摘要：闡述了高頻電阻焊機(jī)對(duì)超大電流FRD快恢復(fù)整流二極管的需求和技術(shù)特征。給出了FRD5000A-200V-10kHz二極管的設(shè)計(jì)計(jì)算書，采用超薄硅片技術(shù)、低陽極濃度技術(shù)、帶有緩沖層的雙基區(qū)技術(shù)、保留磷硅玻璃層的擴(kuò)鉑技術(shù)、雪崩二極管技術(shù)以及整個(gè)加工過程的無應(yīng)力技術(shù)和先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)，完成了10 kHz電阻焊機(jī)用FRD5000A-200V器件的制作和批量生產(chǎn)任務(wù)。新能源 電源

　　關(guān)鍵詞：高頻電阻焊機(jī),FRD,低陽極濃度,雙基區(qū),擴(kuò)鉑吸收,雪崩

　　一、高頻電阻焊機(jī)和超大電流FRD

　　高頻電阻焊機(jī)和焊接機(jī)器人的發(fā)展蓬蓬勃勃，方興未艾方興未艾，這是現(xiàn)代自動(dòng)化大工業(yè)的一大亮點(diǎn)。高頻電阻焊機(jī)和焊接機(jī)器人對(duì)高頻整流二極管提出了新的特殊要求。焊接二極管不僅具有現(xiàn)代快恢復(fù)二極管的所有特點(diǎn)，而且還有其自身的特殊性[1]。

　　首先，因制造業(yè)的需求與器件制造水準(zhǔn)的不斷提升，其電流容量越來越高，1 kHz用焊接二極管已達(dá)16000A，10kHz用焊接二極管達(dá)到5000 A~10000A。

　　當(dāng)整流二極管發(fā)展到超大電流時(shí)，必須是低功耗、低熱阻、快軟恢復(fù)，結(jié)合電焊機(jī)，它又是低電壓、高雪崩特性。

　　超大電流FRD快恢復(fù)二極管的制造與應(yīng)用，是近幾十年的事情。它首先由歐洲的ABB、EUPEC依據(jù)電阻焊機(jī)發(fā)展需求而開發(fā)出來的。1kHz用7100 A、12000 A焊接二極管，已隨著他們的電阻焊機(jī)大量進(jìn)入中國。然而更先進(jìn)的10 kHz用高頻焊接二極管，卻還未見報(bào)導(dǎo)。

　　

　　超大電流FRD焊接二極管與普通二極管的本質(zhì)區(qū)別就是高雪崩、快軟恢復(fù)。

　　開發(fā)生產(chǎn)超大電流FRD整流二極管的技術(shù)難點(diǎn)是：超薄硅片的研磨、清洗、擴(kuò)散、合金、臺(tái)面造型、鈍化保護(hù)等新技術(shù);超薄管殼和無管殼封裝技術(shù);特殊的多層金屬化歐姆接觸技術(shù);大功率高雪崩特性技術(shù);現(xiàn)代最新FRD技術(shù)(包含反向恢復(fù)特性Irr、trr、Qr小、FRRS大的技術(shù));優(yōu)化的局域少子壽命減低技術(shù);可以直接并聯(lián)連接的正向通態(tài)峰值電壓以及超低門檻電壓VF、通態(tài)斜率電阻rF的控制技術(shù);超低結(jié)殼熱阻Rthcj的技術(shù);現(xiàn)代超大電流FRD二極管的檢測(cè)技術(shù)等等。

　　我們研制的是FRD5000 A - 200 V -10 kHZ高頻電阻焊機(jī)專用快恢復(fù)整流二極管。

　　二、 FRD5000A- 200V-10kHz快恢復(fù)整流二極管的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　1) 5000 A/200 V/10 kHz快恢復(fù)FRD二極管的主要技術(shù)參數(shù)

　　(1) IF(AV)= 5000 A (Tc=100℃)

　　(2) IFSM= 45000 A

　　(3) VRRM= 200 V (Tjm=170℃)

　　(4) IRRM≤ 50 mA (Tjm)

　　(5) VRSM= VRRM = 200 V (雪崩型T=25℃，Tjm)

　　(6) PRSM>100 kW(脈寬20μs，TJM)

