时间：2024-01-02 10:34:44
导语：在半导体器件分析的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
关键词：半导体器件物理；教学改革；探索与实践
中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）04-0222-03
一、引言
随着全球信息化进程的加快，微电子产业得到了迅速的发展，作为向社会输送技能型人才的高职院校，培养微电子专业学生具备一定理论基础和较强的实践创新能力显得尤为重要。《半导体器件物理》是高职院校微电子专业的一门重要的专业基础课，主要讲授的是半导体特性、PN结原理以及双极型晶体管和MOS型晶体管的结构、工作原理、电学特性等内容，该课程教学的目的是让学生掌握微电子学专业所用的基本器件知识，为学习集成电路工艺和设计打下理论基础。
二、目前课程面临的问题
1.学生的知识基础的不足。要系统而深入地学习《半导体器件物理》课程，一般要求具备量子力学、固体物理及统计物理等前导课程的基础知识。高职院校的学生，虽然是高中起点，但其中有很多文科毕业生，物理、数学基础较差，缺乏现代物理学方面的基本概念和相关理论知识，面对《半导体器件物理》课程的学习，知识上难以顺利衔接。
2.缺乏适合高职学生的教材。高职院校的微电子专业通常起步较晚，目前适合高职教育的《半导体器件物理》教材很少，比较成熟的几乎全部都是本科教材，其基础知识起点较高、数学推导繁杂，内容覆盖太广，不能适应高职学生的需求[1]。
3.教学模式的限制。《半导体器件物理》这门课理论性很强，通常把它定位于纯理论课程，在教学模式上通常以板书为手段，以讲授为主。其实，这门课是一门理论性和实践性并重的专业基础课，要求学生在掌握知识的同时学会科学的思维方法、具备开放的研究能力。但是传统的教学模式对这些能力的培养是一个束缚。
4.教学资源的匮乏。在教学过程中为提高教学效率、增强学生兴趣，强调充分应用现代教育技术和手段。但本课程缺乏直观生动、富有动态变化，切实反映物理过程的辅助用PPT，另外，网络资源很少，学生无法通过现代信息技术手段来实现自主学习。
三、课程教学改革探索与实践
1.编写适合高职学生的教材。基于高职学生的特点和培养高技能应用型人才的目标，在教学内容的选择上应以必须、够用为度，突出基础性、实践性。例如在半导体材料特性这一部分，我们注意和高中物理的衔接，删去K空间、布里渊区等过于艰深内容，增加了原子物理的基本概念，顺利引出能带论。在讲双极和MOS器件时，我们将半导体器件版图的内容渗透到教学内容中，让学生形成基本概念，有利于和《半导体集成电路》、《集成电路版图设计》等课程的衔接；同时引入半导体器件工艺流程，为学习《半导体制造工艺》打下基础，课程的实践性也得以体现。另外，教学过程中的数学推导尽可能简洁或者略去，注重通过图例阐述物理过程，避免学生的畏难情绪。
本课程的内容按照知识内在的逻辑关系，可以分为三个模块。集成电路的设计与制造是围绕着半导体材料特性展开的，是微电子专业课程的基础；PN结原理是双极型晶体管的基础、半导体表面特性是MOS型晶体管的基础；我们把这三块内容确定为基础模块。常规的半导体器件不是双极性型的就是MOS型的，集成电路的基本单元也就是这两种类型的晶体管，这是后续课程学习的关键，也是岗位职业能力的基础。我们把这两块内容定为核心模块。功率器件、太阳能电池、LED属于新兴的产品，对他们的结构原理的介绍也是有必要的，归为拓展模块。教学过程中要夯实基础（模块），突出核心（模块），介绍拓展（模块）。以期打好后续课程的基础，全面培养学生的职业能力。基于上述教学内容选择及组织形式，在多年教学实践的基础上，我们编写了一本文字浅显易懂、图例直观明了、论述明白流畅、数学表达简洁、理论联系实际、内容够用即可的校本教材。通过试用学生反映较好，为教学工作带来极大的便利。目前，教材《半导体器件物理》[2]已由机械工业出版社正式出版。
2.推进理实一体化教学改革。以前，教师通常将这门课当成一门理论课来上，以教师讲课为主，实行的是填鸭式的灌输教育，大部分学生对这种教学模式不感兴趣。笔者以为，《半导体器件物理》这门课是理论性和实践性并重的一门课程。在教学改革中我们将半导体实验嵌入其中，作为理实一体化项目。把原来的验证性实验改变为探究性实验，让学生通过实验现象自行分析研究，发现规律、得出的结论，从而提高学习积极性，增强感性认识，最终达到切实掌握知识的目标。
以PN结的正向特性——肖克莱方程为例，肖克莱方程的引入是个难点，完整的推导至少需要一个课时，作为高职院的学生来说，能听懂的是少数。现在我们讲完正向导通的物理过程之后，运用半导体管特性图示仪测量出PN的正向特性曲线（如图2），然后直接引入肖克莱方程：
I=I■exp■-1
我们根据实测曲线给出理想曲线（如图3）并进行对照，通过对比发现差异，然后介绍阈值电压及其产生机理。这样既避开了烦琐的数学推导，又使得阈值电压的概念能够牢固的掌握。
目前课程运用的理实一体化项目有14个，如表1所示，占约占总课时的30%。
3.采用多元化教学方法。为了帮助克服学生学习“半导体器件物理”课程理论性较强和抽象难懂的困难，我们在实际的教学过程中，多采用启发式和讨论式教学，将理论学习和实践练有机结合起来，增强学生创新思维和参与意识。在课堂教学中，采用启发式教学，注重师生互动，改变以往的灌输教育，使学生真正参与进来，加强他们学习的主动性，提高教学效率。采用讨论式教学可以使学生在学习中由被动变为主动。在课堂上教师提出一些问题，让学生自己查阅相关文献寻找解决的办法。然后就该问题组织学生展开讨论。例如MOS管栅电极两边出现电场峰值，会降低击穿电压，应当怎么改善？在讨论过程中教师总结和点评时，要指出为什么对，为什么错[3]。在教学过程中，课程组设计完成一套多媒体课件，注重反映重要的概念与公式以突出基本概念和基本计算，展示器件等图例，既方便说明问题，又可以减少板书时间，将更多的时间留给学生交流讨论。PPT中还表现了物理现象的变化过程，将抽象理论知识动起来，大大激发了学生的学习热情，加深了学生对理论知识的深刻理解。
4.将版图设计软件引入教学。Cadence virtuoso是一款功能强大的版图设计软件，运用cadence配套的specture仿真工具，也可以对半导体器件进行仿真分析，在这方面cadence软件也有不俗的表现。下面采用该软件对mos特性曲线在不同器件参数下进行量化分析。
图1是标准NMOS器件的特性曲线仿真结果，宽长比为1μm∶1μm；改变其宽长比为1μm∶10μm，特性曲线仿真结果如图2。通过对比让学生理解半导体器件结构参数的改变将造成电学特性的变化，掌握如何合理选择参数的方法。在教学过程中利用版图设计软件来进行仿真，增强了学生的感性认识，有助于学生的对理论知识的理解。同时让学生初步接触专业软件，为后续的《集成电路版图设计技术》等课程打下基础。
5.建立课程网站。目前，课程已建立了网站，将课程信息、教学内容、多媒体课件、课外习题及答案等材料上网。课程网站的设立共享了教学内容，指导学生学习方法，方便学生自主学习。
四、总结与展望
在《半导体器件物理》课程改革的探索实践过程中，我们使用课程组编写的适合高职学生的教材，推进理实一体化的教学模式，在教学过程中恰当的运用启发、讨论等教学方法、制作直观、动态的PPT辅助教学，收到了良好的教学效果，学生在学习过程中的畏难情绪明显减少，主动性得到了显著提升，和往届相比，学习成绩获得一定的提高，后续课程的老师反映学生对基本概念的掌握更为扎实，教学改革获得了初步成效。
目前已建立了《半导体器件物理》课程网站，但是缺乏互动。下一步的设想是：利用学校的Kingosoft高校网络教学平台，创建了《半导体器件物理》教学网站，开展网络化教学。要设立多媒体课件、课程录像、网络资源、交流论坛、课程信息、课外习题、习题解答等栏目，积极拓展学生的学习空间，加强学生之间、教生之间的交流，以期方便不同理论基础的学生进行学习，提高学生的自主学习能力，进一步调动了学习的主观能动性。
参考文献：
[1]陈国英.《半导体器件物理基础》课程教学的思考[J].常州：常州信息职业技术学院学报，2007，（6）.
