作者：《老千和他的朋友們》 在此特別鳴謝！

掃描電鏡（SEM）是利用電子束掃描樣品表面，產生二次電子等信號，通過檢測這些信號來獲取樣品表面形貌、成分等信息。

SEM的優點是分辨率高，可觀察到納米級別的細節，景深大，能清晰呈現三維形貌，可同時進行成分分析。

1. SEM技術簡介

從本質上講，SEM "觀察"樣品表面的方式可以比作一個人獨自在暗室中使用手電筒（窄光束）掃描墻上的物體。從墻的一側到另一側進行掃描，手電筒再逐漸向下移動掃描，人就可以在記憶中建立起物體的圖像。SEM是用電子束代替了手電筒，并用電子探測器代替眼睛，用觀察屏幕和照相機作為圖像存儲器。

圖1 SEM鏡筒結構及光柵掃描成像示意圖

電子是原子中帶負電荷的粒子。在光鏡中，光子由玻璃透鏡聚焦。在電鏡中，電磁鐵用于聚焦電子。電子束與樣品表面的相互作用會影響獲得的圖像。

SEM可以提供跨微米和納米尺度研究，分辨率通常在3-0.5nm之間，最高的分辨率可以達到0.4nm。SEM通常可將樣品的細節放大約10倍至30萬倍（底片倍數的有效放大倍數）。此外，SEM圖像上通常會提供一個刻度條，刻度條用于計算圖像中特征的大小。

備注：目前存在一些行業標準和規范，用于評估掃描電鏡的分辨率性能。這些標準通常基于特定的測試方法和指標。然而，需要注意的是：不同的掃描電鏡型號和制造商可能會有略微不同的分辨率測量方法和標準。實際測量結果還可能受到多種因素的影響，如樣品制備、成像條件等。

圖2 SEM圖像的底部都會帶刻度尺，以衡量物體的實際尺寸大小

在掃描電鏡中，通常涉及到兩個倍數，一個是底片倍數，一個是顯示倍數。底片倍數，指掃描電鏡獲取圖像時，實際拍攝到5英寸底片上的放大倍數。顯示倍數是指在顯示器上顯示的放大倍數。

初學者搞不清楚底片倍數和顯示倍數的區別，同樣的細節長度，顯示倍數通常會比底片倍數高2-3倍，因此，衡量物體尺寸的大小看標尺刻度，而不是放大倍數。

此外，SEM圖像沒有顏色（但可以人工著色），看起來可能立體感強（景深大），而且只顯示樣品的表面或次表面細節（電子束對樣品的穿透力極小）。

圖3通過軟件著色的SEM圖片

SEM上的探測器通常可接收兩種不同類型的電子信號：二次電子（SE）或背散射電子（BSE）。一般來說，SE圖像中的灰色陰影襯度是由樣品的形貌造成的，BSE圖像中的灰色深淺襯度是由樣品中不同物相的平均原子序數決定的。

從某種意義上說，可以簡單的把SE理解為形貌像，盡管如此，也不是絕對的。但不能簡單的把BSE理解為成分像，有兩個原因，第一，BSE也能反應形貌特征，也是很通用的技術，比如4-6分割的外環半導體BSE探測器，或者低加速電壓下的BSE信號，因為相互作用區淺，也能反應形貌細節。第二，BSE反應的是不同的相之間的成分對比度，而不是元素的對比度，比如氧化鋁和氧化鋯之間有差異，而不是指氧和鋁，或氧和鋯之間的元素對比度差異。另外需要注意的是，閃爍體探測器可以同時接收SE和BSE，也就是存在一定的混合信號。

2.SEM的應用

SEM是一種廣泛應用于科學和工程領域的技術。最常見的應用領域包括材料科學、生物科學、地質學、醫學和法醫學。SEM還可用于創作數字藝術作品。

SEM技術可以對樣品的形態進行成像（如粉末顆粒，塊狀材料、涂層、切片材料），通過BEE散射電子可以對不同的物相進行成像，也可利用生物樣品中的金屬和熒光探針對分子探針進行成像，或進行微米和納米光刻。

此外，SEM也可在觀察樣品時同時加熱或冷卻樣品（需要特定類型的平臺），以及觀察濕潤的樣品（僅適用于環境SEM）。可以分析來自樣品的X射線，進行微區元素分析（需要EDS或WDS探測器），也可以研究半導體的光電特性（需要陰極熒光CL探測器），還可以觀察晶體材料的晶粒取向或晶體取向圖，同時研究平面樣品中的異質性和微應變等相關信息（需要EBSD探測器）。

圖4SEM上可安裝的各種附件

材料科學：SEM是用于基礎研究、質量控制和失效分析的重要工具。它是一種適用于檢測金屬、合金、陶瓷、聚合物和生物材料的技術。SEM在許多課題中發揮著關鍵作用，包括納米管和納米纖維、高溫超導體、介孔結構、合金強度等。如果沒有SEM提供的數據，高科技發展的許多方面--航空航天、電子、能源、催化、環境、光子學、化學--都將無法實現。

生物科學：在生物科學領域，從昆蟲和動物組織等大型物體到細菌等小型物體都可以用SEM進行研究。SEM可用于昆蟲學、考古學、植物科學、細胞研究和分類學等領域。

地質學：SEM在土壤和地質樣品調查中很常見。通過形態分析可以了解風化過程。通過BSE成像可以看到成分差異。顯微分析可提供樣品中特定元素組成的詳細信息。因此，SEM是采礦業非常有用的表征工具。

醫學科學：醫學研究人員可使用SEM比較血細胞和組織樣品，以確定病因。SEM的其他用途還包括研究醫學及其對病人的影響，以及研究和開發新的治療方法。

法醫學：在法醫學中，警方實驗室使用SEM來檢查和比較證據，如金屬碎片、油漆、墨水、毛發和纖維，以提供某人有罪或無罪的證據。通過仔細檢查，刑偵人員能夠確定從犯罪現場收集到的樣品是否具有與刑偵人員所設想的情景相匹配的特性。

數字藝術：從SEM中提取的圖像本身通常非常精美，但也可以修改為數字藝術和引人注目的營銷圖像。

下文并不準備詳細解讀SEM的附件技術，僅對SEM成像技術本身進行討論。SEM相關的先進附件表征技術會在后續的專題中討論。

3 .SEM與光鏡有何不同？

與光鏡（LM）相比，SEM在三個關鍵優勢：

1高倍率下的分辨率：分辨率可以定義為兩個緊密相對的點之間的最小距離，在這個距離上，它們可以被識別為兩個獨立的實體。光鏡的最佳分辨率約為200nm，而常規的SEM的分辨率優于3nm，場發射SEM的分辨率普遍＜1nm。

2景深：這是圖像中出現焦點的試樣高度。SEM的景深是LM的300多倍。這意味著可以獲得很好的形貌細節。對于許多用戶來說，試樣圖像的三維（3D）外觀是SEM最有價值的特點。這是因為，即使放大倍數較低，此類圖像也能提供比LM所能提供的更多有關試樣的信息。下圖是蜜蜂的頭部，顯示了眼睛和觸角。請注意，在SEM圖像（右圖）中，天線全部對焦。

圖5來自光學顯微鏡和SEM的兩張并排圖像，蜜蜂的觸角。

3顯微分析：SEM可對樣品成分進行分析，包括化學成分信息以及晶體學、磁學和電學特征。

4.SEM的技術限制

很難對潮濕或液體樣品成像。電子束需要真空，當液體從樣品中抽出時，濕的樣品可能會破壞真空，這也會對電鏡造成損壞。多數情況下，潮濕的樣品需要干燥，而且SEM不涉及液體、化學反應和氣-氣系統的實驗。不過，環境掃描電鏡（ESEM）可以進行這些實驗。

高加速電壓下成像需要鍍導電膜。如果樣品不導電，在常規加速電壓下（＞5KV）由于帶負電的電子束與樣品的相互作用（入射電子到達樣品時樣品將帶負電，然后電子束被樣品排斥）而無法形成圖像。大多數本身不導電的樣品需要涂上一層薄薄的金屬或碳使其導電，然后才能在SEM中成像。只有在低加速電壓下，才可能實現不導電樣品不鍍導電膜成像。

不能形成彩色圖像。由于電子波長遠小于可見光波長，因此SEM圖像是單色的（灰度），而不是彩色的。從SEM看到的任何彩色圖像都是通過后處理技術著色的。SE圖像是最常見的SEM圖像形式，實際上是探測器收集到的電子的強度襯度圖。SEM圖像是以單色灰度數字圖像的形式顯示的，其中每個像素都只包含強度信息，灰度從強度最弱的黑色到強度最強的白色不等。

很難精確測量高度。SEM無法量化小尺寸的表面粗糙度，而原子力顯微鏡（AFM）適合對表面粗造度及垂直精度表征。SEM無法直接測量高度（z軸），這通常需要兩幅相對傾斜的圖像來創建三維圖像，并需要專門的處理軟件。

很難對表層以下的結構成像。由于電子束與樣品之間的相互作用體積很小，因此SEM無法在樣品表面以下成像。要檢查次表面結構，必須切割樣品的橫截面，這通常需要借助寬離子束拋光（BIB）或者聚焦離子束（FIB）加工的幫助。

無法原子成像。SEM的分辨率不足以對單個原子成像。此外，用SEM對小于1微米的區域進行元素定量分析非常困難。這是由于電子束與樣品之間的相互作用體積通常在微米范圍內。可以通過降低電子束加速電壓來減少相互作用體積。然而，信號的相應減少會導致難以獲得有用的定量數據。

無法成像帶電分子。SEM也無法可靠地成像在基質中移動的帶電分子或離子。例如，某些物質（如Na+）在電子束下會揮發，因為負電子束會對帶電物質產生作用力。

盡管很多電鏡室規定不檢測磁性材料，但這只是出于管理上的需求，而不是技術本身的限制。SEM可以用于觀察磁性材料的表面形貌、結構和成分等特征。不過，在觀察磁性材料時需要注意一些問題，例如磁性材料可能會受到磁場的干擾，導致圖像失真或不清晰（需要消磁處理），在物鏡強磁場模式下，磁性材料可能會吸附在極靴上，污染鏡筒（需要固定好樣品，設置合理的工作距離，至少＞5mm）。

5. SEM的結構

SEM的結構在許多方面都類似于光鏡，這兩種顯微鏡都有照明光源（燈泡與電子光源）、聚光透鏡（玻璃透鏡與電磁透鏡）、探測器（眼睛與電子探測器）。在討論SEM時，經常會將這些特征進行比較。

圖6光鏡和SEM結構類比

SEM使用電子槍產生的高能電子束，經磁透鏡處理后聚焦于試樣表面，并在試樣表面進行系統掃描（光柵掃描）。與光鏡中的光不同，SEM中的電子永遠不會形成樣品的真實圖像。

SEM圖像是電子束以矩形掃描模式（光柵）逐點照射樣品的結果，每個點產生的信號強度反映了樣品的差異（如形貌或成分）。觀察屏與試樣上的電子束同步掃描，試樣上的點與圖像觀察屏上的點之間是一對一的關系（逐點平移）。通過減小試樣上掃描區域的大小來提高放大率。

圖7 SEM成像原理示意圖

為了在圖像中產生對比度，電子束與試樣相互作用產生的信號強度必須在試樣表面進行點對點測量。試樣產生的信號由電子探測器收集，通過閃爍器轉換為光子，在光電倍增管中放大，然后轉換為電信號，用于調節觀察屏幕上的圖像強度。

SEM的主要組成部分包括：電子槍、真空系統、水冷系統、鏡筒、樣品倉、探測器和成像系統。

5.1電子槍的工作原理

電子槍指的是SEM產生電子束的頂部區域。最簡單、最便宜的電子槍使用發夾鎢燈絲來產生電子，其他更昂貴的電子槍使用六硼化鑭（LaB6）或單晶鎢。對于LaB6或單晶鎢，要發射電子要么進行加熱，要么使用較大的電勢將電子從晶體中拉出，或者兩者兼而有之（肖特基熱場電子槍）。

電子槍產生電子源（由脫離原子的自由電子組成），并在1-30kV的能量范圍內被加速。傳統的電子槍由三部分組成，即一根燈絲、一個Wehnelt（柵）帽和一個陽極 。在熱發射燈絲中，鎢絲被燈絲電流加熱至白熱化，這導致了熱電子的發射，發射出的電子克服了材料的功函數能量。