　　(7) VFM/IFM<1.15 V/5000 A ( Tj= 25 ℃，Tjm)

　　(8) Rthjs=0.01 ℃/W

　　(9) trr≤4 μs, Irr≤120 A, Qr≤220 μC

　　(10)反向恢復(fù)軟因子FRRS≥1.0

　　2)芯片相關(guān)參數(shù)[3]：

　　(1)直徑Φ= 48

　　(2)厚度H= 0.18

　　(3) 斜角邊寬 b< 1.8

　　(4)陰極有效面積Sy>15.2 cm2

　　(5)平均電流密度JF(AV)=162 A/cm2

　　(6)峰值電流密度JFM=509 A/cm2

　　(7)擴(kuò)散后少子壽命τp=13 μs，擴(kuò)鉑后少子壽命τp≤4 μs。

　　3)產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算

　　設(shè)計(jì)計(jì)算FRD5000 A/200 V/10 kHZ快恢復(fù)整流二極管技術(shù)參數(shù)所依據(jù)的主要公式，均參照資料[3][4] 所給出;所有技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算都是和具體可行的工藝相結(jié)合的。

　?、?反向重復(fù)峰值電壓VRRM

　　設(shè)計(jì)計(jì)算反向電壓VRRM所依據(jù)的公式為: VB=96ρn0.75, xm=0.53()21nBVρ⋅。

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　降過高、功耗過大。我們實(shí)驗(yàn)的硅片厚度當(dāng)選用在0.19及以下時(shí)，才能達(dá)到超大電流電阻焊機(jī)要求的功耗水平。

　　這種超薄硅片徹底顛覆了原有二極管的生產(chǎn)工藝，整個(gè)從頭到尾的操作過程都必須是無應(yīng)力的。從工裝夾具的軟接觸到工藝過程的軟操作，須對(duì)員工有明確的精細(xì)操作規(guī)定。檢查標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定不準(zhǔn)有碎片的出現(xiàn)，為此軟工裝系數(shù)必須做到100%;盡量采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區(qū)均勻，結(jié)電容小，關(guān)斷時(shí)不至于產(chǎn)生過大的反向電流，即過大的能量損耗。

　　2)雪崩技術(shù)[5]

　　電阻焊機(jī)啟動(dòng)頻繁，環(huán)境比較惡劣，隨時(shí)有過壓過流現(xiàn)象發(fā)生，故對(duì)FRD焊接二極管有相當(dāng)?shù)难┍滥芰σ蟆?/P>

　　要實(shí)現(xiàn)二極管的高雪崩能力必須采用非穿通結(jié)構(gòu)，且盡量采用低電阻率單晶，以獲取盡量高的電場(chǎng)強(qiáng)度。

　　本課題采用電阻率的范圍為：(2~15)Ω-cm，令ρn=7Ω-cm，由公式：

　　VB=94ρn0.75 ……………..(4)

　　xm=0.53()12BnVρ⋅ ……………..(5)

　　經(jīng)計(jì)算得：xm=28 μm，而基區(qū)寬度是60 μm，即使ρn=12 Ω-cm對(duì)上限ρn=12 Ω-cm，xm=45 μm，說明本設(shè)計(jì)是非穿通結(jié)構(gòu)。

　　雪崩能力主要由電場(chǎng)強(qiáng)度E所決定，E越大，雪崩能力越強(qiáng)。

　　由公式：E=4010 ND1/8 ………..(6)

　　代入ρn= 2~12 Ω-cm，考慮到：ND=1/qμnρn，經(jīng)計(jì)算得：E=(3.34~2.67)·105 v/cm

　　計(jì)算結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)二極管器件是具備高雪崩能力的。

　　低電阻率設(shè)計(jì)還帶來漏電流小等的優(yōu)點(diǎn)，不再贅述。

　　3)低陽極濃度技術(shù)[6]

　　普通SD二極管要求有強(qiáng)發(fā)射極，盡可能高的少子壽命。

　　強(qiáng)陽極發(fā)射區(qū)對(duì)FRD二極管不合適，F(xiàn)RD的等離子水平必須淺，這樣才能使高換流di/dt產(chǎn)生的最大反向恢復(fù)電流Irr值變小，進(jìn)而使反向恢復(fù)電荷變小。如圖3、圖4所示：