[2]徐振邦.半导体器件物理[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3]李琦，赵秋明，段吉海.“半导体器件物理”的教学探讨[J].南京：电子电气教学学报，2011，（2）.
[关键词]半导体器件 封装技术
“半导体器件封装技术”是一种将芯片用绝缘的塑料、陶瓷、金属材料外壳打包的技术。以大功率晶体三极管为例,实际看到的体积和外观并不是真正的三极管内核的大小和面貌,而是三极管芯片经过封装后的产品。封装技术对于芯片来说是必须的,也是非常重要的。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要。
封装也可以说是指安装半导体芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁――芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于大功率器件产品而言,封装技术是非常关键的一环。
半导体器件有许多封装形式,按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技术指标一代比一代先进。总体说来,半导体封装经历了三次重大革新:第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,它极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在上世纪90年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能;芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装面积减到最小。高级封装实现封装面积最小化。
一、封装材料
封装的基材有陶瓷、金属和塑料三种。从数量上看,塑料封装占绝大部分,半导体塑料封装用的材料是环氧塑封料,七十年代起源于美国,后发扬光大于日本,现在我国是快速掘起的世界环氧塑封料制造大国。塑料封装多是用绝缘的环氧塑封料包装起来,能起着密封和提高芯片电热性能的作用。
二、封装类型
1.金属封装。由于该种封装尺寸严格、精度高、金属零件便于大量生产,故其价格低、性能优良、封装工艺容易灵活,被广泛应用于晶体管和混合集成电路如振荡器、放大器、交直流转换器、滤波器、继电器等产品上。
2.陶瓷封装。陶瓷封装的许多用途具有不可替代的功能,特别是集成电路组件工作频率的提高,信号传送速度的加快和芯片功耗的增加,需要选择低电阻率的布线导体材料及低介电常数、高导电率的绝缘材料等。
3.金属-陶瓷封装。它是以传统多层陶瓷工艺为基础,以金属和陶瓷材料为框架而发展起来的。最大特征是高频特性好、噪音低而被用于微波功率器件。
4.塑料封装。塑料封装由于其成本低廉、工艺简单,并适于大批量生产,因而具有极强的生命力,自诞生起发展得越来越快,在封装中所占的份额越来越大。目前我国环氧塑料封料年产9万吨以上。
三、封装时主要考虑的因素
1.芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:1。
2.引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能。
3.基于散热的要求,封装越薄越好。作为设备或整机的重要组成部分,器件的性能直接影响整机的整体性能。而器件制造工艺的最后一步也是最关键一步就是它的封装技术,采用不同封装技术的器件,在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的产品。
四、主要封装技术
半导体器件的封装形式分为插入安装式(DIP)和表面安装式(SMD)两大类。插入安装式包括金属外壳封装、玻璃封装、陶瓷封装、塑料封装和树脂封装等,使用较多的是塑料封装和金属外壳封装。表面安装式包括塑料封装和树脂封装等,使用较多的是塑料封装。
1.DIP技术
(Dual In-line Package),也叫直插式封装技术,指采用直插形式封装的器件芯片,绝大多数器件采用这种封装形式,其引脚数一般为三条。可以直接插在有相同焊孔数的电路板上进行焊接。
DIP封装具有以下特点:
(1)适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。
(2)芯片面积与封装面积之间的比值较大,体积也较大。
典型的DIP封装晶体管形式有TO-92、TO-126、TO-220、TO-251、TO-263等,主要作用是信号放大和电源稳压。
2.SMD技术
SMD封装也叫表面安装技术,用这种形式封装的芯片必须采用SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一般在电路板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点,即可实现与电路板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如果不用专用工具是很难拆卸下来的。
SMD封装具有以下特点:
(1)适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。
(2)适合高频使用。
(3)操作方便,可靠性高。
(4)芯片面积与封装面积之间的比值较小。
五、封装的作用
封装(Package)对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体器件芯片用的外壳,它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有:
(1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降,保护芯片表面以及连接引线等,使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响;同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配,这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力,从而可防止芯片损坏失效。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。
(2)电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距,调整到实装基板的尺寸间距,从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0.1 3μm以下)为特征尺寸的芯片,到以10μm为单位的芯片焊点,再到以100μm为单位的外部引脚,都是通过封装来实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的作用,从而可使操作费用及材料费用降低,而且能提高工作效率和可靠性,特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻,寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度。
(3)标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格,既便于加工,又便于与印刷电路板相配合,相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便。
六、半导体器件封装技术发展
半导体器件有许多封装形式,按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技术指标一代比一代先进。总体说来半导体技术经历了三次重大革新:第一次是在20世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,它极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在20世纪90年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能;芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装面积减到最小。