圖8 鎢燈絲電鏡韋氏帽組件https://picture.iczhiku.com/weixin/message1595825193008.html

燈絲被Wehnelt帽包圍，Wehnelt帽封閉在燈絲組件上，中心有一個小孔，電子從小孔中流出。電極引腳通過絕緣盤與燈絲相連，并將電流輸送到燈絲。

圖9（a-c）顯示了三種燈絲類型：a）鎢絲；b）六硼化鑭晶體LaB6，c)鎢單晶（用于場發射槍：FEG）。鎢絲發夾絲的尖端直徑約為10微米，而鎢晶體的尖端則要窄得多，約100nm。

在Wehnelt帽下面有一個陽極，它帶正電，能吸引電子離開燈絲。如果燈絲斷裂，就無法產生電子。

陽極上的孔可以讓一部分電子通過透鏡繼續沿著鏡筒向下運動，從而產生更小、更聚焦的電子束。撞擊陽極的電子通過接地返回高壓電源。通過陽極孔離開的那部分電子束稱為發射束流。

電子槍可分為兩類：熱電子槍和場發射電子槍。熱電子槍包括常規鎢燈絲或六硼化鑭燈絲，場發射包括冷場和肖特基熱場燈絲。

圖10不同電子槍燈絲尖端形狀：從左往右依次是W燈絲、LaB6燈絲、肖特基熱場發射和冷場發射燈絲

LaB6電子槍由六硼化鉍鑭晶體制成，裝在一個專門的外殼中。這種材料是一種熔點很高的耐火陶瓷材料，加熱后產生電子。與常規W燈絲相比，它具有使用壽命更長的優點。

場發射槍(FEG)使用尖銳的單晶W線燈絲，燈絲電流不會加熱燈絲。相反，電子被一個稱為提取電壓的強大靜電場從燈絲上拉走（由于不加熱，屬于室溫，也稱冷場）。與熱燈絲相比，FEG具有明顯的優勢，包括電子虛擬源尺寸小得多、電流大、亮度高、能量分布小和壽命長。這些優勢使FEG-SEM成為用于高倍率下的高分辨率成像。

然而，盡管FEG發射槍為高分辨率SE成像提供了最相干的電子源，但卻最不適合大束流分析，例如通常需要數十納安的背散射電子衍射成像分析（EBSD）。

與冷場電子槍相比，肖特基場發射電子槍具有一些優勢。主要優點是束流穩定性更好，對真空的要求不嚴格，而且無需定期閃爍發射器（每天短時間加熱冷燈絲）來恢復發射電流。

目前，越來越多的高分辨FEG SEM使用肖特基電子槍，一個顯著優點是電子束束流高且穩定（目前可達到>100nA），而空間分辨率幾乎不會降低。

圖11不同燈絲類型的參數比較

備注：現代肖特基熱場SEM的最大探針束流可以達到上百nA，冷場SEM也可實現20nA的探針束流；現在的冷場SEM電子槍采用柔性技術，可以實現更穩定的電子束發射，也不需要人工手動Flashing；關于燈絲壽命，由于冷場電子槍沒有氧化鋯層，普遍認為壽命比肖特基熱場更長，但如果不考慮高分辨的性能，即便氧化鋯層消耗完，熱場燈絲依舊可以繼續工作，從這個角度看，兩者的燈絲壽命不相上下，3-10年的壽命都是可能的。

5.2常規鎢燈絲的飽和點

常規鎢燈絲電子槍的燈絲電流必須設置正確。過低的電流會導致圖像亮度不足，而過高的電流則會縮短燈絲的使用壽命。有些樣品對電子束特別敏感，甚至會熔化。如果出現這種情況，應關閉電子束并將樣品從樣品倉中取出。

電子槍的兩個重要參數是產生的電流大小和電流的穩定性。電子束在飽和點時最為穩定。需要恒定的束流才能生成高質量的圖像，因為所有圖像信息都是以時間函數的形式記錄的。

電鏡照片是強度值的掃描圖像，要獲得高質量的顯微照片，最好使用較慢的掃描速度（可長達幾分鐘）。在圖像采集過程中，燈絲發射的任何變化都會影響掃描中該點的圖像強度，這將產生質量較差的圖像，因為整個圖像的亮度都會不同。恒定的束流取決于燈絲是否達到飽和。

理解常規鎢燈絲電子槍的一個重要因素是要了解燈絲的飽和度。通過燈絲的電流越大，電子的發射就越多。然而，在發射達到最大值時會有一個點，這就是所謂的飽和點。在飽和點點之后，電子發射并不會越多，相反它只會縮短燈絲的壽命，甚至可能使燈絲過早斷裂。

從燈絲電流與電子發射（或亮度）的關系圖中可以看出這種關系。在常規SEM的保養中，判斷燈絲飽和是用戶的一項重要任務。作為電鏡技術員，實現燈絲飽和有幾個重要的注意事項。

圖12常規鎢燈絲的飽和點示意圖

燈絲不能調得太快，否則會"燒斷"。對準良好的電子槍通常會在燈絲電流增大時出現一個"假峰值"（見圖），這是燈絲表面的某些位置先于電子槍達到發射溫度的結果。隨著燈絲電流的增加，假峰值會逐漸消失，最終形成一個小而緊密且更穩定的電子束。

對于用戶來說，這個假峰值可以通過探針電流（亮度）的增加觀察到，隨后發射下降，當燈絲電流增加到飽和點時，探針電流進一步增加。

如果電子槍沒對準，就不會出現假峰值，只能觀察到一個最大發射峰值。當燈絲電流增大到超過這個峰值時（因為操作員在尋找下一個峰值），束流（亮度）會繼續下降，而不是上升。

如果認識不到這一點，很容易因使用過大的燈絲電流而導致燈絲燒斷。在使用昂貴燈絲（如LaB6和場發射槍）的SEM，軟件系統會自動設置飽和點，以避免粗心的用戶過快調高燈絲電流。

5.3真空系統

大多數SEM至少使用兩類真空泵來達到產生穩定電子束所需的真空度。機械泵用于粗抽真空，渦輪分子泵可達到更高的真空度。如果試樣潮濕或正在脫氣，則抽氣時間會更長。除非是專門為潮濕樣品設計的環境掃描電鏡，否則在將樣品放入顯微鏡之前必須先將其烘干。

要將試樣放入樣品倉中，先給樣品倉排氣（讓干燥的空氣或氮氣進入），然后將試樣放置在平臺上，再將抽上真空）。

渦輪分子泵：渦輪分子泵（TMP）由一系列安裝在一起的成對轉子風扇葉片組成。每對轉子中，一個轉子旋轉（渦輪葉片），另一個靜止（定子葉片）。旋轉的轉子通過泵將氣體分子向下抽取到抽氣點。

離子泵：離子泵用于需要極高真空度的場合泵，真空度必須非常高，離子泵才能發揮作用。離子泵通過電離腔內的氣體來工作，施加強大的電勢，離子被加速進入固體電極并被其捕獲。離子注入泵不含活動部件或油，因此清潔且不會產生振動。因此是高分辨率儀器的理想選擇。

高真空模式是SEM的正常工作模式。高真空可最大限度地減少電子束在到達試樣之前的散射。這一點非常重要，因為電子束的散射或衰減會增大探針尺寸，降低分辨率，尤其是在SE模式下。高真空條件還能優化二次電子的收集效率。

許多SEM也可以在"低真空模式"下運行。由于背散射電子和特征X射線的能量通常高于二次電子，因此它們的檢測并不嚴重依賴于試樣室中保持的高真空。因此，BSE和X射線探測器可以在低真空運行模式下使用。在這種模式下，會有少量空氣泄漏到樣品室中，使樣品電離并減少絕緣樣品的表面電荷。

水冷系統：許多電鏡都包括一個水冷系統。冷水機的作用是保持20°C的恒溫，以維持物鏡中的磁透鏡正常工作。如果冷卻器出現故障，磁透鏡會發熱，SEM就會自動關閉。

5.4電磁透鏡

一系列電磁透鏡和光闌用于縮小電子源的直徑，并將一束聚焦的小電子束照射到試樣上。透鏡系統由聚光透鏡、物鏡和掃描線圈組成。光鏡中透鏡的作用是將光的路徑改變到所需的方向。玻璃或透明塑料可以彎曲光線，因此被用于光學透鏡。電子不能穿過玻璃或塑料透鏡。因此，它們不適合用于電鏡。

圖13電磁透鏡聚焦電子示意圖

電子是帶電粒子，因此其運動軌跡可以被磁場彎曲。電子透鏡由鐵磁材料和纏繞銅線制成。這些透鏡產生的焦距可以通過改變通過線圈的電流來改變，它們被稱為電磁透鏡。

磁場彎曲電子路徑的方式與玻璃透鏡彎曲光線的方式類似。在磁場的影響下，電子呈現螺旋狀路徑，沿著磁柱螺旋向下運動。在低倍放大鏡下，通過上下改變焦距使圖像旋轉，就能輕松演示這種螺旋路徑。

圖14在電磁場作用下，電子呈螺旋聚焦運動,并在狹窄的襯管中運行

SEM中通常有兩組透鏡：聚光透鏡和物鏡。電子束首先穿過聚光透鏡。聚光透鏡將電子束的錐體會聚到其下方的一個點上，然后錐體向外發散，再由物鏡會聚到樣品上。

5.5聚光透鏡

初始的會聚可能發生在不同的高度，即靠近透鏡或遠離透鏡。離透鏡越近，會聚點的束斑直徑越小。距離越遠，會聚點的直徑就越大。因此，聚光透鏡的電流控制著初始束斑的大小，被稱為束斑大小控制。初始會聚點（也稱為交叉點）的直徑會影響電子束在樣品上形成的最終束斑直徑。聚光透鏡也控制到達試樣的電子束強度。

圖13聚光透鏡控制著初始束斑的大小

5.6物鏡

物鏡的主要作用是將電子束聚焦到樣品上。物鏡對電子束在試樣表面的束斑直徑也有一定的影響。如果聚光透鏡沒有正確對準，物鏡就無法達到最佳效果。與聚焦不足或聚焦過度的電子束相比，聚焦后的電子束在試樣表面產生的束斑更小。這意味著分辨率會更高。

圖14物鏡會聚作用示意圖及實物圖

5.7掃描線圈及消像散線圈

SEM圖像的形成，是需要掃描系統逐點逐行地構建圖像。掃描系統使用兩對電磁偏轉線圈（掃描線圈），它們沿著一條線掃描電子束，然后將線的位置移到下一次掃描，這樣就能在試樣和觀察屏幕上生成矩形光柵。

第一對掃描線圈使電子束偏離光軸，第二對掃描線圈使電子束在掃描的支點處回到光軸上。掃描線圈使電子束在試樣表面水平和垂直方向上偏轉。這也稱為光柵化。

消像散線圈是掃描電鏡中的一個重要部件，它主要用于校正電子束的像散現象。

像散是指電子束在通過磁場時，由于磁場不均勻或電子束本身的原因，導致電子束的聚焦點不在同一平面上，從而使圖像產生模糊或失真。消像散線圈的作用就是通過產生一個與像散方向相反的磁場，來抵消像散的影響，使電子束能夠聚焦在同一平面上，從而提高圖像的清晰度和分辨率。

消像散線圈通常由兩組線圈組成，一組為水平消像散線圈，另一組為垂直消像散線圈。這兩組線圈可以分別對電子束的水平和垂直方向進行像散校正。在使用掃描電鏡時，需要根據具體的情況來調整消像散線圈的電流和位置，以達到最佳的像散校正效果。

圖15像散效果示意圖及消像散線圈示意圖

5.8樣品臺

試樣架固定在試樣臺上。可以沿X、Y（在試樣平面內）和Z（與試樣平面垂直）方向手動移動平臺。Z向調節也稱為試樣高度。大多數試樣平臺還可以旋轉和傾斜試樣。

5.9探測器

一旦電子束到達樣品并與之發生相互作用，就會產生幾種不同的信號。最常用的信號包括二次電子（SE）、背散射電子（BSE）、X射線、俄歇電子和光子。

二次電子探測器：SE成像是記錄形貌信息的最佳選擇。SE的能量較低（2 -50 eV），它們只從靠近樣品表面的地方射出。為了吸引（收集）這些低能電子，需要在探測器前端施加一個小偏壓（通常約為+200至300V），將負電子吸引到探測器上。常見的SE探測器是Everhart-Thornley探測器。

備注：嚴格意義上說，E-T探測器并不是純粹的SE探測器，是SE1，SE2和SE3及極少BSE的混合信號。其中，SE2是BSE在逃逸樣品表面時產生的信號，SE2是BSE撞擊樣品倉壁產生的信號。