　　當(dāng)陽極濃度取SD二極管濃度，RSP+=0.27時(shí)，等效于陽極面P+濃度為NP+≤1·1021cm-3，測(cè)得反向恢復(fù)電流Irr =300~500 A，反向恢復(fù)電荷Qr=1000 μC 以上。當(dāng)陽極濃度取FRD二極管濃度，RSP+=2.7時(shí)，等效于陽極面P+濃度為NP+≤1·1020cm-3，測(cè)得反向恢復(fù)電流

　　

　　Irr=100 A，反向恢復(fù)電荷Qr=200μC 。

　　3) 雙基區(qū)技術(shù)[7][8]

　　普通SD二極管只用一個(gè)基區(qū)就夠了，對(duì)FRD二極管，因?yàn)橛熊浂葐栴}，必須采用雙基區(qū)結(jié)構(gòu)，即在原襯底濃度的基礎(chǔ)上，再加一小部分N-區(qū)，其濃度比襯底濃度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而比正常通態(tài)濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　N-區(qū)擴(kuò)散是關(guān)鍵工藝，有幾種方法都可實(shí)現(xiàn)。(1)降低磷預(yù)沉積溫度方法，(2)陶瓷磷源片方法，(3)二氧化硅乳膠源方法等。例如我們采用第(1)種方法，擴(kuò)散結(jié)果：結(jié)深20μm，表面濃度6mv/mA。

　　如圖5所示，因?yàn)橛辛薔-區(qū)，使導(dǎo)通時(shí)的非平衡載流子濃度降低了一塊，僅使反向恢復(fù)電流減少，而且使軟度因子增加。

　　采用低陽極濃度技術(shù),雖然也能提高軟因子，如使

　　FRRS從0.4提高到0.5~0.7，但幅度還不夠。采用雙基區(qū)結(jié)構(gòu)技術(shù)后，就使得FRRS又提高近0.5，達(dá)到FRRS ≧1.0。

　　雙基區(qū)結(jié)構(gòu)可以顯著改善二極管軟度的道理可以這樣理解：在反向恢復(fù)到空間電荷區(qū)逐步建立，且隨電壓提高而不斷擴(kuò)大到N-緩沖層后，由于緩沖層濃度高而大大減慢。這樣，經(jīng)過存儲(chǔ)時(shí)間ta后，緩沖層N-區(qū)內(nèi)還有相當(dāng)?shù)姆瞧胶廨d流子未被抽走或復(fù)合，從而使得復(fù)合時(shí)間增加，即tb增加，即反向恢復(fù)軟因子FRRS增加。

　　4)擴(kuò)鉑+吸收技術(shù)[9]

　　為使二極管的反向恢復(fù)速度加快，降低基區(qū)的少數(shù)載流子壽命是必須的。最先進(jìn)的方法是輕離子輻照，同時(shí)鉑汲取的局域壽命控制技術(shù);在我國目前還不能很好采用輕離子輻照的情況下，只能采用全域壽命控制技術(shù)。常用的全域控制壽命技術(shù)有：擴(kuò)金、擴(kuò)鉑、電子輻照三種方法。縱觀三者電子輻照長(zhǎng)期可靠性差，擴(kuò)金漏電流大，而擴(kuò)鉑長(zhǎng)期可靠性好，漏電小，但通態(tài)電壓高。我們選取擴(kuò)鉑方法，在擴(kuò)鉑的同時(shí)，進(jìn)行磷硅玻璃吸收，雖然還達(dá)不到輕離子輻照+鉑汲取的局域壽命控制的程度，但也能造成基區(qū)內(nèi)少子壽命的有利于通態(tài)電壓的分布。

　　

　　

　　濃度Npt最大，少子壽命τp最小;而在對(duì)反向恢復(fù)影響不大的+ d側(cè)，則鉑濃度Npt相對(duì)較低，壽命較高，因而通態(tài)電壓受影響較小。