所谓封装是指安装半导体器件用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁―芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此,封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使 用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁,从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技术指标一代比一代先进,包括芯片面积与封装面积之比越来越 接近于1,适用频率越来越高,耐温性能越来越好,引脚数增多,引脚间距减小,重量减小,可靠性提高,使用更加方便等等。
七、塑封器件封装工艺简介
划片―粘片―压焊―包封―打印―电镀―切筋―测试―包装―入库
八、国内封装技术存在的问题与不足
1.封装技术人才严重短缺、急需封装技术人员的培训。
2.先进的封装设备、封装材料及其产业链滞后,配套不上且质量不稳定。
3.封装技术研发能力不足,生产工艺程序设计不周,可操作性差,执行能力弱。
4.封装设备维护保养能力差,缺少有经验的维修工程师,且可靠性实验设备不齐全,失效分析能力不足。
5.国内封装企业普遍还处于规模小,技术低,从事低端产品生产的居多,可持续发展能力低,缺乏向高档发展的技术和资金。
九、建议和对策
1.依靠技术创新占领高端市场,目前国内器件呈现两极化的发展趋势,即低端产品市场竞争激烈,高端市场增长迅速,产品供不应求。我们应积极进行技术研发,及时向市场推出新产品,占领高端市场。
2.依靠高等院校,科技攻关和自然基金以及产业化项目培养人才,封装目前已经成为一个支柱性的行业。封装是一个典型的交叉学科,要提高封装技术水平应从基础做起,培养各个层次的人才,掌握核心技术。
3.利用外来技术带动产业升级,目前跨国半导体企业纷纷加大在我国投资,扩大在国内的生产规模,这些国际企业制造水平处于世界领先水平,这对于提高国内器件行业整体技术水平,培养国内工程技术人员,进而带动国内器件产业升级都有积极作用。
十、结束语
我国半导体器件封装事业担负着振兴国内半导体行业的重任,面临艰巨的挑战和各种困难,半导体器件封装技术目前还存在不少问题和困难,我们还是要坚持在科学发展中寻找解决困难的途径,以积极的姿态、创新的工作,共同迎接中国半导体事业的美好明天。
参考文献:
关键词:功率半导体器件 混合型器件 IGBT
中图分类号:TN31 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0044-01
20世纪80年代以来,微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力集成器件,带来了电力电子技术的新时代,实现了由传统的电力电子技术向现代电力电子技术的转变。
1 现代电力电子器件
现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件,分为三大类[1]:双极型器件、单极型器件和混合型器件。
1.1 双极型器件,是指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件
这类器件具有通态压降低、阻断电压高和电流容量大的特点。适合中大容量的变流装置。其中,我们常见的交流装备有:门极关断(GTO)晶闸管、电力晶体管(GTR)、静电感应晶闸管(SITH)。
1.2 单极型器件,是指器件内只有一种载流子(多数载流子)参与导电过程的半导体器件
具有代表性的产品有电力场控晶体管(电力MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)。单极型器件开关的时间较短,一般多在几十纳秒以下,这是因为大部分的载流子导电,无少子存储效应。
1.3 混合型器件,是指双极型器件与单极型器件的集成混合
其主导器件为GTR、GTO晶闸管和SCR,将MOSFET用来做控制器件混合集成之后产生的器件。这种器件不仅具有GTR、GTO晶闸管和SCR等双极型器件电流密度高、导通压降低的优点,又具备MOSFET等单极型器件输入阻抗高、响应速度快的优点。因此,人们开始高度重视这种新型混合器件。IGBT被人们公认为最有发展潜力的复合器件之一。
2 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
2.1 IGBT的地位及作用
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),中文我们称之为“绝缘栅双极晶体管”,是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它是电力电子技术的核心技术,且是电机控制和功率变换器的首选器件。广泛用于轨道交通、航空航天等战略性行业,具有高频率、高电压、大电流,易于开关等优良性能,被业界誉为功率变流装置的“CPU”。
它是电力电子领域非常理想的开关器件,其频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间,可正常工作在几十Hz的频率范围内,故在较高频率的大、中频率应用中占主要地位[2]。
2.2 IGBT的工作原理(如图1)
IGBT和电力MOSFET有很大的渊源,可以说IGBT是根据电力MOSFET的原理发展出来的,在结构上面,两者有很大的相似之处。但是,IGBT具有很强的电流控制能力。原因归结于两者间结果的不同之处,即:IGBT多一个P层发射级。在IGBT导通时,这个p层发射级可由P+注入区向N基区发射载流子(空穴),以调制漂移区的电导率。
IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极是以正向栅极电压时,MOSFET内形成沟道并未PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通。在门极施以负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。
3 IGBT的应用领域
IGBT作为电机控制和功率半导体器件首选器件,在轨道交通、航空航天、船舶驱动、新能源电动汽车、风力发电、太阳能发电、高压变频、工业传动及电力传输等多个重要行业和领域广泛运用。目前,在轨道交通高速动车组、大功率电力机车、城轨车辆几乎普遍采用IGBT;在节能环保领域,IGBT成为节能设备最核心的部件;在电力传输领域,IGBT在柔性输电等技术中发挥越来越大的作用。同时,大功率IGBT也是谐波治理中最理想的开关器件。因此,IGBT具有良好的市场前景。在未来很长一段时间内,为适应全球降低CO2排放的战略需要,IGBT将更加广泛地应用于可再生能源发电、智能配电与控制、分布式发电、电力牵引等领域,成为节能技术和低碳经济的主要支撑。
4 IGBT的发展现状
IGBT是电力电子时代的新宠。它是一种很优秀的电力电子器件,已逐渐替代了晶闸管,成为电力电子技术平台性的器件。虽然国外的IGBT产业取得了很大进展,但令人叹惋的是,我们国家目前并未形成自己的IGBT产业,目前我们使用的IGBT管子全部是进口购买的。我国只能进口国外IGBT芯片,自己进行少量封装。因此对于我们这样一个拥有13亿人口的大国,像IGBT这样的基础元件及其相关技术,必须拥有自己的IGBT产业。随着国家对电力电子技术发展的重视,相信很快就会用上自己生产出的IGBT。
5 IGBT的发展方向
IGBT的发展趋势有两个方向:超大功率模块和超快速IGBT。其中,超大功率模块IGBT有望取代GTO,并将其在电力系统、高压直流输电、机车牵引等方面扩宽应用领域。超快速IGBT则将在高频开关电源等方面扩大其应用领域。总之,超大功率、超快速、模块化、智能化是IGBT发展的方向。
参考文献
关键词：半导体物理；教学改革；教学效果
作者简介：刘德伟（1979-），男，河南濮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师；李涛（1977-），男，河南淮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师。（河南 郑州 450002）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0085-02