圖16 ET探測器原理示意圖

目前在場發射電鏡中，都會在鏡筒內安裝SE探測器，目的是為了更好的分離SE1和SE3，從而實現高分辨成像，尤其是低加速電壓下的高分辨成像。不同的電鏡型號會有不同名稱的SE探測器，比如賽默飛的T2探測器，蔡司的Inlens探測器，日立的UP探測器，JEOL的UHD探測器，TESCAN的In-Beam探測器等。對于某些探測器來說，還可以實現SE和BSE信號的剝離，選擇不同的參數，就可以獲得不同的信號。

圖17現代場發射掃描電鏡鏡筒內探測器示意圖：賽默飛，日立，蔡司，JEOL

背散射電子探測器（BSD）：半導體BSE探測器（BSD）通常安裝在物鏡極靴下方，以光軸為中心。入射電子束掃描試樣表面時會產生BSE，其產生量受樣品的形貌、物理和物相的平均原子序數特性控制。BSE的能量比SE高，且來源比SE的范圍更深，因此可以提供樣品次表面以下的信息。

目前在場發射電鏡中，除了BSD，還會在鏡筒內安裝BSE探測器，可以是固態半導體BSE探測器，也可以是閃爍體BSE探測器，不同的設備型號安裝的位置也不相同，性能也會有所差異，但主要的特點都是可以在低加速電壓下進行BSE成像。

能量閾值是半導體背散射探測器的一個重要參數，指的是探測器能夠檢測到的背散射電子的最小能量。能量閾值的設置會影響探測器的靈敏度和對不同元素的分辨能力。較低的能量閾值可以提高對低能背散射電子的檢測，從而增加對輕元素的信息獲取。然而，過低的能量閾值可能會導致噪聲增加。相反，較高的能量閾值可以減少噪聲，但可能會降低對輕元素的檢測靈敏度。

X射線探測器：當電子束與樣品相互作用時，會發射出特征X射線。這些特征X射線的能量取決于樣品中存在的元素。檢測樣品發射的X射線的最常見設備是能量色散X射線光譜儀，簡稱能譜儀（EDS）。EDS探測器基于半導體晶體。最常見的兩種類型是鋰漂移硅和硅漂移探測器（SDD）。在2005年后，EDS的配置基本都是SDD探測器。

CL（陰極熒光）探測器：陰極射線發光（CL）是指材料在電子束的刺激下發射光子。根據樣品的成分和結構，發光的波長范圍從紫外線到紅外線。光被光學系統收集，然后被送入單色儀，在那里被分離成不同的波長。

CL探測器利用材料在電子束激發下產生的陰極熒光來獲取信息。靈敏度高，能夠檢測到微弱的熒光信號。較好的空間分辨率，可以提供材料表面的高空間分辨率圖像（微米級）。不僅能用于分析材料的成分、結構、缺陷等，還能研究半導體材料的電學和光學性質，以及細胞成像等。

6電子束與樣品的相互作用

當電子束撞擊樣品時，與樣品中的原子發生相互作用后，會產生多種結果。一些電子會從樣品中反彈回來（背散射電子），另一些電子則會撞擊原子，使電子發生位移，進而從樣品中出來（二次電子）；

此外，X射線、光或熱（在樣品中）的產生也可能是相互作用的結果。一般來說，大部分能量都以熱的形式耗散出去。只要收集這些從材料中出來的信號（電子或光子），以生成傳統的SEM圖像或微區分析圖像。

SE從樣品表層逸出，生成的圖像可顯示表面的特征。邊緣結構往往特別明亮，因為SE很容易從樣品的這些邊緣特征中逸出。不過，還有其他多種因素會影響SE圖像中特征的亮度。

圖18相互作用區示意圖

產生SE、BSE和X射線的范圍形狀，有淚滴狀，也有半圓狀，這種形狀被稱為相互作用體積，其深度和直徑取決于加速電壓和試樣的密度。作用區體積的頂部約15nm為可收集SE的區域，頂部40%為可收集BSE的區域，整個區域都可收集X射線。

電子-物質相互作用可分為兩類：彈性散射和非彈性散射 彈性散射：試樣內的電子軌跡會發生變化，但其動能和速度基本保持不變。其結果是產生BSE。 非彈性散射：當入射電子能量通過轉移到試樣產生損失時，就會產生非彈性散射。其結果是產生：聲子激發（加熱），陰極發光（可見光熒光），連續輻射（軔致輻射），特征X射線輻射，俄歇電子（外殼電子的射出）等。

有一些計算機程序可以對相互作用體積進行建模，從而為特定實驗選擇最佳參數。最著名的程序之一是蒙特卡洛Casino，該程序可用于模擬SEM中的許多信號，例如SE、BSE和X射線。

7SEM圖像的解釋

SEM的圖像實際上是由一行行點組成的，每個點是樣品表面束斑的大小。SEM分辨精細結構的能力不僅受到探針直徑的限制，也受到探針所含電子數的限制。如果探針相對于成像區域來說太小，那么它在每個成像點上花費的時間就太短，無法提供足夠的信號來形成高質量的圖像。放大倍率和最佳探針尺寸之間存在著平衡的關系，并且因樣品而異。

圖18電子探針直徑對成像的影響

每個停留時間（在圖像中顯示為一個點）都會產生電子，這些電子在屏幕上形成對應位置的圖像。我們之所以能看到樣品上的邊緣、凹陷和凸起，是因為這些區域（很多點組成）上從樣品上射出的電子數量發生了變化。

隨著放大倍數的增加，探針尺寸的尺寸越來越小，我們看到的細節也越來越多。

但這是有限度的。放大倍率的極限是樣品上相鄰點的信號沒有變化的臨界值，這一性能極限取決于被測樣品的成分和結構。例如，高原子序數（Z）的金屬等試樣會產生較多電子，其有用放大倍率高于低Z試樣（如碳和塑料）。

7.1二次電子(SE)圖像

在常規SEM成像中，通常使用SE對表面進行成像。SE是由非彈性散射形成的低能電子，能量小于50eV，這些低能電子很容易被收集，通過在SE探測器的前端放置一個正偏壓柵來實現（正偏壓柵吸引負電子），通常是Everhart-Thornley探測器，位于試樣的一側。前面提到過，為了實現更高的SE分辨率，在鏡筒內會設計鏡內SE探測器。

對SE信號產生影響最大的是試樣表面的形狀（形貌）。SE能提供特別好的邊緣細節。邊緣看起來比圖像的其他部分更亮，因為它們產生的電子更多。下圖顯示了昆蟲翅膀上的突起（凸起），每個凸起的邊緣更白。

昆蟲翅膀上的突起

為了提高試樣發射SE的產額，通常會對試樣鍍導電膜（如金或鉑），鍍層很薄，約3-10納米。使用這種鍍層主要有兩個原因：

1.非導電試樣鍍膜以減少表面電荷，因為表面電荷會阻礙SE的路徑，導致信號水平和圖像形式失真。

2.對低原子序數(Z)試樣（如生物樣品）進行鍍膜，以提高SE產率。

由于二SE的能量非常低，因此只有在樣品表面產生的電子才能逃逸并被SE探測器收集。與朝向探測器的表面相比，從遠離探測器的表面或被試樣形貌阻擋的表面發射的電子會顯得更暗。這種因SE探測器位置而產生的形貌襯度是SE圖像呈現"栩栩如生"效果的主要因素。鏡筒內對稱的SE探測器因為缺乏位置不同而形成的形貌襯度，因此對樣品的立體感呈現會比E-T探測器略差。

7.2BSE對使用SE探測器的貢獻

SE探測器的主要功能是吸引低能SE，這些SE產生于表面（15nm深度)。除非SEM經過特殊設置以盡量減少BSE的貢獻，否則探測器生成的圖像將始終包含一定量的來自高能BSE逃逸表面產生的次表面信息（SE2信號）。一般來說，電壓越高，探測器采集到次表面信息就越多。

圖19 SE信號的分類

相比20KV，在2KV以下可以呈現更多的表面細節（電壓越低，對表面的污染也更敏感）。操作SEM的一個技巧是為試樣選擇正確的千伏電壓，以便從感興趣的試樣深度收集信息，盡量減少表面污染或次表面不重要結構的影響。

圖20不同電子束能量（千伏）下的硅晶片表面細節：a = 5KV，b = 10KV，c = 15KV，d = 20KV。圖像d中的特征要比圖像a中的圓潤得多，因為有更多的信息來自樣品表面次表面。

SEM的圖像解釋涉及到更復雜的知識和內容，圖像襯度不僅包括形貌和成分襯度，還包括取向襯度（ECCI/EBSD），這些內容已經在單獨的專題中詳細討論，見文章《掃描電鏡中的晶體分析技術詳解：EBSD/TKD/ECCI》，本文就不再詳細討論。

掃描電鏡（SEM）操作指南：如何獲得高質量的圖片

如何評價SEM圖片的質量？這是一個頗為復雜的問題，涉及到主觀因素。SEM圖的解讀需要觀察者根據自己的經驗和知識進行分析和判斷，其中觀察者的主觀偏見或期望可能會影響對圖像的解讀，比如刻意避開不理想的區域，選擇局部OK區域來代表自己的預期。

如果忽略主觀因素，那怎么才算一張高質量的SEM照片呢？

從視覺感受出發：1.要具備高分辨能力，能夠清晰地顯示樣品的細節和顯微結構，邊界銳利，不模糊。2.襯度適中，突出樣品的特征，使不同部分易于區分。3.低噪聲，具有足夠的信噪比，實現圖像細節的高清度（注意，這個和分辨率還不是一個概念，可以理解為單位像素點上束流密度變大了）。4.無失真，尤其是在低倍數下，保持樣品的原始形狀和比例，避免圖像扭曲或變形，有助于進行準確的測量和分析。5.足夠的景深，對于具有層次感的樣品，譬如多孔材料或金屬斷口，需要使整個樣品都能清晰成像，而不僅僅是表面。6.要有代表性，能夠準確地代表樣品的整體特征，不是局部或異常的表現，這對于得出可靠的結論和進行比較研究很關鍵。7.準確的標注：包括哪種放大倍數，工作距離，探測器等必要的標注，使其他人能夠理解圖像的相關參數信息，有助于圖像的交流和引用。8.符合研究目的：能夠滿足研究或分析的特定需求，與研究問題或目標相關，能為研究提供有價值的信息和證據。

圖1陶瓷過濾膜截面。低加速電壓不鍍金成像，可辨別支撐體上不同孔尺寸的3層過濾膜，膜層顆粒堆積的形態以及顆粒表面細節。圖注：著陸電壓500V，減速電壓2KV，束流25pA,賽默飛Apero2T1探測器。

圖2陶瓷過濾膜截面。低加速電壓不鍍金成像，可清楚的辨別支撐體上不同孔尺寸的2層氧化鋯過濾膜，膜層顆粒堆積的形態。圖注：5KV，束流50pA,賽默飛Apero2 T1探測器。

有了以上SEM照片質量的評價標準，那么，對于電鏡操作員來說，如何獲得高質量的圖片呢？

這也是一個比較復雜的問題，細分來說，可以從以下幾個角度考慮：1.樣品制備，2選擇合適的儀器參數，比如加速電壓，工作距離，束流大小等，3.聚焦和合軸，4.選擇合適的探測器，5.選擇合適的掃描速度，6圖像的后期優化處理。

總的來說，需要通過實踐和經驗積累，掌握如何調整參數和優化成像條件。同時注意觀察圖像中的細節和異常，及時調整參數以獲得更好的結果。另外，作為初學者，需要與有經驗的SEM操作人員、研究人員或工程師交流，從他們那里獲得經驗和技巧。也可以積極參加培訓課程或研討會，提高自己的技能水平。

下面將基于樣品制備和設備參數調整與操作的角度，就如何獲取高質量的SEM圖片進行闡述。

1樣品制備

要獲取高質量的圖片，樣品制備至關重要。處理不當的樣品會導致觀察假象，對于大多數樣品的要求是，應干燥且導電，以獲得最佳效果。

首先因為觀察的對象不同，有生物樣品，也有材料樣品，因此，并非所有SEM都使用相同的樣品制備順序。此外，SEM的具體步驟取也決于具體的設備類型，以下是一些常規的流程和注意事項，旨在簡單闡述制備樣品的過程。

圖2 SEM樣品制備的流程：干燥樣品和含水樣品。

SEM中生物樣品的制備步驟一般包括：1取材：選擇合適的生物樣本；2清洗：去除表面的雜質；3固定：使用化學試劑固定樣本；4脫水：通過梯度脫水處理；5干燥：選擇適當的干燥方法；6鍍膜：通常使用金、鉑等金屬進行鍍膜，增加導電性；7.觀察：將制備好的樣品放入SEM中進行觀察。

