BMAX不会超过0.2T，一般是0.15T，保证在这种情况下不会产生饱和。 图片来源：士兰微 6、针对OBC车载磁性元件而言，是否有针对磁芯的结构和形状进行优化设计? 威海东兴张洪伟： 磁性元件在OBC里面是体积占比非常大的一类器件，包含谐振电感、主变压器、共模电感、PFC电感、互感器、辅助电源变压器，优化是所有碳化硅器件全方面的： 针对PFC这类高电压，高电感量，需要满足高直流叠加，同时又是高频工作状态的器件，优选考虑金属磁粉芯类磁心，加扁平线结构解决，可以获取更小的尺寸和更低的损耗，更利于散热; 共模电感也是，结构上设计考虑使用扁平线结构设计，实现高电感量同时损耗，空间利用率扁平线结构更有利，同时散热面积变大; 再就是谐振电感和主变压器考虑，尽量考虑磁集成，减少整体尺寸，减少铜线用量，可以在最小的尺寸内，让那个磁芯工作在更小的磁通密度下面，同时利用利用分段气隙技术，减少涡流损耗，主变和谐振本身也是发热大户，要充分利用好碳化硅OBC水冷散热的特点，碳化硅结构设计上要让磁心和线包更大的面积跟散热部分接触，更顺畅的散热，会让磁性元件尺寸降低。 超越电子於汉斌： 碳化硅体积缩小至原来的90%，甚至80%，但还要满足相同甚至更高一点的性能要求。除了材料的选择，碳化硅结构设计也需要进行更多的优化，比如磁芯中柱两边开风槽，分段式开气隙避免切割磁力线等方式优化设计。 7、对功率器件、磁性元件而言，最大的挑战是什么?目前有哪些解决方案可以解决磁性元件频率无法匹配功率器件的问题? 浙江大学王正仕： 我认为还是如前文所说的，一是电磁兼容，提高碳化硅OBC频率需要大幅修改原有OBC方案，带来的成本会比较高;二是高频损耗。采用碳化硅后，车厂关心的还是怎么把体积做小，功率密度提高，这就需要提频，碳化硅器件提高到200kHz左右没有问题，但磁性元件的高频损耗导致的发热问题会比较难处理，因为磁性元件从结构而言散热是不太好解决的。 英搏尔高军： 目前主流的碳化硅设计方案频率都在100kHz左右，但是各个厂家已经在研究把频率提高至300kHz，高频磁性元件和低频磁性元件的设计方法是不一样的，需要选择高频损耗低的磁芯，也要选择线径更小的线材降低涡流损耗，包括EMC的设计也会不同，电感需要滤除的频率也更高，这些都有待于进一步的研究和验证。 巨一动力徐晓泉： 目前业界的碳化硅OBC产品频率普遍在70kHz左右，PFC在100kHz以内都不会有太大影响，上到高压平台后对碳化硅器件和磁性元件的要求会开始逐渐显现，比如后级频率提高到200kHz，LLC电路碳化硅器件至少要用到4-8颗，对磁性元件的高频损耗要求会更高。当然这种碳化硅产品跟车型(售价)相关，目前总体上看量还不大。 浙江工业大学车声雷： 有看到企业做出了接近1MHz的碳化硅方案，可能跟各个企业的碳化硅设计思路也有一定关系，而且新能源汽车因为涉及到安全性，大家在碳化硅实际应用过程中求稳为主，成熟的碳化硅技术才会应用到车上，100kHz左右的碳化硅方案会比较多一些。 因为目前碳化硅方案的应用并没有提高频率，而是往高压大功率方向发展，从目前接触到的需求来看，对磁性元件或者磁材的要求看企业关注点还是在碳化硅宽温特性，比如150℃-160℃损耗能够控制在300mw/cm3左右，这样碳化硅效率可以更高。 士兰微甘谨豪： 主要是碳化硅器件制造产业链上下游成本(SiC衬底及外延缺陷优化提升，芯片良率提升等都可以降低成本)，以及碳化硅产品长期的可靠性等挑战。 