半导体物理是半导体科学的理论基础，是电子科学与技术、微电子学等专业重要的专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。然而，由于半导体物理的学科性很强，理论较为深奥，涉及知识点多，理论推导繁琐，学生在学习的过程中存在一定的难度。因此，授课教师必须在充分理解半导体物理，熟悉半导体工艺和集成电路设计的基础上，结合教学实际中存在的问题，优化整合教学内容，丰富教学手段，探索教学改革措施，培养学生的学习兴趣，提高半导体物理课程的教学质量。
一、半导体物理课程特点及教学中存在的主要问题
郑州轻工业学院采用的教材为刘恩科主编的《半导体物理学》（第七版，电子工业出版社），该教材是电子科学与技术类专业精品教材。[1]结合教材特点与教学实践，半导体物理课程教学过程中存在的主要问题与不足[2]可归纳如下：
1.教材内容知识点多，理论性强
半导体物理课程前五章为理论基础部分，主要讲述了半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上阐述了电子有效质量、费米能级、迁移率、非平衡载流子寿命等基本概念；分析了状态密度、分布函数、载流子浓度以及迁移率与杂质浓度、温度的关系。课程涉及理论知识较深，易混淆知识点较多，数学公式推导复杂，很多基本概念及数学公式要求学生掌握量子力学、固体物理、热力学统计物理和高等数学等多门基础学科的理论知识。因此，学生在前期学习中，在相关知识点上难以衔接，对相关理论的掌握存在一定困难。
2.传统教学模式难以理论联系实际
半导体物理课程后八章主要介绍了半导体基本器件的结构与性能，半导体的光、电、热、磁等基本性质。如pn结电流电压特性及电容、击穿电压与隧道效应、肖特基接触与欧姆接触；半导体表面与MIS结构、表面电场对pn结性能的影响；半导体异质结构及半导体激光器等。由于这部分内容主要阐述半导体的实际应用，仅仅从课本上学习相关知识，难以理论联系实际，对于没有接触过半导体制备工艺的学生而言，就会觉得内容枯燥，课堂乏味。
3.教材内容无法追踪科技前沿
现代半导体技术日新月异，发展迅速，例如在半导体照明、半导体激光器、探测器、太阳能电池等领域都获得了重大研究成果，研究领域不断拓展，新的理论不断涌现，与化学、医学、生物等学科之间的交叉和渗透越来越强，极大地丰富了半导体物理的教学内容。而半导体物理教材内容的更新相对较慢，因此，如何在有限的课时内既要讲授教材内容，又要穿插相关科技前沿是一个值得深入探讨的问题。
二、半导体物理课程教学改革措施
基于以上分析，半导体物理课程对授课教师要求较高，如何在有限的课堂教学过程中将大量的知识讲解清楚，需要教师积极探索新的教学模式，针对课程特点与教学现状，通过不断实践克服存在的问题与不足，采用多样化的教学手段，优化整合教学内容，狠抓教学环节，使学生较好地理解并掌握相关知识，为后续课程的学习打下良好的基础。[3]
1.优化整合教学内容
由于现代半导体技术发展极为迅速，研究方向不断拓展，相关知识更新较快。因此，授课教师应与时俱进，关注科技前沿与研究热点，合理安排教学内容。结合电子科学与技术专业其它课程的教学内容，在保持课程知识结构与整体系统性的同时，对教学内容进行合理取舍，压缩与其他课程重叠的内容，删除教材中相对陈旧的知识，密切跟踪科技前沿与研究热点，适当增加新的理论，补充重要的半导体技术发展史，激发学生的学习热情，培养学生的科学精神。例如压缩教材中第一章固体物理课程已经详细讲解过的能带理论内容，将授课时间由原来的8学时压缩至6学时；在讲解半导体光学特性时，结合半导体光电子学的研究前沿，增加该部分内容所涉及的研究领域与最新技术，如半导体超晶格、量子阱等方面的内容；在讲述MIS结构的C-V特性时，补充C-V特性的研究意义，介绍半导体表面特性对集成芯片性能的影响，鼓励学生查阅总结利用C-V特性研究半导体表面的方法；在讲授半导体元器件的结构及性能时，适当补充半导体器件的制备工艺，播放一些半导体器件的制备视频，让学生结合某种半导体器件分析其结构与性能；在讲解半导体异质结构时，先让学生了解pn结种类，然后对比同质结与异质结的异同，最后让学生掌握异质结的电流电压特性，通过增加半导体激光器的发展史，即从第一支同质结半导体激光器只能在低温下发射脉冲激光到现在的异质结激光器的优异性能，让学生充分认识到半导体物理是现代半导体技术发展的理论基础，是科技创新的力量源泉。通过介绍科技前沿与研究热点，指导学生查阅相关文献，扩大学生的知识面，提高学生学习的积极主动性。
2.突出重点，分化难点，强调基本概念与物理模型
半导体物理课程涉及到的基本概念和物理模型较多，仅凭教材中的定义理解这些概念和模型，学生很难完全掌握。在讲解深奥的物理模型时，教师应运用恰当的类比，通过生动形象的事例对比分析，加深学生对物理模型的理解，增加学生的学习兴趣。例如教材中半导体载流子浓度的计算既是难点又是重点，学习中涉及到状态密度、玻尔兹曼分布函数、费密分布函数以及载流子浓度等为较容易混淆的概念。为了帮助学生理解，教师可以通过教学楼里面的学生人数与半导体中的电子数目进行类比：不同楼层的教室对应不同的能带，教室座位数对应能态的数目，教室的学生人数就相当于半导体中的电子数目，这样，计算半导体电子浓度的问题就与计算教室单位空间内学生人数的问题非常类似。通过这种生动形象的类比，学生很容易明白半导体中的能态密度就相当于教室单位空间的座位数，而半导体中的电子在能级上的占据几率就对应于教室内学生的入座情况。半导体中的电子在能级上的占据概率需要满足波尔兹曼分布函数或费米分布函数，而分布函数的确定取决于费米能级的位置，当分布函数确定后，单位能量间隔内的电子数目就可以通过简单的微积分计算出来。
另外，半导体物理课程中理论推导和数学上的近似处理较多，繁琐的公式推导增加了学生对物理模型的理解。如果教师在教学过程中能适当地把物理模型和公式推导分开，正确处理两者之间的关系，分别从物理和数学两方面寻找攻克这些难点的途径，使学生在彻底理解物理模型的基础上掌握理论推导。例如教材中有关n型半导体载流子浓度的内容安排如下：首先根据杂质半导体的电中性条件，推导出一个包含费米能的表达式，然后根据杂质电离情况分为低温弱电离区、中间电离区、强电离区、过渡区以及高温本征激发区，最后再根据不同电离区的特点进行讨论与近似处理。所涉及到的物理模型相对简单，但分区讨论和近似处理部分篇幅较长。如果运用传统教学模式，学生很容易沉浸在复杂的数学公式推导之中，难以透彻理解物理模型。如果教师在授课过程中先让学生了解该部分内容的整体安排，理解物理模型，再分析各温区的主要特点，最后总结规律，通过数学推导得出结论，就能很好地提高教学效果。
3.温故知新，适时比较，加强各章节之间的联系
对于课堂上刚刚讲授过的知识，学生并不一定能够完全掌握，此时教师应该结合半导体物理课程的特点，在教学过程中做到温故知新，适时比较，加强不同章节之间知识点的联系。例如pn结是半导体器件的基本单元，如日常生活中常见的激光器、LED、整流器、调制器、探测器、太阳能电池等。在讲授该章内容时，如果教师以pn结为主线将教材中不同章节之间的内容有机联系起来，学生就会从整体上进一步了解半导体物理课程的教学内容。只有在教学过程中不断加强各章节知识点之间的联系，学生才能完全掌握半导体器件的基本原理，为以后从事半导体行业打下坚实的基础。再如所选教材中有关半导体载流子浓度的计算，分为非简并半导体和简并半导体两种情况。在讲述后者时，教师通过对比分析非简并半导体和简并半导体在概念上有何异同，再引导学生比较简并半导体与非简并半导体载流子浓度的计算公式，学生就会意识到二者的主要区别就是分布函数不同，在计算简并半导体载流子浓度时，虽然分布函数替换后导致积分变复杂，但只是数学处理的方法不同，两者的物理思想却完全一致。通过这样的比较学习，学生对非简并半导体与简并半导体以及玻尔兹曼分布函数与费米分布函数的理解就会更加深入。
三、结束语
通过以上教学改革措施，培养了学生的学习兴趣，增加了学生的学习积极性，提高了半导体物理课程的课堂教学效果，为学生后续专业课程的学习奠定了扎实的基础。
参考文献：
[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2011.