在整個制備過程中，需要注意以下幾點：盡量保持樣本的原始結構和形態。控制每個步驟的條件，以確保樣品的質量。避免污染和損傷樣品。

1.1生物樣品：固定

含水樣品主要涉及到生物類樣品，生物樣品通常具有高含水量。如果樣品未經特殊處理就放入SEM真空中，由于真空會將水從樣品中抽出，樣品結構可能會受到嚴重損壞，同時也會污染SEM樣品倉。對于這類樣品，簡單的風干或加熱干燥方法并不合適，因為在干燥過程中樣品會發生變化(想想生活中，葡萄和葡萄干之間的區別)。

圖3葡萄與葡萄干，結構發生了明顯的改變

生物樣品的制備步驟通常通常需要復雜且周期長，包括固定、脫水和干燥。一旦樣品完全干燥，就可以將其安裝在SEM樣品上，然后鍍膜或者不鍍膜觀察。

生物樣品的制備流程主要涉及以下步驟：

化學固定（Chemical fixation）：化學固定法是將樣品浸入化學固定液中。通常使用的是含3%戊二醛在0.1M緩沖溶液（如Sorrenson磷酸鹽緩沖溶液），PH值取決于組織，植物組織通常使用6.8，動物組織通常使用7.2-7.4。磷酸鹽緩沖液無毒，戊二醛可交聯蛋白質，使樣品更堅硬。

組織一般在固定液中浸泡1-2小時（取決于樣品大小），溫度為4℃，有時也可在室溫下浸泡。然而，用于SEM的樣品可在固定液中存放數周而不會明顯降解。使用帶有散熱片的BioWave微波爐可加快固定過程。

一次固定后通常會用緩沖液清洗，然后進行第二次化學固定，以穩定部分脂質成分（脂肪酸）。在室溫下（在通風櫥內！），將1%的四氧化鋨溶于緩沖液（如0.1M的可可堿緩沖液）中1到2小時。

對于只關注外部結構的SEM來說，較大的組織塊通常不需要長時間固定，因為內部固定不佳并不那么重要。固定后，樣品需要在乙醇中逐級脫水，然后通過臨界點干燥（CPD）或冷凍方法干燥。

備注：在SEM生物樣品制備的梯度脫水過程中，常用的乙醇或丙酮濃度依次為：30%乙醇或丙酮：浸泡一段時間。50%乙醇或丙酮：再浸泡一段時間。70%乙醇或丙酮：繼續浸泡。90%乙醇或丙酮：浸泡一定時間。100%乙醇或丙酮：最終脫水。

具體的濃度參數可能因生物樣品的類型、大小和特性而有所不同。

蒸汽固定（Vapour fixation）：不是所有的樣品都適合化學固定，有些樣品就很容易損壞，因此不可能浸入液體中。這對于真菌及其子實體(分生孢子)來說尤其如此，它們在接觸時會從母體植物中分離出來。

蒸汽固定使用一滴固定劑，放在密封容器中靠近樣品的地方。在切下的受感染的葉片材料的情況下，用4%的四氧化鋨水溶液，在大約1小時內固定樣品。樣品固定后會變黑，這有助于評估進度。一旦固定，樣品可以放在用液氮冷卻的金屬塊上冷凍，然后冷凍干燥。

冷凍固定（Cryofixation）：快速冷凍含有液體或水的樣品會使液體變成固體，而不會形成很多晶體。有許多冷凍樣品的裝置。高壓冷凍是最新的技術，可以產生最好的形態，但是它們需要極小的樣品量（非常適用于TEM）。對于SEM來說，將樣品放入液氮流體或液氮泥漿中通常就足夠了，或者可以將在SEM樣品倉中通過冷臺來冷凍樣品。

一旦冷凍，樣品就可以很容易地觀察樣品的原始形貌，這也可以避免切割軟材料造成的損壞。通常需要在冷凍樣品上鍍上一層金屬觀察。冷凍樣品可以在冷凍狀態下保存很長時間，這個流程涉及到的安全問題包括凍傷和氮氣窒息。

1.1生物樣品：干燥

冷凍干燥（freeze drying）：冷凍干燥通過蒸發除去樣品中的冷凍水，也就是說，水分子沒有先轉化為水就從冰中消失了，這個過程很慢，但如果做得好，通常可以讓樣品保持完好和完全干燥。優點是避免了危險的化學固定劑。

樣品一般放在大型預冷金屬塊的凹陷處，一旦進入冷凍干燥室，就打開真空，讓機器在零下30度左右運行3天左右。

需要注意的是，因為干燥后樣品的重量比比較輕，所以在干燥過程結束時，必須小心將空氣引入室內，否則樣品會被風吹走而丟失。

臨界點干燥（Critical point drying，CPD）：樣品中的水逐漸被乙醇取代，乙醇隨后被液態二氧化碳取代。然后增加容器的壓力和溫度，直到CO2達到臨界點，從液相變成氣相。這樣可以避免風干過程中造成的損壞，從而保護樣品結構。

化學干燥（Chemical-drying）：CPD的替代方法是使用六甲基二硅烷或HMDS，沒有水的擠壓表面張力，甚至沒有乙醇蒸發造成的損害。

溶劑(優選乙醇)中的樣品可以作為50:50的溶液引入HMDS，然后變成100% HMDS (2次變化)。最后一次更換時，可以將溶液排干，直到剛好蓋住樣品，然后放在通風柜中蒸發。對于非常小的樣品，這可能需要幾分鐘的時間，對于較大的樣品，這可能需要幾天的時間。

對于不適合CPD室的大樣品，或者載玻片/硅片上的樣品，這是CPD的有用替代方法。然而，并非所有來自HMDS的樣品都能成功干燥。此外，為了安全起見，不要吸入HMDS蒸汽，也不要將任何混有乙醇的溶液儲存在封閉的瓶中，因為蒸汽壓力會增加并導致爆炸。

此外，高分子聚合物樣品可以是濕的，也可以是干的。如果它們是濕的(或含有大量的水或液體),則需要在SEM檢測之前進行干燥。高分子聚合物材料通常不需要進行固定，但必須清除其中的液體。凝膠類多孔高分子聚合物樣品，通常采用冷凍干燥，一旦樣品完全干燥，就可以將其安裝在樣品臺上，然后鍍膜或不鍍膜觀察。

1.2材料樣品的表面觀察

圖4不同材料的樣品制備方法：觀察表面

1.3材料樣品的截面觀察

圖5不同材料的斷面制備方法：觀察斷面

我們關注材料的信息，通常是關注樣品的表面或內部細節，因此以上也針對不同材料的表面和斷面制備進行了簡單的總結，這里就不再對各工藝細節進行詳細的闡述。后續也會有專題對樣品制備進行就行詳盡的討論。

最后，制備好的SEM樣品附著在樣品臺上，這也是制備樣品的一個非常重要的部分。因為SEM是一種表面成像技術，感興趣的樣品部分必須朝上，對于塊狀樣品，樣品表面和樣品臺底座之間必須有連續的通路（通常會用導電膠或導電漿料架起導電橋梁，再鍍導電膜），這樣電荷就不會積聚。

圖6盡量讓塊體或大顆粒粉末狀樣品跟金屬襯底保持導電通路

要使用SEM，必須首先將樣品放入樣品室。由于樣品室保持真空，必須將干燥的空氣或氮氣引入樣品室，以便打開樣品室并將樣品放在載物臺上。盡量不要讓樣品倉門開太久，如果腔室沒有保持在真空下，抽氣時間會增加，并且長期這樣操作，污染會在腔室內慢慢積聚。

2儀器參數的調整

為什么要調整儀器參數？首先，優化圖像質量，通過調整參數，可以獲得更清晰、更詳細的圖像。其次，適應樣本特性，不同的樣本可能需要不同的參數設置。第三，提高分辨率，以更好地分辨樣本的微觀結構。第四，控制電子束強度，避免對樣本造成過度損傷。第五，調整襯度，增強圖像的襯度，便于觀察。第六，優化景深使整個樣本都能清晰成像。第七，適應不同的放大倍數，確保在不同放大倍數下都能獲得良好的圖像。

2.1加速電壓

理論上，加速電壓的增加將使SEM圖像中的信號更多、噪聲更低。但實際情況并非如此簡單。高加速電壓成像有一些缺點: 1.高加速電壓可穿透較厚的樣品，但在SE模式下，對樣品表面結構細節的分辨能力降低，低加速電壓則適用于表面成像；2絕緣樣品中的電子堆積增加，造成更嚴重的充電效應；3在樣品中傳導的熱量會增加，可能導致樣品損傷，尤其是對熱敏感的材料。

加速電壓越高，電子束穿透力越強，相互作用體積越大，背散射電子（BSE）的數量也會增加。對于典型電壓（如15KV）下的二次電子（SE）成像，BSE會進入二次電子探測器，并降低分辨率，因為它們來自樣品的更深處。

圖7不同加速電壓下，電子束與樣品的相互作用體積不一樣，高加速電壓穿透的更深

加速電壓是燈絲和陽極之間的電壓差，主要用于加速電子束向陽極移動。典型SEM的加速電壓范圍為1KV至30KV。電壓越高，電子束穿透樣品的能力就越強。

圖8不同加速電壓帶來的成像效果差異。1KV加速電壓下，呈現更多的表面細節。賽默飛Apero2 T1探測器。

下表中提供了選擇加速電壓的一般操作指南。當然，不同的電鏡設備，即使參數相同，成像效果也會有差異，要確定樣品成像的最佳設置，需要進行實踐操作。

圖8加速電壓選擇的一般操作指南。對于電子束敏感材料以及需要觀察樣品極表面細節的樣品，通常需要更低的電壓和更低的束流。

2.2光闌

光闌是金屬條上的一個小孔，它被放置在電子束的路徑上，以限制電子沿鏡筒向下運動。光闌可阻止偏離軸線或能量不足的電子沿柱子向下運動。根據所選光闌的大小，它還可以縮小光闌下方的電子束。

圖10物鏡光闌對電子束路徑的影響示意圖

物鏡(OL)光闌：該光闌用于減少或排除外來（散射）電子。操作員應選擇最佳的光闌，以獲得高分辨率的SE圖像。

物鏡光闌安裝在SEM物鏡的上方，是一根金屬桿，用于固定一塊含有四個孔的金屬薄板。在它上面裝有一個更薄的矩形金屬板，上面有不同大小的孔（光闌）。通過前后移動機械臂，可以將不同大小的孔放入光束路徑中。這都限于老式掃描電鏡，現代電鏡通過靜電偏轉到想要的孔，不是機械移動。

圖11機械臂上有一個細金屬條，上面有不同大小的孔，這些孔與較大的孔對齊，該金屬條被稱為光闌條。孔直徑從20微米到1000微米不等

大光闌可用于低倍成像以增加信號，也可用BSE成像和EDS分析工作。小光闌用于高分辨率工作和更好的景深，但缺點是到達樣品的電子較少，因此圖像亮度和信噪比較低。

下表列出了一些光闌大小和實際用途的例子。不同光闌可使用數字刻度。例如，可以使用1、2、3和4。根據儀器的不同，可以用最大的數字表示最大的光闌直徑，也可以用最大的數字表示最小的光闌。

在SEM設備校準過程中，為了生成良好的圖像，需要檢查光闌，以確保其圍繞光束軸居中，這可以通過使用晃動（Wobbler）控制來實現。如果發現圖像左右移動，則需要在X或Y方向（進出或左右移動）調整光闌，調整時只需微微旋轉相應的旋鈕，直到圖像停止移動為止。當電子束直徑在樣品表面達到最小值時，聚焦效果最佳。圖像應清晰明確。

2.3束斑尺寸

電子束錐在樣品表面形成的束斑大小（橫截面直徑）會影響：1）圖像的分辨率；2）產生的電子數量，從而影響圖像的信噪比和清晰度。在低倍放大時，我們使用的束斑尺寸要比高倍放大時大。

圖12不同束斑大小對圖像分辨率的影響

當在相同的放大倍率、電壓和工作距離下使用不同的束斑尺寸拍攝圖像時，很容易看出不同系列圖像在模糊度（分辨率）上的差異。表達束斑大小的方式取決于所用電鏡的廠家和型號。

下圖是在三種不同束斑尺寸下拍攝的硅藻。在最大束斑尺寸（束斑5）下，圖像顯示的細節少于最小束斑尺寸（束斑1）。不過，在最小束斑尺寸下，圖像的信噪比有所降低。

對于任何一個放大倍率，停留點（圖中一行中的光點）的數量都是恒定的，因此束斑點尺寸太小會導致沒有信號產生的間隙，束斑尺寸太大會導致信號重疊和平均。

束斑尺寸會隨著一些參數的改變而改變。例如，長工作距離（WD）下的束斑尺寸比短WD的大。物鏡光闌越小，束斑尺寸越小。此外，無論使用哪種WD，聚光透鏡流過的電流越大（激勵強，聚焦效果好），樣品上的束斑就越小。