威海东兴张洪伟： 每个OBC客户的碳化硅方案设计都有偏差，造成每一套磁性元件设计都是一个新设计，需要从电性能、结构、仿真各个方面重新设计，磁心、骨架、底座都不再是标准品，需要通过雕刻、3D打印，留给每个环节的时间都很紧张，变压器设计需要电性、结构设计同步协调进行，难度肯定是较以往高很多，而且往往设计失败，造成的后果影响非常大，电源的结构也会导致推倒重来，磁性元件厂家没有那么多重来的机会; 碳化硅器件功率越来越大，体积越来越小，结构设计需要压榨每一分空间，才能得到最优化的结果; 磁性元件设计最大的问题还是跟电源匹配问题，能不能第一时间确认电性参数设计是否合理，不能通过制样来核实，制样只能后期微调，关键还是碳化硅方案设计前期考虑好频率对磁性器件影响的评估，根据评估碳化硅结构设计产品结构，气隙尺寸，合适的线径、评估气隙的大小，同时做最后的仿真运算，一次性排查碳化硅器件的设计问题。 超越电子於汉斌： 目前比较大的挑战还是碳化硅的价格吧。目前6.6kW的OBC，很多整机厂家要求磁性元件做到120元/套，但实际上目前的方案整套磁性元件成本都在160元左右，也就是说整套方案需要重新设计。 威海东兴磁集成产品，图片来源：威海东兴 8、元器件厂商未来需要在哪些方面进行提升和改进，才能更好地发挥出碳化硅方案的优势? 浙江大学王正仕： 对碳化硅系统而言要把整个通道上的热阻降低，具体到磁性元件，主要有以下几个方面：一是通过碳化硅新材料、新配方降低磁材损耗，如果能够提高饱和磁密度那就更好了;二是通过改进绕线工艺，降低绕组的趋肤效应和邻近效应从而降低绕组损耗，比如目前市面上的膜包线，采用更细的铜线绞合;三是磁性元件的结构设计，目前的方案磁性元件很多还是标准件，比如E型/EQ型等，这种形状具体到碳化硅OBC这个应用场景，不见得是最优的结构，好的结构设计对于提高功率密度还是有帮助的，比如一些二合一的车载电源，OBC、DCDC合用一个磁性元件，这种磁性元件一般是厂家定制，能够有效改进磁性元件的结构设计，对减小体积、提高功率密度和散热都有帮助。 巨一动力徐晓泉： 磁性元器件我们主要是考虑几方面：一是碳化硅损耗特性，在某一频率下它的整体损耗能达到最优;二是碳化硅温度特性，在某一温度下它的损耗是最小的;三是未来随着碳化硅器件的应用，电压平台会逐渐升高，对磁性元件的耐压也会提出更高要求，目前400V平台耐压要求一般是2000V，未来可能会提高至3000V以上。 目前主要是通过提高电压以提高功率密度，随着电源技术的发展和成熟，未来高频化也会逐步推进，将频率提高到700kHz甚至更高，推动碳化硅OBC往小型化、大功率化方向发展，对磁材或磁性元件的高频损耗也会提出要求。 士兰微甘谨豪： 不同厂商需要结合自己的发展方向及自身的特点，因地制宜，见仁见智了，综合来讲加深跟终端用户的紧密配合，提升碳化硅方案对于客户应用的理解及研究，才能基于碳化硅产品平台，不断完善及改进，开发及制造出更符合客户要求的碳化硅产品。 威海东兴张洪伟： 碳化硅器件的优势前面也说了，关键是在高频率、高耐压、低损耗等特点，会倒推变压器向高频率、高电压方方向发展，高电压还好解决，高频率碳化硅器件的杂散菜蔬来来的影响是巨大的，器件设计必须考虑在高频率下面，仍然具备低的杂散参数成了变压器设计的关键控制点，同时需要铁氧体磁心厂家研发更低损耗的磁芯材料配合。因为碳化硅器件的圈数变得越来越少，平面变压器和磁集成结构变压器的应用就会更加广泛，东兴也是着重往这两个碳化硅方案的设计和生产进行投入，在磁集成变压器和平面变压器持续投入自动化生产设备，相信能够给到电源企业非常大的支持。 OBC上的磁集成产品，图片来源：威海东兴 超越电子於汉斌： 一是碳化硅结构优化，低压平台和高压平台肯定是不一样的;二是碳化硅绝缘性能优化，目前大部分用的都是膜包圆线，空间利用率稍差一点，绕线占空比浪费很多，可能会采用膜包方线去提高绕组的空间利用率。 结语 综合对话嘉宾的观点看，目前碳化硅方案在车载OBC的渗透主要集中在11kW及以上平台，但6.6kW平台也有部分渗透，尤其是今年的新方案中，碳化硅器件渗透率越来越高; 从成本角度看，碳化硅方案略高于传统方案，但已无明显差距，部分厂商通过优化电路拓扑的优化设计，整体系统成本能与传统方案持平甚至更低，就碳化硅MOS管而言，2023年下半年以来价格急剧下降，据了解目前单管价格已到了20-40元区间。未来随着元器件技术的进步，预计碳化硅器件在OBC应用的比例将上升; 对磁性元件而言，面临高功率、高频率和小体积等方面的挑战，需要进一步优化碳化硅方案选材和结构设计以实现降本目的，磁集成技术可能会在未来得到更加广泛的应用。 本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载