　　擴(kuò)鉑的溫度一般選在940℃，時(shí)間在30分~1小時(shí)左右。

　　在沒有磷硅玻璃吸收的情況下擴(kuò)鉑，通態(tài)電壓往往超標(biāo)很多，有了磷硅玻璃吸收時(shí)的擴(kuò)鉑，通態(tài)電壓一般能降低0.5V左右。

　　5)和國際接軌的檢測(cè)技術(shù)

　　新研制生產(chǎn)的FRD5000 A- 200 V器件，要經(jīng)過和國際接軌的新型測(cè)試儀器的嚴(yán)格檢測(cè)。其中包括靜態(tài)參數(shù)的雪崩電壓VRRM、通態(tài)峰值電壓VFM、浪涌電流IFSM等測(cè)試;包括動(dòng)態(tài)參數(shù)反向恢復(fù)時(shí)間trr、反向恢復(fù)電流Irr、反向恢復(fù)電荷Qr、反向恢復(fù)軟因子FRRS等測(cè)試;還包括特殊參數(shù)如反向脈沖方波浪涌功率PRSM，開通時(shí)最大峰值電壓VFRM，正向恢復(fù)時(shí)間tfr等測(cè)試。

　　四、器件參數(shù)的測(cè)試

　　研制生產(chǎn)的FRD5000 A - 200 V器件，以2011年2月以后入庫器件為例，實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)記錄如下表2：

　　

　　按上述設(shè)計(jì)和制作的器件不僅大量銷售到國內(nèi)各電阻焊機(jī)企業(yè)，而且出口歐美、亞洲等許多國家和地區(qū)。

　　5 結(jié)語

　　1) 高，中頻電阻焊機(jī)，是汽車、輪船、飛機(jī)、高鐵、機(jī)器人等大工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備，必須大力發(fā)展。高、中頻快恢復(fù)FRD二極管是高，中頻電阻焊機(jī)的核心器件，是新型功率半導(dǎo)體器件，必須大力發(fā)展。

　　2) 發(fā)展高、中頻快恢復(fù)FRD二極管必須采取嶄新的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)。低陽極濃度技術(shù)，雙基區(qū)結(jié)構(gòu)都是必須采用的基本技術(shù)。

　　3) 降低基區(qū)少子壽命也是FRD的關(guān)鍵技術(shù)，在沒有輕離子輻照+鉑汲取局域壽命控制技術(shù)的情況下，采用擴(kuò)鉑加磷硅玻璃吸收的工藝是一種可行的方法。

　　4) 必須采用二極管雪崩結(jié)構(gòu)，無應(yīng)力技術(shù)貫徹整個(gè)加工過程，確保高頻焊接二極管的高雪崩能力和快、軟恢復(fù)能力，確保器件長(zhǎng)期使用的可靠性，確保器件直接均流應(yīng)用。

　　5) 所有電、熱參數(shù)測(cè)試，都必須采用和國際接軌的先進(jìn)測(cè)試儀器，才能確保所有出廠產(chǎn)品的先進(jìn)性。

　　6) 緊緊瞄準(zhǔn)國際超大電流FRD的新技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，時(shí)刻準(zhǔn)備條件開展輕離子輻照+鉑原子汲取的技術(shù)，開展離子注入+超薄發(fā)射區(qū)等新技術(shù)，開展(100)硅單晶片的應(yīng)用技術(shù)等。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[3]夏吉夫等： 3.5KA/400V高電流密度整流二極管的設(shè)計(jì)制造[J] 電力電子技術(shù) 2008, 193 (12).

　　[4]夏禹清等：高頻電鍍用快恢復(fù)整流二極管的開發(fā)研制[J] 變頻技術(shù)應(yīng)用 2010，25(1)

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　　[8]張海濤，張斌：軟恢復(fù)二極管新進(jìn)展—擴(kuò)散型雙基區(qū)二極管[D]. 第八屆全國電力電子學(xué)會(huì)，2002.11

　　[9]，董宏偉：擴(kuò)鉑工藝及擴(kuò)鉑器件恢復(fù)特性軟硬度研究[D]. 第六屆全國電力電子學(xué)會(huì),1976.6

　　作者：

　　夏禹清：女，碩士，錦州市圣合科技電子有限公司董事長(zhǎng)，研究方向：電力半導(dǎo)體器件