因此，當WD較小、聚光透鏡激勵較高、光闌較小時，我們就能實現最小的束斑尺寸。這三個參數是相互影響的，需要仔細權衡，才能獲得最佳圖像，因為它們還會影響其他參數，如焦距和電子信號強度。

2.4工作距離（WD）：分辨率與景深

樣品工作距離(WD)是指SEM鏡筒極靴底部與樣品頂部之間的距離。在樣品室中，樣品臺可以上升到更靠近極靴的一端（工作距離短），也可以下降到更低的位置（工作距離長）。

圖13工作距離（WD）示意圖

工作距離越短，樣品表面的電子束直徑就越小。因此，在可能的情況下，工作距離應保持在10毫米或更小，以獲得高分辨率成像。但小工作距離的缺點是，會大大降低景深。雖然可以通過使用較小的物鏡光闌來抵消這種不利因素，但同時也帶來電子束流密度的降低（圖像看起來顆粒感更強，不夠細膩）。

備注：對于ET探測器來說，縮短WD帶來高分辨率的效果是不夠顯著的。對于大部分鏡筒內電子探測器，縮短WD能顯著提高分辨率。這也是我們經常看到，高倍數的照片都是在短WD下拍攝的，極端情況下，WD可以＜1mm。

在許多SEM中，外部工作距離(Z)控制桿可用于升高或降低試樣，該值通常被誤認為是準確的工作距離。然而，真正的工作距離(WD)是以電子方式測量的，即樣品表面聚焦點到極靴下表面的距離。外部Z控制（機械控制）值與圖像屏幕上提供的WD值不同有三個原因。

只有當電子束準確聚焦到試樣表面時，"屏幕上"的WD值才是準確的測量值。聚焦不足或聚焦過度的圖像會提供虛假的WD值以及模糊的圖像。

外部Z值和準確聚焦試樣的真實WD值會有所不同，因為這兩個測量值可能是從試樣架上的不同點測量的。試樣如果不是均勻平整的，不同的形貌特征會有不同的真實WD。

WD會影響SEM圖像的景深和分辨率。隨著WD的增加，電子束發散角會減小，從而提供更大的景深。增加WD的"代價"是，電子束必須從掃描移動更遠的距離，因此在試樣上的束斑尺寸更大。

景深是指試樣在肉眼看來可接受的聚焦垂直范圍。在SEM中，圖像景深的"范圍"通常比光學顯微鏡大上百倍，因此許多SEM顯微照片幾乎都是三維的。

圖14不同工作距離帶來的景深效果不一樣，WD越大，景深越好

2.5圖像的襯度和亮度

SEM圖像是根據從樣品材料中射出的電子數來構建的強度圖（數字或模擬）。SEM中每個駐留點的電子信號以像素的形式在屏幕上逐行顯示，從而形成圖像。每個點的信號強度反映了從形貌或成分中產生的電子多少。通過信號處理，每個電子的信號信息（從光束的每個駐留點獲得）都可以在顯示之前被轉換成與原始值有嚴格關系的新值。這樣，我們就可以通過調整信號來改變最終圖像的襯度和亮度。

Contrast概念與brightness概念解讀
Contrast可以翻譯成對比度，也可以翻譯成襯度，但襯度和對比度并不是完全相同的意思。襯度是指圖像中不同區域之間的亮度差異程度，它主要用于描述圖像中物體與背景之間的相對亮度差異。對比度則更廣泛地表示圖像中明暗區域之間的差異程度，可以包括顏色、亮度等方面的差異。在某些情況下，這兩個術語可能會被交替使用，但在具體的語境中，它們可能有略微不同的側重點。

Brightness統一翻譯成亮度，但在掃描電鏡中，圖像的亮度和電子槍的亮度概念是不一樣的。圖像的亮度指掃描電鏡所成圖像的明暗程度，它反映了被觀察樣品表面的特征和信息。電子槍的亮度：是電子槍發射電子束的強度指標。兩者的區別在于：圖像亮度是觀察結果，而電子槍亮度是電子槍的發射特性。圖像亮度受多種因素影響，如電子槍亮度、樣品性質、探測器效率等。

在大多數情況下，未經處理的圖像包含足夠的"自然襯度"，操作員可以從圖像中提取有用的信息。自然襯度可被視為直接來自樣品和探測器系統的信號中包含的襯度。如果自然襯度過低或過高，則可能會丟失與重要細節相對應的信號變化。

在這種情況下，我們會看到圖像中有很多黑色或白色區域。質量好的圖像具有灰度漸變，只有極少部分是全黑或全白的。信號處理技術可以處理自然襯度，使眼睛可以通過圖像中的襯度感知信息。雖然信號處理技術允許用戶對自然襯度進行處理，但并沒有增加信息，只是增強了已有的信息（因此，這種圖像處理技術不屬于對已有信息的篡改）。

以下這幅圖像左側襯度太低，右側襯度太高，中間的圖像襯度是合適的。左邊的圖像可以后期調整，方法是在Photoshop軟件中修改灰度"色階"的分布，但右圖像無法修正，因為純黑白區域是絕對的（無法從這些區域獲取更多數據）。

應該注意的是，信號處理會極大地改變圖像的外觀，使其與通常預期的不同，因此SEM操作員有義務說明是否進行了處理。不過，通常情況下，使用襯度和亮度旋鈕調整圖像質量是被認可的圖像處理流程。但是，如果為了使SEM圖像看起來更清晰而進行了一些其他處理，則應在正式報告中說明具體的處理的方式。

舊型號的SEM一般都需要手動調整襯度和亮度。更現代的機器則依靠軟件程序自動調節，輔以機器操作員的喜好：一鍵操作，提高工作效率。但需要注意的是，人眼對圖像襯度和亮度的感知或審美，往往和軟件計算的結果并不一致，因為為了更好的圖片質感，還需要依賴手動調節。

傾斜樣品可以增加SE襯度：增加SE襯度的另一種方法是傾斜樣品，使其與探頭成一定角度（通常為30°至60°）。傾斜的結果是，每單位投影試樣面積會產生更多的SE，從而使亮部和暗部的分布更加明顯，從而增強襯度。

2.6放大和校準

放大是指放大圖像或圖像的一部分。在SEM中，放大是通過掃描較小的區域來實現的。在圖像中，樣品上的電子束用箭頭表示。

當掃描到一個較小的區域時，我們看到的是物體變大了。以下的顯微圖像的放大倍數從900倍到10000倍不等。

圖15隨著掃描區域的不同，放大倍數也會隨之改變

圖像的放大倍數通常會在屏幕上給出一個數值（如2000x）。圖像上還會有一個刻度條，代表精確的距離單位。

在掃描電鏡中，通常涉及到兩個倍數，一個是底片倍數，一個是顯示倍數。底片倍數，指掃描電鏡獲取圖像時，實際拍攝到5英寸底片上的放大倍數。顯示倍數是指在顯示器上顯示的放大倍數。初學者搞不清楚底片倍數和顯示倍數的區別，同樣的細節長度，顯示倍數通常會比底片倍數高2-3倍，因此，衡量物體尺寸的大小看標尺刻度，而不是放大倍數。

SEM的基本維護包括定期檢查放大倍率的校準。在標準條件下對標準樣品（如光柵網格）進行成像。對圖像上的特征進行測量，并與給定的放大倍率或刻度條進行比較，以確保達到正確的尺寸。如果不正確，可以遵循校準程序。

在標準條件下，屏幕上顯示的放大倍數可能包含2-5%的誤差。在許多情況下，這種不確定性是可以接受的。但是，如果所做的工作需要很高的精確度（尤其是半導體行業的精確測量），則必須使用與實驗條件完全相同的條件和校準標準來校準系統，校準標準的特征應與您希望在實驗中測量的特征的尺寸密切匹配。例如，如果需要測量直徑為500nm的顆粒大小，校準樣品應包含相同大小的特征。

2.7掃描速率和信噪比

如果需要采集高質量的圖像，以供日后使用或出版時，通常會降低掃描速率。較慢的掃描速率可以在電子束掃描線上的每個像素點收集到更多的電子。這樣可以生成質量更好的圖像。

SEM的圖像質量受束斑大小和信噪比的限制。信噪比是電子束產生的信號（S）與儀器電子設備在顯示該信號時產生的噪聲（N）之比（S/N）。噪聲脈沖來源于電子束亮度、聚光透鏡設置（束斑尺寸）和SE探測器靈敏度，可能會給圖像帶來類似顆粒感。當SEM參數設置為高分辨率成像時，其信噪比通常較低，因此會出現顆粒感，這可能是不可避免的。隨著每個圖像點記錄的電子總數的增加，SEM的圖像質量和信噪比也會隨之提高。

圖16左圖隨著信噪比的增加，圖像質量也會提高

鎢（W）燈絲的特點是亮度低，導致成像的電子束流密度低。因此，在聚光透鏡設置為高分辨率成像時（小束斑尺寸），到達試樣的電子數量較少。因此，SE產量低，為了生成高質量的圖像，必須使用大束流，這就彌補了信噪比的不足，但同時也帶來了分辨率的下降。為了克服W燈絲的亮度限制并提高信噪比，人們開發了場發射槍(FEG)等明亮相干光源。

2.8圖像的假象：像散/邊緣效應/充電效應/電子束損傷和污染

要獲得完美的圖像，需要基礎理論知識和實踐，并且需要在許多因素之間進行權衡。這個過程可能會遇到一些棘手的問題。

像散

像散是圖像中最難精確校正的調整之一，需要多加練習。下圖中間的圖像是經過像散校正的正確聚焦圖像。左圖和右圖是像散校正不佳的例子，表現為圖像出現拉伸的條紋。

為實現精確成像，電子束（探針）到達試樣時的橫截面應為圓形。探針的橫截面可能會扭曲，形成橢圓形。這是由一系列因素造成的，如加工精度和磁極片的材料、鐵磁體鑄造中的缺陷或銅繞組。這種變形稱為像散，會導致聚焦困難。

嚴重的像散可表現為圖像中X方向的"條紋"，當圖像從對焦不足到對焦過度時，條紋會轉變為Y方向。在精確對焦時，條紋會消失，如果束斑大小合適，就能正確對焦。

圖17像散示意圖，完全消除像散的圖片如中間所示

為了使探針呈圓形，需要使用像散校正器。這包括以四邊形、六邊形或八邊形方向放置在鏡筒周圍的電磁線圈。這些線圈可以調整電子束的形狀，并可用于校正任何重大的透鏡變形。

在放大10,000倍左右的情況下，將物鏡調整到欠焦或過焦時，如果圖像在一個方向或另一個方向上沒有條紋，則一般認為圖像沒有像散。在1000倍以下的圖像中，像散通常可以忽略不計。

校正像散的最佳方法是將X和Y像散器設置為零偏移（即不進行像散校正），然后盡可能精細地對焦樣品。然后調整X或Y消像散器控制（不能同時調整）以獲得最佳圖像，并重新對焦。

邊緣效應

邊緣效應是由于試樣邊緣的電子發射增強所致。邊緣效應是由于形貌對二次電子產生的影響造成的，也是二次電子探測器產生圖像輪廓的原因。電子優先流向邊緣和峰頂，并從邊緣和峰頂發射，被探測器遮擋的區域，如凹陷處，信號強度較低。樣品朝向探測器區域發射的背向散射電子也會增強形貌襯度。降低加速電壓可以減少邊緣效應。

圖17邊緣效應產生示意圖

充電效應

電子在樣品中聚集并不受控制地放電會產生充電現象，這會產生不必要的假象，尤其是在二次電子圖像中。當入射電子數大于從樣品中逸出的電子數時，電子束擊中樣品的位置就會產生負電荷。這種現象被稱為"充電Charging"，會導致一系列異常效果，如襯度異常、圖像變形和偏移。有時，帶電區域的電子突然放電會導致屏幕上出現明亮的閃光，這樣就無法捕捉到襯度均勻的樣品圖像，甚至會導致小樣品從樣品臺上脫落。

充電效應的程度與(1)電子的能量和(2)電子的數量有關。電子的能量與加速電壓有關，因此降低加速電壓可以減少充電。電子的數量與許多參數有關，包括束流、電子槍的種類、束斑大小以及電子槍和試樣之間的光闌。因此，通過調整這些參數來減少電子數也可以減少充電效應。

圖18橫向的亮暗帶是充電的結果

要解決不導電樣品的充電問題，在樣品制備方法上是在樣品上鍍上一層較厚的金或鉑薄膜，這樣做是為了提高表面的導電性，使足夠的電子能夠逸出，避免表面充電和損壞。顆粒等松散材料經常會受到充電的影響，在實際操作上，這些樣品都通過磁控濺射鍍膜儀來鍍上一層厚3-10nm的金屬層，實驗室常見的鍍膜儀如下圖所示：