​电子元器件MES解决企业哪些管理难题： 1.生产计划和排程难题：电子元器件制造企业需要进行大量的生产计划和排程，以满足市场需求。然而，这些计划和排程需要综合考虑多种因素，如生产能力、库存、市场需求等，因此往往会出现计划和排程不合理的问题。MES系统可以通过生产计划、工单管理和物料需求计划等功能，实现生产计划和排程的自动化和优化。 2.生产数据采集和分析难题：电子元器件制造企业需要采集和分析大量的生产数据，如生产数量、质量指标、设备运行时间等，以监控生产状况和优化生产流程。然而，这些数据通常分散在各个系统和设备中，难以实现集中管理和分析。MES系统可以通过自动采集和集中管理生产数据，提供数据可视化和分析功能，帮助企业监控生产状况和识别生产瓶颈。 3.生产质量管理难题：电子元器件制造企业需要保证产品的质量符合标准要求，但是由于生产工艺的复杂性和人为因素等原因，产品的质量往往难以保证。MES系统可以通过实时监控和追溯生产过程，提供质量控制和质量追溯功能，帮助企业提高产品质量和降低质量风险。 4.库存管理和物流配送难题：电子元器件制造企业需要管理大量的物料和成品库存，以保证生产的顺利进行。然而，库存管理和物流配送往往会出现错漏、过剩、滞销等问题，导致生产成本的增加和生产效率的降低。MES系统可以通过自动化的库存管理和物流配送功能，帮助企业优化库存和物流成本，提高生产效率和产品交付速度。 ​ 电子行业生产特性： 具有典型的离散制造特点，多品种、多批量/单件的生产组织方式。 多数电子类生产企业按订单与预测结合组织生产，通常需要进行新产品试制； 客户需求不容易掌握，交期短，临时插单现象频繁，对于终端制造商要求能提供多种配置的产品供选择； 整个生产过程不是连续的，各阶段、各工序间存在明显的停顿和等待时间，产品的生产过程通常被分解成很多加工任务来完成，每项任务仅要求企业的一小部分能力和资源； 产品设计和工艺过程经常改变； 产品升级换代迅速，生命周期短，变更频繁，版本控制复杂； 产品生产周期短，对生产计划、物料计划等方面的协调配合要求非常高，除了要保证及时供料意外，更重要的是要控制零部件的供应，保证成套性； 产品的种类变化较多，非标准产品多，加工工序复杂，生产过程控制非常困难； ​ 万界星空科技电子元器件MES系统是一个强大的生产管理工具，可以帮助制造商优化其生产流程、提高生产效率和产品质量，并满足各种监管要求。 ​

欢迎进入电子元器件的广阔世界！以下是电子元器件的基础知识，道合顺帮助您更好地了解这个引领科技发展的关键领域。 1. 电阻（Resistor）： 电阻是电子电路中常见的元件，用于限制电流流动。 电阻值： 电阻的阻值以欧姆（Ω）为单位，表示电阻对电流的阻碍程度。 功率： 电阻器的功率表示它能承受的最大功率，单位为瓦特（W）。 2. 电容（Capacitor）： 电容存储电荷，是电子元件中的能量存储器。 电容类型： 电解电容、陶瓷电容、电介质电容等，各有不同特性。 电容性质： 电容的容量决定了它在存储电荷时的能力，单位为法拉（F）。 3. 电感（Inductor）： 电感通过电磁感应产生电动势，是电子电路中常见的元件。 自感与互感： 电感可以分为自感和互感，是电磁感应的产物。 电感特性： 电感在电路中起到储存和释放能量的作用，单位为亨利（H）。 4. 