随着科技不断发展，人类生活水平不断提高，电子电力技术得到推广应用。电子电力技术应用范围扩大，使得我国国民经济发展得到推动。文章分析了电力电子技术发展，以及应用的领域。
【关键词】电子电力 发展应用 应用领域
1 电力电子技术的应用
1.1 一般工业
工业生产中，一般都会使用到各种交流电动机，这些动力设备性能比较好，在，可以提供直流斩波电源，或者提供可控整流电源。但是提供的主体是电力电子装备。众所周知，交流电机变频调速技术是整个电气节能最关键之技术，相对于传统的大型机器而言，使用的是电力电子交流节能技术，将其作为电力驱动电源，可以节能电能达到30%。近年来，随着电力电子技术得以发展，使得交流电性能得以发挥出来，随着社会不断发展，交流调速技术得到广泛应用，逐渐占据市场。
1.2 在电力系统中的应用
当电力系统离开了电力电子技术之后，电力现代化建设将很难实现。电力系统建设发展中，得到了电力电子技术支撑，现代化建设目的得以实现。高压输电是基于发电厂借助变压器，将发电机发出的电压将其升压之后再输出的一种全新方式。高压直流输电端位置以及受电端位置，一般都是使用晶闸管变流装置，这可以避免了大容量以及长距离输送导致电力系统出现损耗问题出现，为输电系统使用奠定技术基础，从而为良好输电提供保障。在配电网系统中，电力电子装置还可以被使用于电能质量控制，例如，使用于闪变、瞬间停电以及电压跌落等等电能质量控制中，更好的保障供电质量。
1.3 交通运输
电子电力技术交通中被广泛使用，DC/DC变换技术被大量使用于地铁、动车以及无轨电车中。在使用中，可以更好的控制无极变速，提升控制质量。在使用中，最常表现在于电气机车中的直流机车选择了整流装置将其作为供电设备。但是，交流机车如果采用了变频装置进行供电，那么需要借助电力电子装置做好电力驱动和和电力控制。例如：直流斩波器被广泛使用于轨道车辆中，常见的磁悬浮列车中电力电子技术使用，这是一项技术要求较好，关键之技术使用案例。其中借助电动汽车将其作为蓄电池，提供能源，需要做好电力驱动控制工作。那么使用蓄电池进行充电，不能离开电源。因此，航海、航空也离不开电子技术。
2 电力电子技术未来的发展
观看技术发展进程中看出，半导体器件使用推动了电子技术得以快速发展。当前晶闸管等电力半导体器件有着重要的角色，尤其是在电力电子技术使用过程中。进入的到79年代之后，半控型晶闸管使用开始有新的改变。之前从低压的小电流逐渐向高压大电流方向发展，而且还研究出大量的电子产品。这些产品被成为电子器件，随着电子技术不断发展，这些产品被广泛使用。因此，被称为第一代电力电子器件，随着电力电子技术不断发展，该技术使用范围不断扩大，将其使用于电子技术理论研究和半导体制造使用，使得工艺水平逐渐提高。我国随后研究出了GTR、GTO、功率MOSFE等等电子器件，这些器件都是全控制型的电子器件，被成为第二代电力电子器件。近年来，随着技术水平不断发展，研究出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的第三代电力电子器件，逐渐向响应快、高频率方向发展，这是一个质的飞跃，在我国国民经济发展中具有重要作用，它推动了我国经济不断发展，使得我国电子自动化进程迈进一部。进入90年代之后，电子电力器件发展更快速，逐渐朝复杂化、模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此形成了电力电子技术的理论研究、器件开发研制、应用的高新技术领域等，在国际上形成了新的技术热门。目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。我国国产的电力半导体器件研究水平相对于西方国家，我国的电力电子技术水平相对较低，我国应该不断创新技术，不断进行研究，提升科研水平，更好的保障经济建设。我国电力半导体器件如果没有跟上社会发展步伐，将会影响我国经济发展水平。因此，我国的电力半导体产业发展任务艰巨。在未来发展中，应该进一步研究使用新材料，提升器件功率以及温度范围，之间降低器件价格，使得器件被使用的范围更广。系统实现集成化，当获得更好的集成化之后，才更好保障系统可靠性和安全性。
3 结束语
综上所述，电力电子技术是一门信息、智力、知识密集型的技术，对该技术掌握对提升我国经济可持续发展有重要作用。从当前的发展前景上看，将半导体器件作为核心技术的电力电子行业，在我国政策支撑下，科研工作深度加深，相信在不久的将来，该技术发展水平会得以提升，更加推动我国经济发展。
参考文献
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关键词：热阻；功率电流；测量电流；锡层厚度
Thermal resistance test principle and failure analysis
LIU Xun, LI Jian-hui
（Shantou Hua Shan Electronics Company Limited, 515041）
Abstract: In this paper, the thermal analysis on testing principle and actual cases, respectively, from the thermal resistance test conditions, control limit, upper core hole, tilt, chip resistance and so on several aspects, elaborated its thermal resistance test results influence, and through data statistics form chart, more intuitive and clear, summed up the failure of the various thermal resistance test possible causes.
Keywords: thermal resistance; power current; current measurement; the thickness of tin coating
随着电子行业的不断发展，半导体分立器件的功率越来越大，使得产品的耗散功率增大。同时由于成本控制的原因，芯片和成品的尺寸都在不断的缩小，在一定程度上又限制了产品的散热。这就造成了产品在测试过程中，经常发生热阻不良。本文重点阐述了热阻测试原理和各类失效模式，并结合实际案例进行了详细的分析。
1 热阻概念及测试原理
1.1 热阻概念及作用
热阻是依据半导体器件PN 结在指定电流下两端的电压随温度变化而变化为测试原理，来测试功率半导体器件的热稳定性或封装等的散热特性. 通过给被测功率器件施加指定功率、指定时间PN结两端的电压变化(VBE/VF/VGK/VT/VDS)作为被测器件的散热判据。并与指定规范值比较，根据测试结果进行筛选，将散热性差的产品筛选掉，避免散热性差的产品在应用过程中，因温升过高导致失效。各类产品的热阻名称见表1。