圖19速普的J20雙靶離子濺射儀和Ted Pella 108Auto濺射儀

過去三十年，常規鍍膜儀多采用單靶噴金儀：Au靶熔點較低，金顆粒較大（約20nm，常規鍍膜參數），主要用于常規鎢燈絲電鏡；Pt靶熔點較高，白金顆粒較細（3-5nm，常規鍍膜參數），適用于場發射掃描電鏡。根據實踐經驗，同等參數下，鍍金比鍍白金能更好的抑制充電效應，但在納米尺度，金會掩蓋細節。速普的J20雙靶離子濺射儀采用了雙靶+疊層噴鍍的創新概念，將金（Au）和鉑（Pt）的優勢相結合，通過多次形核，可進一步減小噴鍍膜顆粒大小（30s pt+30s Au，底片10萬倍，預估顆粒5nm左右），并進一步改善充電效應。

圖20鋰電池干法隔膜。左圖，不鍍膜，即使在500V低電壓下，T2探測器成像存在明顯的充電效應，隔膜形態無法辨別。右圖，速普的J20濺射儀，濺射30s pt+30s Au，可以很好的緩解充電效應，用T2能拍清楚隔膜表面細節輪廓和孔隙的大小，插圖為AFM圖，可以證實，濺射上過程并沒有對隔膜造成損傷，保持了較真實的結構細節。

圖21鋰電池隔膜。除了鍍膜處理，采用Apero2的T1探測器可以直接對隔膜成像，相比鍍膜后的效果，表面細節可以辨別，但還不夠清晰。

此外，在相同的電鏡參數條件下，比如都是低加速電壓成像，合理的選擇探測器，也有助于緩解荷電效應。從上面的隔膜樣品就能看出來，同樣的參數T2和T1探測器，對充電效應的敏感程度是不一樣的。

圖20樹脂溶液中的橡膠納米粒子，不鍍金。即使選擇Apero2電鏡的T2探測器在1KV下成像，但依舊存在充電效應。切換到T1探測器，不僅能避免充電效應，還能準確測量出溶液中的納米顆粒尺寸。

此外，除了低加速電壓成像，具有低真空功能的SEM或環境SEM (ESEM)可用于控制充電效應。

用電子束輻照試樣會導致電子束能量以熱量的形式流失到試樣中。較高的加速電壓會導致輻照點的溫度升高，這可能會損壞（如熔化）聚合物或蛋白質等易碎試樣，并蒸發蠟或其他試樣成分，同時也會污染鏡筒。

解決辦法是降低電子束能量，增加工作距離也有幫助，因為在相同的電子束能量下，可以在樣品上產生更大的束斑，但這樣做的缺點是會降低分辨率。

與電子束相關的污染是指在電子束掃描過的樣品區域沉積材料（如碳），這是電子束與真空室中的氣態分子（如碳氫化合物）相互作用的結果。

解決這種假象的方法之一是先用低倍放大鏡拍攝顯微照片，然后再用高倍放大鏡拍攝。在將樣品放入SEM腔室之前，確保樣品盡可能干凈，或者采用等離子清洗樣品，也可以減少這種假象。對于場發射電鏡而言，在處理樣品時通常需要戴上手套，以防止被手指油脂等污染。

圖21采用等離子清洗，消除樣品表面污染和假象

總之，獲得滿意的SEM圖片需要綜合考慮樣品制備、儀器設置和圖像處理等方面的因素。在樣品制備過程中，需要選擇合適的樣品、清洗方法和干燥方法。在儀器參數設置過程中，需要選擇合適的加速電壓、工作距離和探測器類型等。在圖像處理過程中，需要選擇合適的圖像增強、信號過濾方法。此外，還要考慮像散/邊緣效應/充電效應/電子束損傷和污染的因素。

通過綜合考慮并權衡這些因素，可以獲得高質量的SEM圖像，從而提高對材料的分析和理解水平。

王彥剛 羅海輝 肖強 在此特別鳴謝！

（ 轉載于機車電傳動2023,5期 功率半導體與集成技術全國重點實驗室）

摘要：

大功率半導體模塊的發展進化是電力電子系統升級和產業發展的最關鍵因素。文章根據功率模塊的主要應用領域分類，綜述了其產品和封裝技術的最新進展，分析了新型模塊產品的結構和技術特點；然后提出了當前模塊封裝面臨的技術、成本以及新型應用系統要求等方面的挑戰，討論了向高頻、高溫、高可靠性、模塊化等方向發展的挑戰；最后對大功率半導體模塊的互連及連接技術、集成化和灌封材料、緊湊封裝結構的中長期趨勢進行了探討和展望。

大功率半導體模塊封裝進展與展望

0引言

功率分立器件和模塊是大功率半導體器件的主要產品形式，二者2021年的總市場規模為275億美元，占全球半導體市場的4.95%，預計2026年將達到360億美元，年均增長率為5.5%左右[1-3]。單管分立器件是功率晶體管、晶閘管、金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET） 和小功率絕緣柵雙極型晶體管 （Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT） 主要的封裝形式，它具有工藝簡單、成本低、應用靈活等優勢，在中小功率應用系統如消費電子、家用電器、工業驅動等領域具有廣泛的應用[2]。功率模塊是多個芯片并聯結構，對封裝技術和材料有更高的要求，是中大功率應用MOSFET和IGBT的主要產品形式，在功率密度提升、寄生參數優化、先進技術和材料應用、冷卻形式選擇、可靠性增強等方面具有較大優勢。大功率系統應用對模塊需求的持續增加，功率模塊對分立器件的市場優勢正逐年增大，初步估計到2026年，功率模塊的銷售金額將達到分立器件的1.6倍左右[2]。本文將主要討論大功率IGBT模塊和寬禁帶半導體模塊封裝技術的近期進展與展望。

功率模塊的整體性能和可靠性主要依賴于芯片和封裝技術兩個層面，而其電流特性、功率密度、溫度特性、開關 頻 率 、 開關 損 耗 、 安全 工 作 區 （Soft Operation Area，SOA） 等電學性能在較大程度上依賴于芯片技術。目前，中低壓1 700 V以下IGBT已發展到第七代，750

V IGBT芯片的電流密度已提升到300 A/cm2以上，IGBT的飽和電壓持續降低，開關頻率達到20 kHz以上，開關結溫Tj上升至175 ℃，短路能力不斷增強[4-8]。

近年來，由于功率半導體芯片的研發和生產投入快速增長，功率模塊封裝技術和產品的開發節奏也隨之加快。在過去的幾十年，以IGBT模塊為代表的功率模塊封裝技術和產品，也在不斷地換代升級：在封裝結構方面，持續向緊湊、低熱阻、低電感、高效冷卻的方向發展；在封裝技術方面，先進的互連、連接、端子鍵合、灌封等技術一直是研發的熱點；在封裝材料方面，幾乎所有的材料如外殼、硅膠、襯板、基板、焊料、樹脂等都在持續更新[9-13]。這些方面的不斷發展，提升了功率模塊的性能和可靠性，基本滿足了絕大部分功率系統用戶的要求。然而，隨著更先進芯片技術的開發，以及新型材料功率半導體器件如SiC、GaN芯片的逐漸成熟，芯片的電學性能和熱學性能得到了更大提升。目前的功率模塊封裝技術，已經呈現出不能滿足芯片技術對封裝需求的趨勢，從而限制了芯片性能 （如工作溫度、短路能力、開關速度、效率等） 的發揮[14-15]。

本文將主要討論大功率半導體封裝的進展，并對未來的發展進行展望。在新型模塊產品和封裝技術方面，總結業界的最新進展，并對其產品性能和特點進行分析；基于芯片技術發展需求和客戶端不斷提出的更高要求，探討當前大功率半導體模塊封裝面臨的挑戰；最后，對功率半導體封裝技術發展趨勢和前景進行展望。

1大功率半導體模塊封裝技術現狀與進展

近年來，世界各國政府機構和企業在大功率半導體器件方面的研發和投入迅速增長，新興的研發機構和企業數量也逐年增加。相對于功率芯片的開發，大功率模塊封裝研發所需的技術、設備和人員投入相對較小，因而許多研究機構和初創企業選擇從封裝技術、表征測試、可靠性和壽命、應用技術等方面入手。有關大功率模塊的新型封裝結構和概念層出不窮，新型的產品和技術也在不斷推出，但許多創新的封裝結構還處于概念和樣品等早期階段，本文主要關注大功率半導體模塊在產品層面的一些最新進展。

1.1先進開源模塊

開源模塊 （Open Source） 的概念源于日本日立功率半導體有限公司 （以下簡稱日立） 于2013年提出的nHPD2系列模塊，即下一代高功率密度雙開關模塊[16]。在推出該模塊的同時也提出了標準化尺寸 （最初為140mm ×94 mm） 和電學接口，用以替代目前的工業級標準模塊 （140 mm ×130 mm和140 mm ×190 mm），具有性能 （如功率密度、寄生電感） 優良、模塊化和易于應用等方面優點。概念一經提出，立即引起了各主要功率模塊廠商的極大興趣，后面陸續推出了各自的樣品，并完成了相關產品的驗證[16-21]。

開源模塊分為中低壓 （1 200~＜3 300 V） 系列和高壓 （3 300~6 500 V） 系列2個版本，圖1為日立公司最初的開源模塊概念設計。其中，高壓版本的外殼增加了爬電距離設計，用以提升模塊耐壓水平；低壓版本的直流 （DC+與DC-） 端子均為2個，以承受更大電流。在提升功率密度的同時，一些先進的封裝互連、連接和灌封技術已經應用于開源模塊之中，如英飛凌科技股份公司 （以下簡稱英飛凌） 的XHP2應用了.XT技術，三菱電機株式會社 （以下簡稱三菱） 的LV100集成 了 基 板 技 術 （Integrated Metal Baseplate，IMB），塞米 控 國 際 有 限 公 司 （以下 簡 稱 塞 米 控） 的SEMI‐TRANS 20采用燒結芯片和AlCu引線鍵合技術，ABB有限公司 （以下簡稱ABB） 的LinPak超聲焊接端子和高可靠性焊接技術等[17, 19, 21]。此外，Si3N4襯板和AlSiC基板 已 普 遍 使 用 ， 直接 水 冷 （Direct Liquid Cooling，DLC） 集成針翅基板也逐漸成為中低壓模塊版本的主要形式，因此模塊的熱性能和可靠性得到了大幅提升。盡管開源模塊產品的性能和可靠性已經完全優于上一代工業標準模塊，并且能夠大幅降低應用系統回路的總電感，但目前其市場容量仍然不大，一方面是由于模塊生產商依然在不斷提升上一代工業標準模塊的性能和可靠性，以滿足客戶需求，另一方面是改變現有系統設計的形勢還不緊迫。

1.2新型壓接式IGBT功率模塊

壓接式 （Press Pack，PP）IGBT模塊是專門為新一代柔性直流輸電系統開發的產品，用以取代可關斷晶閘管 （Gate Turn-off Thyristor，GTO）。PP IGBT的概念也來自于GTO的封裝結構，即晶圓級封裝，將電極與晶圓上下表面通過壓力接觸，具有大電流能力、低寄生電感、短路失效、易于串聯應用、雙面散熱的優點。由于IGBT芯片的工藝難度和成品率的原因，采用晶圓級壓接封裝沒有優勢。PP IGBT采用的是小尺寸芯片并聯結構，芯片通過各自的剛性或柔性壓接部件與外部電極連接，通過外部電極施加壓力。目前，高壓直流輸電 （High Voltage Direct Current，HVDC） 系統的電壓已經超過1 000 kV，需要數百個4.5 kV及以上的高壓IGBT模塊串聯。PP IGBT的上下表面為電極的結構，使其容易通過壓力串聯起來，而傳統的IGBT模塊則很難串聯應用。PP IGBT模塊的長期短路失效的優點也使其更適合串聯應用，當一些模塊失效時，整個系統可以維持較長時間的功能[22]。

早期推出PP IGBT產品的廠家有ABB、Westcode、富士電子、東芝、英飛凌等[22]，均采用圓形結構。為了提升功率密度和可靠性，日立新能源與ABB開發了方形結構柔性壓接StakPak產品。StakPak產品的芯片焊接在子模塊基板上，模塊管蓋通過彈簧與芯片上部接觸，并對其施加壓力，每個模塊由數個子模塊單元并聯構成，子模塊共用管蓋電極和底部電極。圖2是StakPak子模 塊 結 構 示 意 圖 和5 200 V/3 000 A產品[23-24]。