二极管（Diode）： 二极管是一种半导体元件，具有正向导通和反向截止的特性，用于整流和开关电路。 整流作用： 二极管可用于将交流转换为直流。 Zener二极管： 用于稳压，确保电路中的电压恒定。 5. 晶体管（Transistor）： 晶体管是一种用于放大和控制电流的半导体器件，是现代电子电路的基石。 三种类型： NPN、PNP、场效应晶体管（FET）等，用于放大和控制电流。 工作原理： 晶体管的工作基于半导体的导电性能。 6. 集成电路（Integrated Circuit，IC）： IC将多个电子元件集成在一个芯片上，包括微处理器、存储器等，是电子技术发展的关键。 种类： 数字集成电路（Digital IC）、模拟集成电路（Analog IC）等。 封装： IC可以封装成不同形状，如Dual In-line Package（DIP）、Surface Mount Device（SMD）等。 7. 操作放大器（Operational Amplifier，Op-Amp）： Op-Amp是一种高增益、差分放大器，常用于信号放大、滤波等应用。 负反馈： 使用负反馈可调整放大器的增益。 比较器： Op-Amp也可用作比较器，用于比较两个电压的大小。 8. 传感器（Sensor）： 传感器转换物理量为电信号，包括光敏电阻、温度传感器、气体传感器、加速度计等。 光敏电阻： 对光敏感，用于光敏电路和光控开关。 温度传感器： 常见的有热敏电阻和数字温度传感器。 9. 电子管（Vacuum Tube）： 电子管是早期电子设备中使用的放大器和开关，已被晶体管取代。 热电子发射： 电子管通过加热阴极产生热电子发射。 替代技术： 由于功耗大，已被晶体管替代。 10. 电池与电源（Battery and Power Supply）： 电池提供便携式设备的电源，而电源提供稳定的电压和电流。 电池类型： 锂电池、碱性电池、镍氢电池等。 稳压电源： 确保提供给电路的电压稳定。 11. 逻辑门（Logic Gate）： 逻辑门执行基本的逻辑运算，包括与门、或门、非门等。 基本逻辑门： 与门、或门、非门，它们可组合成复杂的数字电路。 集成电路中的应用： 逻辑门常被集成在数字IC中，执行各种逻辑操作。 12. 电路板（Printed Circuit Board，PCB）： PCB是支持和连接电子元件的基板，是电子设备的重要组成部分。 层次： PCB可以是单层、双层或多层的，用于支持和连接元器件。 设计软件： 使用软件如Altium Designer、KiCad等进行电路板设计。 13. 传导带（Conductor）和绝缘体（Insulator）： 传导带具有良好的导电性，而绝缘体对电流具有很高的阻抗。 导体： 电流能在导体中自由流动，如金属。 绝缘体： 具有很高电阻的材料，阻止电流流动，如橡胶、塑料。 14. 整流器与稳压器（Rectifier and Regulator）： 整流器将交流转换为直流，稳压器确保电压稳定。 整流器类型： 单相、三相整流器，用于将交流转换为直流。 稳压器种类： 线性稳压器、开关稳压器，用于保持输出电压稳定。 15. 电子元器件符号： 了解元器件的电路图符号，有助于理解和设计电子电路。 以上只是电子元器件领域的冰山一角。深入学习这些基础知识将有助于您更好地理解电子设备的原理和应用，为您在电子领域的探索之路提供坚实的基础。