1.2 热阻测试原理
热阻测试仪配有接触检测和震荡探测功能，以防止接触不良和震荡造成的温度测量错误，提高了测试仪的稳定性。测试仪提供手动和自动测试，可测量瞬态热阻，在恒温槽的配合下，也可测量功率器件的稳态热阻. 通过输入一个温度系数到测试仪，也可显示结点升高的温度。
下面以NXP双向可控硅BT137-600产品为例，详细说明热阻测试原理。
双向晶闸管需要测试第一象限VT1和第三象限VT3，测试条件相同，如表2所示。
其中，IF：施加功率电流；IG：门极触发电流；IM：测量电流；PT：施加功率时间；DT：冷却时间；LOWER LIMIT：规范下限；UPPER LIMIT：规范上限。
测试电路如图1所示，测试时序如图2所示。
2 热阻失效分析
2.1 产品截面图
产品截面如图3所示。从产品截面图中，标识的散热主要方向是从芯片发热区，经过上芯锡层，再通过框架载芯板/散热板，散发到测试环境中。
2.2 热阻测试预判断失效
热阻测试前的预判断测试项目IF>50 A、IG>500 mA 、VT1>4 V、VT
2.3 热阻低于规范值
真正的热阻测试失效有两种情况，一类是低于规范值、一类是高于规范值。热阻测试规范中设置下限，实际是为了防止混管，实际上，热阻越小越好，所以当热阻低于规范值时，只需要确认是否混管或误测，如果都不是，可以直接放宽规范下限或取消规范下限，将不良品复测即可。
2.4 热阻测试高于规范值
热阻高于规范值失效，目前，已知可能的原因有以下几种：
① 上芯空洞超标、结合不良；
② 锡层厚度偏厚、倾斜；
③ 芯片内阻大；
④ 测试规范上限设置过于严格；
⑤ 测试条件设置不合理；
(1)空洞超标、结合不良
空洞超标、结合不良会导致热阻偏大，是由于空气的导热系数远小于锡。空气在标准标准状态下的导热系数是0.0244 W/(m.k)，而锡的导热系数是67 W/(m.k)，相差近3000倍。所以空洞对热阻的影响是非常大的，远大于锡层偏厚或倾斜的影响。热阻分布如图4所示。
(2)锡层厚度偏厚、倾斜
锡层厚度偏厚或倾斜，增加了热传导的距离，一定程度上使产品温度上升较快，导致热阻偏大，但其影响远低于空洞或产品自身内阻增加造成的热阻偏大。热阻分布如图5所示。
(3)芯片内阻偏大
当芯片内阻偏大时，产生的热量会明显增加，导致产品温度上升，热阻增加。热阻分布如图6所示。
(4)测试规范上限设置过于严格
如果热阻测试规范上限设置过于严格，热阻典型值基本全部集中在测试规范的上限附近，当芯片内阻稍偏大或锡层稍偏上限，或空洞稍偏大(但全部在控制规范内)，热阻就会偏大超标。其热阻分布如图7所示。
(5)测试条件设置不合适
当热阻测试条件设置不合适时，例如：IM过于临界，产品出现一点波动时，热阻可能会出现“虚高”。通过调整IM参数，“虚高”的产品和正常产品，用调整后的程序测试，会得到基本一致的热阻值。数据如表3所示，其热阻分布如图8所示。
(6)测试环境
如果测试环境的温度较高，或散热能力差，会影响到产品的散热。所以当产品热阻测试失效时，首先要确认测试环境是否在正常的测试规范内，然后再进行其他方面的进一步分析。
(7)锡层厚度、倾斜度对热阻的影响程度
取TO-220产品BT137-600调试不同的锡层，同时保证空洞一致，测试空洞是在0.2%～0.6%之间，然后一对一测试热阻。热阻测试值随锡层厚度增加而升高，但升高幅度很小，和锡层倾斜度(在40um以内)关系不大(见图9)。锡层厚度的影响如图10所示。
3 结束语
本文阐述了热阻的概念、测试原理、失效模式及对应的原因分析，同时将各类失效模式，利用SPC技术，转换成图表，更加清晰明了。
参考文献
[1] 《半导体器件工艺原理》，出版单位：辽宁大学.
[2] 《芯片制造-半导体工艺制程实用教程》，出版单位：电子工业出版社.
[3] 《QA3T320A热阻测试系统技术规范》，出版单位：绍兴宏邦电子科技有限公司.
作者简介
关键词：缺陷检测；Blob；Canny；模板匹配；差影
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）28-6775-04
半导体电子元器件被广泛应用于各类电子产品和通信系统中，它的外观质量主要取决于封装这一工艺技术。良好的封装可以保护芯片或晶体管少受外界环境的影响，因此封装后的元器件可以得到更加可靠的电气性能，当然也更加方便后续的PCB板上的焊接和贴装[1]。对半导体器件的视觉检测主要包括管脚检测和管体检测。随着计算机技术和图像处理技术的结合和发展，机器视觉被广泛应用于半导体行业的各阶段在线检测中。利用机器视觉[2]进行检测不仅可以排除主观因素的干扰，降低劳动强度，提高生产效率，还可以对缺陷进行定量描述，具有人工肉眼检测无法比拟的优越性。
1 检测系统概要
在线半导体表面缺陷检测系统[3]主要由PC机、图像处理软件、图像采集设备、光源照明部分以及IO控制装置和机械装置组成。其中图像采集由CCD、镜头、图像采集卡和光源共同完成，高质量的图像信息是系统正确判断和决策的原始依据，是整个系统成功与否的关键所在。
图1 缺陷检测系统结构
系统采用定位槽对器件进行准确定位，定位槽的底部有一个通气孔，下面连接一个真空吸气装置，机器手将管子放入凹槽，在吸气装置的作用下管子沿着凹槽四周的导向斜面滑入槽底部。确保了获取到的图像中三极管拥有正确的位姿。
2 基于边缘的位姿检测
硬件系统采用了定位模具保证管子的位姿，但管子在凹槽内仍不可避免的存在轻微的倾斜和旋转，采用边缘点检测拟合边缘线的方法寻找管子矩形，根据矩形的中心位置和旋转角度来对准参考图像与目标图像。
实现图像的边缘点检测就是用离散化梯度逼近函数计算每一个像素位置的梯度值和梯度方向，满足阈值要求和方向要求的灰度跃变位置即为边缘点。现实情况的边缘都是斜坡性边缘，这就使得边缘检测的首要工作是滤波。对比Sobel算子，Log算子，Canny算子各自的优缺点[4]后本文采用Canny算子寻找边缘点。
边缘点检测之前，划定检测的感兴趣区域，这里使用的感兴趣区域是一条方向线段，规定边缘点的检测方向是从线段的起点到终点。本文的图像处理需要用到的边缘点检测目的主要是在限定区域检测满足梯度阈值及方向的点，方向即从亮到暗或从暗到亮。判断方向时需要兼顾检测方向的影响。检测方向不同，x向、y向的一阶偏导对于判断明暗变化的影响比重也不同，因此给出如下的判断表达式：
3 缺陷检测
3.1 基于差影的双模板匹配法
用于缺陷检测的模板匹配技术常用的有两种：差影法和灰度相关法。差影法的基本原理是将待检测图像与模板图像做像素差，对得到的差值图像进行判断是否存在缺陷及缺陷大小和位置；灰度相关法则是计算待检测图像与模板图像对应像素间的相似度，根据相似度的大小确定缺陷所在。两种方法相比较，由于灰度相关法算法时间复杂度明显高于差影法，对于在线检测对实时性的要求，显然不可取，本文所述缺陷检测思想仍然沿用差影法的基本原理。
在以下的论述中规定[gr，c]代表理想图像，即无缺陷的图像，也称为参考图像。[fr，c]代表待检测图像。[r，?c]代表像素坐标。