株洲中車時代半導體有限公司 （以下簡稱中車時代半導體） 開發了具有自主知識產權的PP IGBT模塊產品，并成功應用于國內柔性HVDC工程，圖3是其PP IGBT模塊子單元和模塊產品。該IGBT的芯片通過雙面銀燒結技術與鉬片連接，然后組裝成子單元，子單元與模塊管蓋電極通過柔性壓力接觸，實現并聯。銀燒結工藝技術提升了模塊的長期可靠性，柔性壓接提高了芯片壓力的均勻性，有助于提升芯片電學性能和熱學性能的一致性。目前，中車時代半導體的PPIGBT產品的電壓等級已經達到了6 500 V，是市場上的第一家達到該電壓等級的產品[8]。

1.3先進工業級IGBT模塊

62 mm ×152 mm IGBT半橋模塊被認為是最成功的IGBT模塊產品之一，如英飛凌EconoDUAL系列產品和其他半導體廠家同類封裝的產品。該類半橋模塊具有功率密度高、可靠性高、應用簡單、成本低等優勢，在工業、新能源和商用農用車領域的應用非常廣泛。

目前，這類封裝的1 200 V和1 700 V IGBT模塊的最大電流已經達到900 A，相較于早期提供的450 A產品，功率密度最高提升了1倍，可滿足新能源領域更高功率的需求。此外，在采用最新的IGBT芯片和FRD芯片提升電學性能的同時，模塊的封裝材料技術也在進行升級，如主端子與襯板連接以及襯板互連采用銅線、預涂敷相變導熱硅脂材料 （Phase Change Thermal Inter‐face Material，PCTIM）、IMB和環 氧 樹 脂 灌 封 材 料（Epoxy Molding Compound，EMC）、 采用PressFIT輔助端子等，以滿足大電流輸出和更高可靠性的要求。近2年，62 mm ×152 mm封裝IGBT模塊產品的升級主要有以下2個方面：

①采用黑色外殼無基板封裝結構，如圖4所示。由于產品底部沒有基板，實現了“結-殼”熱阻 （RthJ-C）、重量和成本的降低。應用時通過外殼上的安裝孔將襯板與散熱器壓裝在一起，并且對主端子結構也進行了優化，主端子和輔助端子都通過超聲焊接技術與襯板連接，從而提高了電流能力、熱性能和機械可靠性，大幅降低了母排端子的寄生電阻和最高溫度[25-27]。仿真結果顯示，在2.5 kHz的開關頻率和強迫風冷條件下，電流輸出能力比標準模塊提升了9%，而在更高頻率下其優勢更加明顯[27]。

②基板集成鋁帶結構 （Wave），可實現直接水冷散熱[28]，其產品如圖5所示。通過熱仿真和計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD） 仿真設計鋁帶的結構、尺寸、形狀、布局，以實現最低的“結-冷卻液”熱阻RthJ-F和降低冷卻液進出口之間的流阻。鋁帶鍵合在普通基板背面通過引線鍵合完成，工藝比較簡單，相對于直接水冷針翅基板，可以大幅降低成本，并且重量降低很多，同時在應用中不需要涂覆導熱硅脂，節省了成本，降低了RthJ-F，從而提升了模塊電流能力 ， 增強 了 產 品 可 靠 性[28-29]。1 200 V/900 A規格IGBT模塊的RthJ-F為0.08 K/W左右，與預涂導熱硅脂材料、沒有鋁帶的標準模塊的“結-散熱器”熱阻RthJ-H0.07 K/W相差不大，而后者在應用中還要考慮散熱器的熱阻影響。試驗結果顯示，在輸出電流500 A和冷卻水流量15 L/min的條件下，集成鋁帶結構的IGBT最高結溫降低25 K，而且溫度波動很小；在相同的結溫下，輸出電流最高增加20%~30%，壽命增加了5倍，模塊結溫和壽命比較如圖6所示[29]。

1.4汽車級IGBT模塊產品進展

電動汽車電機控制器對大功率半導體模塊的更高要求是汽車級IGBT模塊技術不斷發展的主要驅動力之一。基于性能、可靠性、壽命提升、成本降低的持續追求，使汽車級IGBT模塊成為功率模塊結構、技術和材料發展的主要推動力量。表1是汽車級IGBT模塊產品驗證標準，在溫度沖擊、機械振動和沖擊、功率循環壽命等方面的標準比工業級模塊更加嚴格[30]，表2是汽車模塊產品代次發展及其主要特征。

目前 ，6開關HybridPACK Drive直接 液 體 冷 卻IGBT模塊及其同封裝產品已經成為中高端電動汽車驅動器的主流產品，一些廠商以該模塊形式進行了寬禁帶功率器件 （如SiC MOSFET，GaN HEMT） 封裝[31]。在采用新型結構、先進技術和材料的基礎上，汽車IGBT模塊的最新產品形式主要有以下2個方面：

一是轉模灌封模塊。。轉模灌封技術廣泛用于集成電路、分立器件的封裝，但直到近年才被用于大功率IGBT模塊封裝。轉模灌封的優點：①工作溫度更高，目前EMC材料的最大玻璃化溫度達到200 ℃以上，因而比硅膠更適用于高溫封裝；②EMC材料的熱膨脹系數 （Coefficient of Temperature Expansion，CTE） 比硅膠低一個數量級，目前已經能做到15 ppm/K以下，在溫度變化過程中，EMC材料半導體芯片、互連金屬、絕緣襯板的熱應力更小，從而提高了模塊的“熱-機械”穩定性和壽命；③轉模灌封的防潮能力強，EMC材料對濕氣的抵抗能力更強，保證了模塊在潮濕工作環境下的長期可靠性；④抗機械振動和沖擊的能力更強，EMC材料經固化后強度很高，并與端子、襯板等材料具有很強的結合性，因而減小了機械振動和沖擊對模塊的影響，提高了模塊的可靠性。目前，主要的IGBT模塊廠商都推出了轉模產品，主要的應用領域是電動汽車，如圖7 [32-36]所示。轉模封裝的設備和工藝要求比傳統硅膠填充更高，需要定制化的工裝，因而工藝過程較長，成本較高。此外，轉模封裝主要適用于無基板結構和尺寸較小的模塊產品，而當前主要拓撲結構是半橋結構。這是因為在灌封后，需要對EMC在高溫下進行較長時間的固化，此過程使得基板形成很大的“熱-機械”應力，造成基板變形。但轉模灌封是大功率密度、高可靠性、輕量化功率模塊封裝的主要技術 方 向 ， 是先 進 新 型 寬 禁 帶 （Wide Band Gap，WBG） 大功率模塊的主要產品形式。

二是先進互連雙面散熱模塊。傳統IGBT模塊采用鋁線鍵合互連，主要通過襯板基板通道散熱，在電流能力、散熱能力和功率循環可靠性等方面存在局限性，其中鍵合引線脫落和根部斷裂被認為是大功率模塊失效的主要模式。先進互連技術旨在增強互連結構電流通過能力和可靠性，降低失效發生率。目前，比較廣泛應用的先進互連技術主要包括：①平面互連，通過上層襯板或PCB形成電路；②直接導線鍵合 （Direct-Lead Bonding，DLB） 技術，通過主電流端子與芯片連接形成互連；③銅線鍵合，采用電流通過能力、散熱能力 更 強 和CTE更低 的 銅 線 實 現 互 連 ；④金屬 夾（Clip） 互連技術，用于芯片間、芯片與襯板的互連，金屬夾不與主端子一體化[37-41]。

通過平面互連技術，如平面金屬層或襯板結構，可以實現雙面散熱封裝。模塊的熱損耗可以向上、下2個方 向 傳 輸 ， 達到 雙 面 冷 卻 （Double Side Cooling，DSC） 的效果。DSC結構的RthJ-C比同規格的單面散熱結構降低30%左右[41]，從而大幅降低芯片結溫Tj，提高熱穩定性。DSC模塊采用轉模灌封技術，具有雙面冷卻和轉模封裝的諸多優勢。圖8是一款典型的DSC轉模模塊及其剖面結構圖，用于電動汽車電機驅動。當前的DSC模塊一般不是直接水冷，在應用中需要通過導 熱 材 料 （或通 過 焊 接 工 藝） 與外 部 散 熱 器接觸[41]。

1.5先進SiC模塊產品

為了發揮SiC材料在電學和熱學方面的優勢，大功率SiC模塊封裝的主要方向包括：①直流母排間寄生電感降低至5 nH以下；②提升模塊最高工作溫度Tj max至200 ℃以上；③降低RthJ-C和RthJ-F；④提高功率密度、增強電流能力和長期可靠性。目前，市場上的SiC模塊產品主要是對Si基IGBT模塊產品形式的延用和小范圍優化 ， 如HybridPACK Drive、62 mm封裝 系 列 產 品 、Easy系列、平面轉模結構等[42-46]，以及采用傳統結構和技術的產品，如Rohm、Wolfspeed、富士電子、三菱等公司的產品[33, 47-49]。專門針對大功率SiC器件的封裝還不多見，仍未形成占主導優勢、廣泛被市場接受的標準SiC模塊產品。

針對性能和可靠性要求最高的汽車控制器應用，塞米控公司推出了當前市場上最具競爭力的汽車級SiC模塊產品eMPack[50-51]，其外觀如圖9所示。eMPack采用塞米控的SKiN技術[37]，其芯片互連采用雙層柔性PCB實現，分別形成功率和柵極回路，降低了寄生電感；芯片的上下表面通過銀燒結技術分別與PCB、絕緣襯板連接；冷卻方式靈活，可采用直接水冷或客戶定制的冷卻結構 （如封閉鋁散熱器結構）；外殼通過壓力結構系統 （Direct Pressed Die，DPD） 將壓力施加于芯片和襯板之上，使PCB與芯片、襯板與散熱器緊密接觸，從而可以減小導熱硅脂厚度，達到減小熱阻的效果。eMPack的剖面圖和DPD系統原理如圖10所示。其母排和輔助端子通過激光焊接技術與襯板結合，激光焊接技術對襯板無損傷，具有接觸電阻低、焊接速度快、安裝體積小、成本低、可靠性高[52]等優點。

eMPack模塊采用的是6開關三相逆變電路的拓撲結構，適用于1 200 V及以下電壓等級。目前的最高電流等級是有效值900 A，輸出功率最高達750 kW，模塊外形尺寸為153 mm ×111 mm，主功率回路總寄生電感降低至2.5 nH。該模塊已經獲得汽車生產商的極大興趣和認可，并與德國一家大型車企簽訂了10億歐元的訂單，將于2025年批量供貨[53]。為了保證SiC芯片的供應，塞米控已經與意法半導體、羅姆公司簽訂了供貨 合 同 ，Rohm公司 也 獲 得 了eMPack模塊 的 生 產許可。

在高壓SiC模塊方面，3 300 V/750 A和3 300 V /1 000 A半橋模塊產品已經成功推出[54]，并在軌道交通牽引驅動系統獲得了初步應用。該模塊采用低壓開源模塊形式，主要在母排形狀和布局方面進行了優化，直流回路總寄生電感在10 nH以下，采用銅線鍵合、芯片銀燒結和襯板擴散焊接技術、Si3N4襯板和AlSiC基板，如圖11所示。在工業和新能源應用領域，模塊的效率、體積、重量和成本成為關鍵指標，新型的SiC模塊產品尚未出現。

近期，已經相繼報道了平面封裝轉模SiC模塊產品，如意法半導體公司的汽車級STPAK2雙面冷卻模塊，該模塊通過銅鉬金屬柱將芯片表面與上層Si3N4絕緣襯板互連，芯片上下表面、金屬柱與上層襯板之間都通過銀燒結連接，如圖12 [55]所示。安森美公司也推出了汽車級轉模雙面冷卻SiC模塊，寄生電感為6.5nH，芯片與AlN襯板通過燒結連接，如圖13[56]所示。DENSO的雙面冷卻SiC模塊已經批量應用于豐田的Mirai II的升壓控制器中，其結構與普通雙面冷卻結構類似，但未采用燒結技術，如圖14[57]所示。其他已經形成產品的新型SiC模塊還有日立能源的RoadPak[34]、丹佛斯的DCM1000X[35]等。

650 V功率GaN HEMT器件主要應用在功率較低的領域，如消費電子、汽車充電機和DC-DC變換器等，其產品形式主要是分立器件。由于大功率的電機驅動應用尚不成熟，新型的GaN封裝形式仍未形成，主要是采用傳統的IGBT模塊結構和技術，如VisIC、GaN Systems等公司的產品[58-62]。目前，GaN HEMT芯片表面金屬化布局不適用于平面互連，一般都采用引線鍵合形式，當應用于超高頻率時，降低寄生電阻、電感和電容，實現芯片間柵極回路寄生參數均衡和動態均流都是需要重點考慮的問題。此外，對平面導電器件，還需關注背面接地設計。