宇宙遍布着各种高能量的辐射粒子，这些粒子会对元器件带来影响，如何进行抗辐射设计成为了工程师针对逻辑类数字电路、存储器以及某些功率器件的一个必要考量。 宇宙空间中存在能量极高而数量极低的辐射粒子，这些粒子会造成瞬态巨大的电离能量沉积。沉积的能量可以用线性能量沉积LET值来度量。下面两个图引用了国际空间站轨道ISS监测到的空间轨道粒子能谱，并计算获得了相应的LET值。从图中可以看出，LET值越高的粒子其丰度越低。 尽管这些大LET值的粒子存在较少，但它们对半导体元器件的影响极大，尤其是对逻辑器件和存储器件。幸运的是，高LET值粒子在空间中的分布极少，它们对器件的影响类似于一个个间断的独立事件，不会持续发生甚至出现粒子之间的重叠耦合。因此，我们将这种由高LET值粒子引发的器件异常行为定义为单粒子事件效应（Single Event Effect-SEE）。 来源;张战刚，SRAM单粒子效应地面加速器模拟试验研究，中国科学院大学，博士学位论文 2013 高LET值离子穿透器件会在其入射轨迹上产生强电离效应。单位路径上沉积的能量就是LET值， LET越高，电离产生的电子-空穴越多。如果离子轨迹穿过了器件的耗尽区（强电场区），这些电离产生的电子-空穴在电场作用下发生迁移，并被器件的高低电位点收集，从而产生脉冲电流。这种脉冲电流存在两种作用： 其一，电流携带的电荷被收集，从而改变各端电极的电位，从而引起逻辑状态翻转（高电位变成低电位/低电位变成高电位）。 其二，电流脉冲作为电流激励会诱发某些寄生结构的开启，如可控硅结构，从而诱发闩锁（Latch-up）事件，甚至是某些雪崩击穿或烧毁。 在工程上，对于逻辑类数字电路、存储器以及某些功率器件，对单粒子效应的考核主要考虑单粒子翻转和单粒子闩锁。而对于某些功率器件，还需要考核单粒子烧毁。 图片示例 试验标准 国内目前采用QJ 10005-2008《宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南》和GJB 7242-2011《单粒子效应试验方法和程序》来指导航天用器件的单粒子试验。试验程序如下图所示，包含了试验过程中对闩锁、烧毁和翻转三种现象的监测。同时，还兼顾了用于摸底LET阈值和饱和截面的程序。 试验流程 不同结构、工艺和功能的半导体元器件，在遭受相同LET值的粒子轰击时，其发生单粒子翻转的概率是不同的。这主要是因为器件对单粒子效应的敏感程度各不相同。为了描述这种敏感程度，一般采用以下几个度量标准： 1、翻转截面：它描述了单位粒子注量下产生翻转的数量，单位为cm2/device。翻转截面的大小取决于器件的结构和粒子的LET值。换句话说，相同LET值下，翻转截面越大，说明器件对单粒子翻转的敏感度越高 2、饱和截面：随着LET值的增加，器件的翻转截面并不会一直上升，而是会达到一个平台，这个平台对应的截面就是饱和截面。 3、LET阈值：这是定义翻转截面为1%的饱和截面时对应的LET值。也就是说，LET阈值就是能最小程度地引起器件翻转的LET值。 这些度量标准的存在，使工程师们能够更好地理解半导体元器件对于单粒子效应的敏感程度，从而为器件的设计和制造提供参考。 试验源选择 为进行单粒子试验工程师需要获得具有较大LET的粒子，一般都要采用能量达到GeV/nucleon的带电粒子。这就需要用的加速器，GJB 7242-2011中主要推荐两种加速器，即串列静电加速器和回旋加速器。两者各有特点，适用于不同需求场景： 1、串列静电加速器，高能粒子容易获得，可连续变换粒子种类和能量，适用于翻转截面摸底试验，但其对粒子加速能力有限，故只能获得能量较低的带电粒子，这造成其穿透深度有限，故不适用于敏感区较深的器件，硅中射程一般在几十微米。 2、回旋加速器，其加速能力强，可获得较大能量的带电粒子，穿透深度高，硅中射程在几百微米，但其不易改变粒子的种类和能量，适用于考核试验。 考核试验时对试验源参数的选择 单粒子效应较其他辐射效应而言，其不确定性更大。因此对单粒子效应的考核需要充分考虑空间实际情况，来选择考核粒子LET值范围。如下图所示为GEO（其他轨道几乎与GEO相同），随着LET值的增大，粒子强度呈现九级“瀑布”式分布，且不同分布上，粒子种类也存在差异。 