为检测出待测图像与理想图像的偏差，仅需要将两幅图像的对应像素相减即可。通常并不关心缺陷是偏亮区域还是偏暗区域，因此通过预先设置阈值[gabs]使用以下的等式便可找到缺陷。
此方法对图像对准有非常高的精度要求。如果物体发生略微的偏移。那么在待测图像与模板图像的边缘便会很容易产生超过[gabs]的灰度值差异，误检缺陷在所难免。另外受到周围环境光线变化的影响，该方法也不能给予任何应对策略。然而在实际的生产应用中，这些因素都是无法避免的，针对以上存在的问题，本了以下的工作。
改进的匹配方法使用偏差模型[5]学习双模板[6][g1r，c]和[g2r，c]，其中[g1r，c]作为下限模板，[g2r，c]作为上限模板。下限模板由参考图像与容许偏差的差值确定，上限模板则由参考图像与容许偏差的和值确定。容许偏差可以从一组训练图像中计算得到。一般使用标准偏差来计算需要的容许偏差。另外，为了增强抗干扰和抑制噪声的能力，参考图像也不再简单的使用某一幅理想图像简单获取，也应该从一组训练图像中计算像素均值得到。n幅图像的平均值和标准差计算如下：
这里还需引入可调倍数常量[p]，[q]和可调绝对常量[a]，[b]。一般情况由一个小的可调倍数乘以标准差即得到所需的容许偏差，用户只需合理设置[p]，[q]值调节容许偏差。然而当标准偏差大大小于被测图像偏差时，这样的方法就显得很不好，因此引入绝对常量，当某处容许偏差小于绝对常量时，使用绝对常量值替代容许偏差值。
考虑到环境光线变化的影响，引入环境光因子[θ]，在对模板与待测图像做减法比较之前，计算待测图像像素均值[m0]和模板图像均值[m1]，[m0]和[m1]的比例关系即代表[θ]，令模板图像的每一个像素乘以环境光因子[θ]，可有效抑制环境光带来的不稳定图像质量造成的缺陷误检，以下给出了图像分割公式：
3.2 缺陷提取
图像的几何特征在图像处理中起着十分重要的作用。利用区域特征的大小、位置、方向等来确定物体的位置并识别它们。特征值量度的合理选取可以有效地减小误检率。本文采用Blob算法提取已经分割的缺陷特征。Blob算法用于从背景中分离目标，测量目标的形态参数，包括面积、周长、宽度、高度、细长度、数量等。与基于逐点像素处理的算法相比，该算法处理速度快，被广泛应用于工业在线检测系统中。
尽管上述处理方法已经在抑制噪声方面做了很多工作，但分割后的图像仍可能存在伪缺陷，因此通过设置特征阈值来抑制缺陷误检，如宽度阈值、高度阈值、面积阈值、周长阈值，当检测的Blob对象分别满足各方面的阈值要求时，则认为是缺陷，否则被判定为噪声点。
4 缺陷检测系统实现
硬件环境如下，相机：SONY XC-HR50；镜头：50mm；曝光时间：5ms
软件环境如下：基于OpenCV的VC++编程实现
检测目标：SOD323半导体器件的塑封表面缺陷检测
硬件系统采用了定位模具保证了待测元件有较精确的定位，每幅图像中，器件的位置只有细微的偏差。因此，检测开始之前根据模具的位置划定感兴趣区域。这种方法称之为图像局部分析法。
使用该方法的必要性主要体现在两个方面：
1） 本系统用于在线工业检测系统，同时用于三个工位的实时检测，要求每个工位的检测时间不得超过50ms，在硬件上采用四核处理器的计算机，软件上采用多核多线程编程技术，采用局部分析法可以大大的减少图像数据量，有效地降低图像处理时间。
2） 待测器件表面塑封材料微小颗粒分布的不均匀性以及环境光造成的光线不均匀都会影响成像质量。图像中目标边缘幅度大小不一，甚至非边缘幅度比边缘更大，这些因素都需要尽量回避，局部分析法将检测区域尽量缩小，干扰量也得以大大减少。
如图2所示，其中带箭头的虚线线段分别代表上下左右四个感兴趣区域内边缘点的寻找方向，如Top区域，表示从下到上搜寻边缘点。十字叉则代表搜寻到的边缘点。
图2 边缘检测示意图
利用OpenCV提供的方法cvFitLine将搜寻到的边缘点分别拟合为四条边缘线，图中管体矩形框已经标出，计算矩形的中心位置和旋转角度用于后续的参考模板与目标图像的对准。对该矩形区域进行平滑图像处理后计算该区域图像的灰度平均值，得到环境光因子。对准模板和目标图像，逐一比较像素灰度值，如果灰度值不在两个模板的阈值范围内则被认为缺陷。
5 结论
综上所述，通过对传统的缺陷检测算法的分析和运用，利用模具和边缘定位获取到物体可靠位姿，缩小了在线检测范围，有效提高了检测效率。结合半导体器件的塑封缺陷特征，采用双模板匹配法，有效的抑制了噪声和环境光对缺陷识别的影响。
参考文献：
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《模拟电子技术》是一门技术性和实践性很强的专业基础课，偏重工程应用，学生普遍感觉课程内容繁多、难度较大；教师使出全身招数，收效甚微。作为专业基础课，其教学质量将直接影响后续专业课的学习。本文通过把握课程的教学重难点，采用不同方法予以突破，突出“以器件为核心，以放大为主线，以应用为目的”教学思路，强调工程思维意识培养等措施，使教学达到较好的效果。
一、明确课程的教学重难点，采用适合的方法突破
根据《模拟电子技术》课程标准，确定其教学内容重点可归纳为：半导体器件的特性及参数；放大电路的分析方法；直接耦合多级放大电路存在的问题及解决方法；差动放大电路抑制零点飘移的原理；放大电路反馈类型判断方法及引入原则；集成运放的线性及非线性应用电路；电路能否产生正弦波振荡的判断方法；功率放大器的工作原理及集成功率放大器的应用；稳压电路工作原理及三端集成稳压器的应用等。针对以上重点分析，通过多年教学经验，确定本课程的教学难点在于学生对基本概念似懂非懂、电路原理理解不透、电路分析方法掌握不牢、工程思维方法应用不足等问题。
1.恰当地运用类比方法，加强学生难点概念原理教学
进行概念原理的教学时，恰当地运用类比方法。例如：讲解PN结反向击穿分为电击穿和热击穿两种，前者是可逆的，后者是不可逆的，好比人长了肿瘤，良性的手术摘除后人还是健康的，恶性的就是癌症，摘除后仍然危及生命。再如解决放大电路为什么要有适合的静态工作点这一难点时，好比荡秋千时，绳子距地面的高度必须合适，过低秋千会触地，过高则游戏者不方便上去。运用类比方法难理解的理论变得更形象，抽象的概念变的更具体，有助于培养学生的思维能力和想象能力，提高了记忆效果。
2.通过实验教学方法，解决学生电路原理学习中的疑难问题
由于课程有很强的实践性，可借助于实验的方法，解决电路原理学习中的疑难点。如直接耦合放大电路的零点漂移现象是一个疑难点，如同在测量电阻时，如果对万用表没有进行零点较正的话，则当红黑表笔直接接触时，表会显示一定的阻值，易于理解零点漂移现象。本课程可精选部分重难点内容，如差分放大电路抑制零点漂移的原理，功率放大电路能输出足够大功率的原理，负反馈如何影响放大电路的性能等疑难点可以通过实验的波形、数据、现象及结果来说明，加深学生对课程中疑难点的理解。
3.采用由浅入深、化难为易的方法，讲解电路分析中的深奥理论