1.6新型航空功率半導體模塊

航空功率系統是功率半導體器件新興應用領域之一，隨著世界范圍內清潔太空計劃的推進，多電飛機（More Electric Aircraft，MEA） 的研發日漸增多。MEA已經成為航空科技的重要發展方向，它將機載二級能源系統 （如液壓、氣動能源系統） 由電力系統替代，從而提高燃油經濟性、實現輕量化、提高可靠性和可維護性。MEA的電力系統包含發電、配電和用電等一系列 功 率 等 級 不 同 的AC/DC、DC/AC系統 。 目前 ，MEA的標準直流系統電壓是±270 V，并有提升到±540V的趨勢。鑒于MEA對系統效率、體積和重量等方面的要求，1 200 V SiC MOSFET成為航空應用的主流器件，隨著直流電壓的提升，1 700 V或三電平1 200 V SiC模塊將逐漸得到應用。

2022年，Microchip公司推出了航空標準1 200 VSiC模塊BL系列，具有多種拓撲結構，電流最高達到145 A，可以滿足0.1~20 kW的各種電源系統。圖15是BL系列模塊的典型外觀、尺寸和性能參數。該系列模塊采用厚銅Si3N4襯板、應力緩解結構母排端子設計、無基板結構，具有體積小、重量輕[63]等優點，圖16是該系列模塊的內部結構圖。圖17是中車時代半導體開發的1 200 V三電平中點箝制 （Neutral Point Clamped，NPC） 航空SiC功率模塊，輸出電流有效值/功率為250A/100 kW，主要優點是優化了各主電流回路的寄生電感 ， 實現 了 主 電 流 回 路 寄 生 參 數 均 衡 ， 以及 芯 片柵極 回 路 的 電 感 均 衡[64]。 目前 ， 航空 功 率 模 塊 產品的 驗 證 標 準 還 沒 有 建 立 ， 一般 參 照 航 空 系 統 標準RTCA/DO-160G，如高濕高溫(95±4)%RH，長時間過壓170 kPa，15 s內快速減壓63.66 kPa，以及機械沖擊和振動等方面的標準，其余驗證標準參照工業級模塊[63]。

2大功率半導體模塊封裝面臨的挑戰

目前，世界各國都在發展低碳經濟，實現電氣化清潔能源、高效的能量轉換等成為能源行業不斷追求的目標，電力電子系統的應用和性能對上述目標的實現具有重要作用。其中，功率半導體模塊是能量傳輸、轉換和控制應用等電力電子系統的核心器件，其性能、可靠性和成本對整個系統具有關鍵影響。隨著新興行業 （如電動汽車、新能源、HVDC系統、多電飛機等）對電力電子系統要求的提升，大功率半導體模塊的封裝面臨著以下挑戰。

2.1先進封裝與產品成本的矛盾

在提升模塊的功率密度、工作溫度和可靠性等方面，業界已經開發并儲備了一系列的先進封裝方案和技術，并且一直在探索和完善之中，如新型互連與燒結工藝、高溫灌封、壓力接觸、雙面冷卻等。相比于傳統的封裝結構和技術，這些先進方案和技術都在一定程度上增加工藝的復雜性、降低可制造性，并影響成品率，從而導致模塊產品的成本增加。表3是當前主要先進技術的優勢及其對產品制造和成本的影響。對功率模塊供應商來說，需要根據客戶的具體需求，通過結構、先進技術和材料的優化組合，開發相應的產品。

2.2高頻封裝與回路寄生電感

回路存在雜散寄生電感是提高開關頻率的最大障礙，也是柵極誤導通的主要原因。模塊間主回路寄生電感和模塊內各芯片柵極回路寄生電感的不均勻，將導致模塊和芯片不均流，從而引發失效。高開關頻率是先進Si基和新型寬禁帶 （WBG） 功率器件的主要優勢之一，也是電力電子系統用戶追求的主要目標之一。對功率模塊而言，為降低開關損耗，減小功率回路和柵極回路的寄生電感、保證各芯片柵極回路電感的均衡 ， 是當 前 及 下 一 代 封 裝 技 術 面 臨 的 主 要 挑 戰 之一[65-67]。表4是功率模塊寄生電感的來源及其對性能的影響。

2.3高溫封裝技術

Si基IGBT芯片的最高工作溫度為200 ℃以上，而第三代WBG器件的工作Tj則可達300 ℃以上。然而，受封裝技術限制，目前主流功率模塊產品的最高結溫Tj max仍然被限制在175 ℃。提高Tj可降低對模塊封裝結構、材料熱特性和散熱能力的要求，但對高溫封裝技術和耐高溫材料的選擇提出了更高的挑戰。因此，高溫封 裝 技 術 一 直 是 業 界 重 點 關 注 和 研 發 的 方 向 之一[67-69]，表5為目前高溫封裝技術所面臨的挑戰及其技術解決方案。隨著先進互連和連接技術的發展，封裝技術將不再是高溫封裝的主要限制，而新型高溫材料則成為提高模塊Tj的關鍵因素。

2.4模塊化和集成智能化

模塊化和集成智能化封裝是提升可制造性和可靠性，降低封裝和應用成本的有效方案[70]。基于應用端的要求和電壓等級的不同，需要儲備完整的封裝技術和材料體系、開發不同開關頻率等級的小型化柵極驅動和系統控制技術、集成監測模塊性能和健康狀態的運維技術、考慮最優的封裝形式和技術平臺，形成標準模塊化體系下的系列化產品。

2.5新型應用系統的需求和挑戰

早期的功率IGBT模塊基本采用標準的封裝結構和技術，應用范圍主要是家用電器和工業變頻等領域，而大容量的功率系統 （如軌道交通、輸配電等） 則由晶閘 管 主 導 。 隨著 新 型 芯 片 （IGBT或SiC MOSFET等） 和封裝技術的快速進步，功率模塊覆蓋的應用領域越來越廣泛，除替代上述應用領域的晶閘管模塊外，還在電動汽車、新能源、航空航天等行業得到廣泛應用。

不同類型電力電子系統雖然對功率模塊的要求具有較大的共性，如性能提升、小型化、長期可靠性、高SOA、電磁兼容、低成本等，但由于運行環境和工況的差別，不同系統會有特殊的需求，其產品標準也存在一定差異，在功率模塊的開發過程中，需要特別關注。表6是新型應用系統對功率模塊的特別需求。

3大功率半導體封裝技術展望

面對未來先進IGBT芯片和WBG功率芯片封裝的需求，需要在封裝結構、封裝技術和材料等方面不斷進行升級和突破。本文從以下5個方面對大功率半導體封裝的技術趨勢進行展望。

3.1先進互連技術

對于功率開關器件，互連技術是提升電流能力、降低寄生電感和提高可靠性的關鍵。對非轉模形式的大功率模塊，先進的互連技術主要有銅線鍵合、DLB、DTS、柔性PCB、銅夾 （Cu Clip） 等技術[37-41]。表7是這5種技術在性能、工藝、可靠性和成本等方面的比較。由表7可知，銅夾技術具有一定的整體優勢，通過采用銅鉬合金可降低CTE，從而減小結合層所受的熱機械應力，其可靠性會進一步增加，有望成為未來大功率半導體封裝的主流技術。

3.2端子連接技術

端子連接是大功率半導體模塊可靠性主要弱點之一，其失效機制主要為由于“熱-機械”應力引起的連接層退化失效，以及機械沖擊和振動造成的端子脫落或斷裂。因此，端子連接的可靠性對高溫度沖擊和高機械應力的應用場景尤其重要，如電動汽車、新能源、航空等。當前，超聲焊接 （Ultrasonic Welding，USW）已成為傳統結構大功率模塊母排和輔助端子的主流連接技術，而對無基板模塊則存在工藝控制困難。

對于無基板模塊，無壓力燒結、TLPS和激光焊接將成為功率端子與輔助端子主要的連接技術。在平面轉模封裝中，端子以引線框架的形式通過燒結或擴散焊接技術與襯板結合，其溫度穩定性高。轉模灌封能夠加強其對機械沖擊和振動的抵抗能力，而且其工藝與其他工藝步驟兼容。相對于USW，燒結或擴散焊接的過程更快、成本更低，所以在傳統有基板模塊中，也有較大應用前景。激光焊接已經成功應用于大功率汽車模塊及其模塊端子與外部電路的連接，它的主要優勢在前文已經提及。目前，激光焊接技術的主要限制是端子的焊接部位不能太厚，需要專門設計[52, 71-72]。

3.3新型基板及灌封技術

集成金屬基板IMB有3層結構。其中，上層薄銅可用于電路拓撲布局，中間層是一層厚度約為0.1 mm的絕緣樹脂，下層是一層較厚的銅金屬層，用于支撐和散熱。其優勢是集成了襯板和基板的功能，具有降低熱阻、整體厚度薄、體積小、重量輕、成本低等優點。通過在背面金屬層集成針翅結構，實現直接水冷冷卻，進一步提升模塊的性能和可靠性。IMB可以與高溫EMC灌封技術很好結合，其模塊整體優勢和可靠性已經得到驗證[73]，將有望成為高溫、高性能、緊湊封裝的主要技術方向之一。

集成 金 屬 襯 板 （Integrated Metal Substrate，IMS）也有3層結構，其中上層用于金屬電路布局，中間層是傳統陶瓷層，下層是較厚的金屬層，也可集成針翅結構。采用IMS不須基板，降低了模塊的熱阻、體積、重量和成本。采用AlN陶瓷層，模塊的熱性能和可靠性更具優勢[74-75]。IMS與高溫EMC灌封結合的緊湊型高功率模塊產品也是近幾年的研發重點。

3.4先進冷卻結構

直接水冷散熱已經成為汽車IGBT模塊的標準產品，其應用系統非常成熟，下一代工業標準模塊的趨勢也是直接冷卻結構[28-29]。雙面散熱DSC轉模模塊的研發已經持續了近十年，其結構和技術已基本定型，產品也相繼推出[55-57]。然而，DSC模塊的應用還未普及，主要原因是其性能優勢不是很明顯，應用相對比較復雜。DSC轉模模塊未來的發展目標是雙面直接水冷，在模塊上下表面金屬層上集成針翅結構或類似結構，這將大幅降低模塊的總熱阻、提高模塊的電流能力和長期可靠性，充分發揮先進芯片的優勢，對高端系統用戶的意義很大。

3.5 3D封裝結構

低電感、高功率密度、緊湊封裝的長期解決方案是采用多層芯片堆疊嵌入式3D封裝結構。通過在垂直方向上增加芯片層數，將芯片連接在襯板或功率端子上，同時嵌入電容、電感等無源元件，其采取的常用冷卻技術是嵌入襯板或芯片的微通道[76-77]。在當前的DSC模塊中，只有1層芯片，其上表面有金屬柱互連，一般被認為是實現3D封裝的過渡形式。3D封裝一般采用燒結、轉模和倒裝芯片 （Flip Chip，FC） 技術。FC技術在小尺寸、小功率IC封裝中應用已經非常成熟，其關鍵是倒裝芯片的位置控制和柵極連接，采用自動貼片機和柵極焊接 （或燒結） 技術，可以實現這個工藝。雖然大功率3D封裝技術還在探索之中，距離產品及應用還有較長的時間，但將成為先進封裝尤其是高頻、高功率密度WBG器件封裝的趨勢之一。

4結束語

隨著IGBT/FRD芯片性能和工作溫度的不斷提升，以及高頻、高溫WBG功率芯片產品的成熟和強勁的市場需求，對先進封裝技術的探索日益緊迫。小型化、高效率、高頻、高溫、高可靠性和低成本是大功率半導體器件用戶的持續追求，也是功率半導體業界競爭的重點。對于這些指標的提升，封裝技術發揮著至關重要的作用。來自電動汽車、新能源發電、多電飛機等中高端用戶的要求，促使新的封裝結構、先進封裝技術和材料應用不斷呈現。

本文從模塊產品和封裝技術層面介紹了功率半導體業界在新型封裝方面的進展，對新型工業、新能源、汽車、WBG以及航空功率器件模塊產品進行了討論和分析，討論了當前大功率半導體模塊封裝面臨的系列挑戰，同時從模塊封裝技術 （如互連、端子連接及灌封）、新型結構和材料如集成基板、新型散熱和緊湊封裝等方面，對大功率半導體封裝進行了探討和展望。

全文：王彥剛 羅海輝 肖強 在此特別鳴謝！

（ 轉載于機車電傳動2023,5期 功率半導體與集成技術全國重點實驗室）

作者：《老千和他的朋友們》 在此特別鳴謝！