来源：https://www.seelab.ac.cn/news/240 由图中可见，按照粒子的通量存在两大板块，其一为LET值在26 MeV cm2/mg以下的区域，这部分是高能粒子的主力，如果器件在LET阈值小于15-26这个区间，意味着器件在空间应用时会频繁发生软错误。所以一般工程抗考核时，对翻转阈值≤ 26 MeV cm2/mg不建议使用。 另外一个区域是达到105 MeV cm2/mg时，此时粒子通量极低，可基本忽略。所以对于器件翻转阈值大于105 MeV cm2/mg时，可认为该器件对单粒子效应免疫。 对于某些功率器件，其内部敏感区普遍处于较深的位置，粒子必须有足够的能量穿透到器件，触发其可控硅结构方能发生闩锁。具有这种能力的粒子，基本上其粒子LET峰值在75 MeV cm2/mg以下。所以当器件在75 MeV cm2/mg考核下，不发生闩锁，可认为对单粒子锁定免疫。同时也不希望在更高通量的粒子下发生闩锁，所以建议器件的闩锁阈值下限要高于37 MeV cm2/mg。 综合上述，对于单粒子翻转的考核，粒子LET考核要考虑低于15-26 MeV cm2/mg，一旦低于15 MeV cm2/mg则为不可用 。而单粒子闩锁的考核范围为37-75 MeV cm2/mg。 试验过程试验结尾的规定 对单粒子试验的粒子通量（单位时间，单位面积的粒子数），注量（单位面积，累积粒子数）和累积错误数的规定主要从以下几个方面考量： 1、对粒子通量，原则上应尽可能接近实际应用，不希望两个粒子作用时间存在交叠，交叠可能产生严重的单粒子现象。同时要考虑加速器所能给定的最低通量，以及兼顾试验成本（通量越低，试验时间越长，试验成本越高）。 2、对注量的要求，主要是防止总剂量效应的发生，根据工程经验，当重离子累积注量不超过107 ions/cm2时，重离子辐射的累积总剂量效应可以忽略； 3、对累积错误数的考虑，单粒子效应试验本质上是一种统计试验，是以小子样评估为基础，实践中，尽量获得更多的错误数据，以保证评估的置信度，标准中要求至少累积100个错误。 4、为保证试验的置信度，尽量累积多的错误，但同时不能超过总剂量效应发生的累积粒子数，所以以记录到的错误和达到的累积粒子数最先触及的条件作为试验中止条件。 受试器件的准备 在进行单粒子试验时，受试器件的处置方法极为重要。首先，工程师必须确保器件的封装不会阻碍试验源重离子到达器件的敏感区，否则将无法观察到任何单粒子现象的发生，从而导致试验失败。因此，工程师需要参照标准给定能量的Si中射程，在试验前充分评估并保证粒子能够到达敏感区的方法。 为了实现这个目标，工程师可以通过机械或化学开封的方式将裸芯片暴露出来。对于倒装器件，应采用机械研磨或切削进行衬底减薄。如果使用环形加速器进行试验，应尽可能保证器件衬底低于100μm。无论是通过机械开封还是衬底减薄的方式，我们都应确保器件能够保持正常的加电和工作状态。 对于功率器件，如果正面金属层较厚，工程师应采用背面衬底减薄的方式进行评估和考核试验。这样可以确保试验的准确性和可靠性，同时也能有效地保护器件不受损伤。总的来说，对受试器件的处置是一个需要综合考虑多种因素的过程，旨在最大程度上保证试验的成功进行和结果的准确性。 对测试系统的要求 参考GB/T 39343-2020《宇航用处理器器件单粒子试验设计与程序》，进行单粒子试验的电路板及测试系统应考虑如下： 1、能够承载待测器件，可采用焊接，也可采用Socket装夹； 2、能够施加供电电压，并可根据需要改变电压； 3、能够对器件进行读/写操作，能够抓取读写单元的地址信息，包括物理地址； 4、上位机软件能够记录读操作的数据，并可与预期值比较，并根据错误的物理地址信息区分SEU和MBU； 5、控制回路和待测器件承载板尽量采取字母板的方式，以避免辐射粒子对控制回路器件影响，导致试验噪声； 6、线缆进行必要屏蔽，避免电噪声； 7、ECC纠错尽量关闭，否则单位翻转监测不到，只能监测多位翻转； 8、软错误可能对供电电压十分敏感，尽量将可能的供电状态都进行独立的试验，这是因为很多用户十分关注软错误率与供电状态之间的关系。 