提出问题，启发引导，由浅入深的推进。如学习了基本共射极放大电路工作原理后，提出晶体管温度升高会使设定好的静态工作点移动，怎么解决，引出分压式偏置电路来稳定静态工作点，但负反馈电阻RE引入会降低放大电路的倍数，再改进，讲解旁路电容的作用，最后得到经典的共射极放大电路。将深奥的理论变得更形象，化难为易。如：反馈组态的判断方法是一个难点，容易混淆，不易掌握。讲解时，先介绍定义法，然后引出短路法，最后推出更简单易行的方法――从直观的结构来判断，电压电流反馈看取样点，串联并联反馈看比较点，经过几次反复训练学生一般容易掌握。
二、突出“以器件为核心，以放大为主线，以应用为目的”的教学思路
半导体器件教学要弱化器件内部载流子的运动，强化半导体器件的外特性及用途教学。了解器件的结构原理，明白使用时必须加偏置电压，不同的偏置电压，可以使器件工作于不同的工作状态，而不同的工作状态又具有不同的特点进而应用于不同的电路。以半导体器件为核心组成的各种分立元件电路，突出放大主线，有基本放大、负反馈放大、差分放大、功率放大、多级放大等电路。讲解要突出工作原理、特点、分析及设计方法。由于电子器件性能的分散性较大，在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在设计和制作放大电路时离不开测量和调试技术。在完成设计和安装以后，还必须明白好的放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。
集成电路教学对集成器件内部的结构、原理只作简单介绍，重在应用，首先知道它有什么用途，然后是怎么使用，搞清楚各引脚的功能及性能指标。集成运算放大器引入深度负反馈时，运放工作在线性区应用于正弦波振荡器、信号的运算电路、有源滤波电路等。集成运算放大器在无反馈或引入正反馈时，运放工作在非线性区应用于矩形波发生器、电压比较器等；集成功率放大器应用时要保证在大功率状态下安全可靠的工作；三端集成稳压器掌握其典型应用电路。元器件的选用、电路的测量调试、集成器件的使用等技能是实际工作中分析和处理电子技术问题所必需的，也是本课程的核心技能。
三、强化“先静态后动态、先小信号后大信号，强调工程思维方法”的分析方法
放大电路的分析过程首先静态分析。讲清静态工作点设置过高、过低会出现什么状况，调试静态工作点该如何调节电路参数。电路的静态具有较强的共性，都是在直流电源作用下形成电路直流工作状态，不必区分电路的形式和功能，避免了不同电路静态分析的重复。然后动态分析讲清微变等效电路-动态性能指标估算，明白不同负载下的放大倍数不相等，输入电阻过小、输出电阻过大对放大电路的影响。动态调试应先小信号后大信号，调试过程中运用波形比较、工程估算、电子测量等工程方法贯穿其中。
【关键词】离线式;PWM开关电源;传导电磁干扰;分析
前言
随着科学技术的巨大进步，社会环境当中的电力电子装置也得到了广泛的普及应用，而这些设备在使用的过程中必然会产生较强的电磁干扰现象，反过来，这些干扰现象又会对设备本身的稳定运行带来不同程度的影响。从以往的研究资料中可以看到，通过研究电力电子装置的电磁干扰源及其特征，有助于改善电力电子装置的电磁兼容性能，从而有效削弱设备开关电源传导电磁现象，保证电力电子设备的稳定运行。
一、针对开关电源传导电磁干扰源及其相关内容的分析
离线式PWM开关电源装置是一种抗噪性较强的装置，它具备一定的经济性与实用性特征，在工程中的应用极为普遍。从总体来看，欲想要研究PWM开关电源传导电磁干扰，则首先要明确开关电源传导电磁干扰源及其在主电路中的作用机理。基于此，构建一种包含有功率半导体器件以及无源元件等内容的高频电路模型，并对该模型进行电磁干扰的模拟分析，从而对其性能做以了解，以便于在实际操作中能够有效避免开关电源传导过程的电磁干扰现象。
（一）离线式PWM开关电源传导电磁干扰源
鉴于实际电力电子装置中半导体器件的开关瞬态性能、电路连线的三维结构以及无源器件的非线性等因素的影响，如若直接对其进行精确的描述则就会遇到较大的阻碍，因此，构建一种包含有功率半导体器件以及无源元件等内容的高频电路模型的方法对实际装置的电磁干扰发射还很难进行准确的预测[1]。
（二）电磁干扰源及其模型特征分析
从专业的角度来看，电力电子装置中的开关器件的非线性是致使其产生电磁干扰的主要根源。鉴于各类型装置中所选用材料较为特殊，往往在实际使用的过程中，可以忽略这一电磁干扰现象，但并不意味着此类型的干扰不会对设备的正常运作产生影响。通过理论分析可知，高频功率开关器件是传导电磁干扰源，通常会在开关瞬间产生电磁干扰[2]。离线式PWM开关电源的传导干扰源以及耦合途径有着直接关联，而且，开关电源在受到典型传导干扰源作用时，则会呈现出干扰耦合通道的状况。由此可以了解到，若想要有效避免离线式PWM开关电源传导电磁干扰，则要从其机理及特征着手来操作。
二、有效避免开关电源传导电磁干扰的措施分析
（一）浅析离线式PWM开关电源传导电磁干扰的特性
经分析，离线式PWM开关电源传导电磁干扰的特性较为突显，即离线式PWM开关电源传导电磁干扰数据可以通过测算模拟环境中的干扰源及其参数来获取，因此，探究避免PWM开关电源传导电磁干扰的有效措施之一便是通过其干扰特性来将其避免。基于离线式PWM开关电源传导电磁干扰的特性，提出了一种测量交流电机传动系统中电磁干扰耦合途径特性的方法，即得出传导干扰耦合通道的特性[3]。
（二）探究避免PWM开关电源传导电磁干扰的合理措施
在建立高频电路仿真模型过程中，在上文中所提到的一种包含有功率半导体器件以及无源元件等内容的高频电路模型的方法，通常需要将各个元器件单独进行建模，而对元器件间实际存在的高频耦合效应未予以考虑，这种简化处理有时会严重影响对电磁干扰的正确理解和分析，同时，也不利于指导设计人员进行技术调试[4]。
因此，探究一种有效避免离线式PWM开关电源传导电磁干扰的可行性措施极为必要。从现实情况来看，开关电源传导电磁环境呈现一种动态的变化趋势，随着因素及条件的变化而发生细微的变化。因此，通过构建模型来探究避免产生电磁干扰的方法有一定的现实意义。从测算数据中可以了解到，开关电源传导电磁干扰的特征较为明显，只有针对其特征变化情况来采取必要的措施来改善，才能对开关电源传导机制的正常操作带来实质性帮助。
三、结束语
综上所述，从以上所分析的情况来看，由于离线式PWM开关电源中高速功率开关器件在应用时能够产生瞬间的电流、电压，则会对电力资源通道中的电流以及电压造成一定的影响。在实际的电网环境中，这种类型的开关电源传导电磁干扰普遍存在。经系统的分析与验证可知，通过将开关电源置于不同的占空比状态，经模拟实验操作过程可以了解到，通过测量开关电源在拟定干扰源时的传导状态，能够进一步明确其传导特征，最后，凭借在模拟实验中所得出的开关电源传递特征，得出阻隔传导干扰的有效方法，为实践操作带来启示。
参考文献
[1]陈治通，李建雄，崔旭升，等.反激式开关电源传导干扰建模仿真分析[J].电源技术，2014，05（05）：955-956.
[2]余凯，廖惜春.反激式开关稳压电源传导干扰研究[J].通信电源技术，2012，02（02）：12-14.
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