9、减少死时间：读与写间隔内，发生错误是无法被监控到，会导致错误率的低估； 10、re-rewritten的向量写补码； 11、禁止整体写、整体读，如此会使死时间增加50%，错误率低估一倍； 12、 建议即时读写，即一个地址进行两个访问循环，其中一个访问位读访问，同时比较错误和记录错误，另一个访问循环写入补码； 13、 要进行地址码和存储数据一一核实，会存在地址译码电路翻转造成的错误写入。 广电计量半导体服务优势 ● 牵头工信部“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台建设项目” ，参与工信部“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台”等多个项目； ●牵头建设江苏省发改委“江苏省第三代半导体器件性能测试与材料分析工程研究中心” ● 在集成电路及SiC领域是技术能力最全面、知名度最高的第三方检测机构之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证；并支持完成多款型号芯片的工程化和量产。 ● 在车规领域拥有AEC-Q及AQG324全套服务能力，获得了近50家车厂的认可，出具近400份AEC-Q及AQG324报告，助力100多款车规元器件量产。

总剂量效应产生过程 空间带电粒子射线与物质的交互作用主要体现在诱发电离效应上。辐射粒子将能量用于激发半导体材料中的中性原子，使其形成电子-空穴对。然而，这种物质状态是不稳定的，一般情况下会发生电子-空穴的中和。但对于工作的半导体而言，其外加偏置会导致半导体内存在电场。在电场的作用下，电子-空穴对发生分离。在半导体材料或绝缘材料中，电子和空穴的迁移速度是不同的。电子的迁移速度较快，而空穴的迁移速度较慢。这种差异在半导体元器件中普遍存在的钝化层和栅氧层中更为明显。 出自：集成电路总剂量加固技术的研究进展，《太赫兹科学与电子信息学报》第15卷，第一期 在电场作用下，运动慢的空穴携带者正电荷努力地通过“跳跃”在栅氧中迁移，但是当接近栅氧和半导体界面时，界面附近存在的大量的“陷阱”，绝大多数迁移过来的正电荷（空穴）会落入陷阱形成氧化物内的俘获电荷（正电荷层，位于SiO2/Si的界面附近）。而还有一部分空穴与界面处的Si-H结合，释放处H+，H+在电场作用下进一步向界面迁移，与Si-H中的H发生反应，形成H2，同时在原位上留下悬键，进而形成具有正电特性的界面态。 对MOS器件和双极性器件的影响 在SiO2/Si的界面附近的俘获电荷会形成正电荷层，电荷层产生电场，从而改变器件偏置状态。这种效应对于MOS结构器件，会造成沟道阈值电压偏移，会导致P沟道开启电压增加，降低N沟道的开启电压，同时还会造成漏结雪崩击穿电压变化，如P沟道降低，N沟道增加。而界面态具有较强的载流子限制效应，会造成载流子迁移率降低，这种效应尤其对双极性结构器件强烈依赖载流子迁移工作的器件性能降低，如增益降低，漏电流增加，而对于MOS器件，界面态会造成增益和跨导的降低。 俘获电荷和界面态之间的耦合 从总剂量效应形成过程可见，俘获电荷层和界面态是独立产生，但又相互联系。俘获电荷层主要是空穴的迁移，而界面态主要与释放的H+迁移有关，而在Si材料中空穴迁移率是H+迁移的4倍。所以一旦俘获电荷很快形成，则会产生一个明显的电势垒，会阻挡H+迁移，从而影响界面态的形成。反之如果俘获电荷层没有及时形成，H+迁移不会收到明显的阻挡，这将造成界面态的大量形成。 出自：P型金属氧化物半导体场效应晶体管低剂量率辐射损伤增强效应模型研究，《物理学报》 60卷第6期 2011年 高剂量率辐照下，H+受到俘获电荷层电场的阻挡，无法有效参与界面态的形成： 低剂量率辐照下，H+无电荷层阻挡，会产生更多的界面态 出自：P型金属氧化物半导体场效应晶体管低剂量率辐射损伤增强效应模型研究，《物理学报》 60卷第6期 2011年 上述的这些耦合机理会造成我们选用不同的剂量率（单位时间内高能粒子或射线传递给半导体材料内的能量，单位rad(Si)/s）进行实验室，会得到截然不同的退化现象，其中 MOS 器件表现为时间相关效应（Time Dependence Effects，TDE，也称时变效应），双极器件表现为低剂量率损伤增强效应（Enhanced Low Dose Rate Sensitity，ELDRS）。 在高剂量率下，单位时间内产生的空穴更多，会很快形成俘获电荷层，从而导致界面态形成受阻，而在低剂量率下，界面态更容易形成，这造成性能对界面态敏感的器件会在低剂量率辐照下性能退化要更大，称这种效应为低剂量率增强效应（ELDRS- Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity）。 而低剂量增强效应在MOS中主要表现为时间效果效应，即TDE，主要表现为MOS器件在进行高剂量辐射后，通过退火（在偏置状态下自然放置或高温放置），其性能会随时间发生继续退化，效果可退化至低剂量率辐照的退化程度，产生这种时间相关效应的主要取决于结构与工艺，这会造成辐照感生的氧化物电荷、界面态的生长和退火间的竞争机制不同。 对元器件空间辐射总剂量效应的考核 综上所示，空间带电粒子辐射对元器件产生的累积电离损伤主要源于俘获电荷和界面态。因此在考核元器件对耐总剂量效应的能力时要充分考核这两方面的影响。 1）辐照源的选择 在具体实验中，需要采用一种简单易得的主要产生电离效应的辐射束来对电离效应进行考核。天然放射性物质会以γ射线（光子），而光子对物质主要产生电离效应，且γ射线穿透能力极强，Si材料对其几乎透明，因此不需担心射程问题。所以工程实践中，采用60Co产生的γ射线进行元器件的辐射总剂量效应的考核。 衡量辐照射线的总剂量能力统一采用辐照粒子或射线在硅中的能量沉积能力，即等效拉德硅- rad(Si)，其含义为单位质量Si吸收射线或粒子的电离能量，1 rad(Si)=0.01 J/kg（焦耳每千克）。这是总剂量的单位，除了rad(Si)以外还可用Gy（戈瑞）单位，1 Gy=100 rad。同时将单位时间内的电离吸收采用剂量率，一般为rad(Si)/s。 2）辐射剂量和剂量率的选择 总剂量效应本身是一种累积效应，所以一般按照元器件在实际服役时间内所能接收到并吸收的累积电离能力来确定考核的指标。基于空间环境辐照环境的观测，并通过粒子与物质交互作用仿真，如Monte-Carlo仿真，可获得不同服役时间和服役环境下元器件所接受的电离能量。如航天型号在轨运行时间一般可分为长期、中期、短期三类，考虑太阳活动和安全裕度，一般采用如下要求。所以一般采用100krad(Si)对中期服役航天元器件进行考核。 而在GJB548里，给出了抗辐射保证等级（RHA）来定义器件对电离辐射的耐受能力。 由于存在低剂量率增强效应 (ELDRS)，所以在选择剂量率时尽量贴近真实服役环境的剂量率。如下图所示，真实空间电离环境剂量率一般在10-3 rad(Si)/s以下，而地面采用的辐照源一般都高于这个剂量率。因此对于那些存在低剂量率增强效应的元器件，抗辐射总剂量效应的考核难点主要就是如何充分评价低剂量率的恶劣影响，防止保守评价。 引用：向宏文.航天器空间辐射环境及效应地面模拟试验. 中国宇航学会飞行器总体专业委员会2004年学术研讨会 中国宇航学会, 2005 同时在低剂量率下，器件内产生的俘获电荷也会同时发生恢复（退火效应），这导致高剂量率辐照时，有可能产生过量的俘获电荷，而造成过评价。