高頻電阻焊機(jī)用大電流FRD快恢復(fù)二極管

  1. 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，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。
  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(lái)越高，1kHz用焊接二極管已達(dá)16000A，10kHz用焊接二極管達(dá)到5000A。
  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)，它又具低電壓、高雪崩特性。
  超大電流FRD快恢復(fù)二極管的制造與應(yīng)用，是近二、三十年的事情。它首先由歐洲的ABB、EUPEC依據(jù)電阻焊機(jī)發(fā)展需求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。他們1kHz用的7100A、12000A焊接二極管 ，已隨著他們的電阻焊機(jī)大量進(jìn)入中國(guó)。然而更先進(jìn)的10kHz用高頻焊接二極管，卻還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。
  高頻電阻焊機(jī)和焊接機(jī)器人常用的電路如圖1所示。

 
  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(kāi)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(wú)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 I_rr、t_rr、Q_r小、F_RRS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 、通態(tài)斜率電阻r_F的控制技術(shù)；超低結(jié)殼熱阻 的技術(shù)；現(xiàn)代超大電流FRD二極管的檢測(cè)技術(shù)等等。
 
  2. FRD二極管的制造工藝
  FRD二極管的具體工藝流程如圖2所示。對(duì)其中的關(guān)鍵工藝說(shuō)明如下。  
  2.1 超薄硅片及無(wú)應(yīng)力加工技術(shù)
  低壓下的大電流快恢復(fù)二極管，在達(dá)到反向電壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)大電流下的低功耗。為此必須采用超薄硅片，特別是超薄基區(qū)的硅芯片。
  以往二極管的最小硅片厚度 0.24mm，但制做超大電流 FRD焊接二極管時(shí)，0.24mm太厚了 ，將造成正向電壓降過(guò)高、功耗過(guò)大。我們實(shí)驗(yàn)的硅片厚度當(dāng)選用在 0.19mm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(guò)程都必須是無(wú)應(yīng)力的。從工裝夾具的軟接觸到工藝過(guò)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(guò)大的反向電流，即過(guò)大的能量損耗。
  
  2.2 雪崩技術(shù)
  電阻焊機(jī)啟動(dòng)頻繁，環(huán)境比較惡劣，隨時(shí)有過(guò)壓過(guò)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?br />   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。
 
  2.3 低陽(yáng)極濃度技術(shù)
  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(yáng)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 i值變小，進(jìn)而使反向恢復(fù)電荷變小。如圖 4、圖 5所示 。
  當(dāng)陽(yáng)極濃度取SD二極管濃度，R_SP+=0.27時(shí)，等效于陽(yáng)極面P+濃度為N_p+≤1·10 ²¹cm^-3，測(cè)得反向恢復(fù)電流I_rr=300～500A，反向恢復(fù)電荷Q_r=1000 µC以上。當(dāng)陽(yáng)極濃度取FRD二極管濃度 ，R_SP+=2.7時(shí)，等效于陽(yáng)極面P+濃度為N_P+≤1·10²⁰cm^-3，測(cè)得反向恢復(fù)電流Ir=100A，反向恢復(fù)電荷Q_r=200µC。
 
  2.4 雙基區(qū)技術(shù)
  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?wèn)題，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4mV/mA。
  如圖6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(yáng)極濃度技術(shù)，雖然也能提高軟因子，如使F_RRS從 0.4提高到 0.7～1.0，但幅度還不夠。采用雙基區(qū)結(jié)構(gòu)技術(shù)后，就使得F_RRS又提高 0.5多，達(dá)到F_RRS≥1.5。
  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(guò)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F_RRS增加。
 
  2.5 擴(kuò)鉑+吸收技術(shù)
  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(guó)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?？v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。
  如圖7所示，在決定反向恢復(fù)時(shí)間的-d一側(cè)的鉑濃度N_pt最大，少子壽命τp最?。欢趯?duì)反向恢復(fù)影響不大的+d側(cè)，則鉑濃度N_pt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94℃，時(shí)間在30～60min左右。
  在沒(méi)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。
 
  3. 大電流FRD快恢復(fù)二極管特點(diǎn)
  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)展必需的關(guān)鍵操作設(shè)備，必須大力發(fā)展。
  (1)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)。即必須采用低陽(yáng)極濃度技術(shù)，必須采用雙基區(qū)結(jié)構(gòu)，才能使最大反向恢復(fù)電流I_rr大大降低，反向恢復(fù)電荷Qr大大降低，使反向恢復(fù)軟因子F_RRS大大提高。
  (2)降低基區(qū)少子壽命的措施，在沒(méi)有輕離子輻照技術(shù)的情況下，采用了目前可以實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)鉑加磷硅玻璃吸收的先進(jìn)工藝，比較好的實(shí)現(xiàn)了基區(qū)內(nèi)的少子壽命分布。
  (3)必須采用二極管雪崩結(jié)構(gòu)，才能確保二極管的雪崩能力，確保器件使用的可靠性。
  (4)必須采用盡可能低的電阻率截面均勻的硅單晶片，實(shí)現(xiàn)超薄硅片、超薄基區(qū)、超薄殼封裝技術(shù)，優(yōu)化了通態(tài)電、熱參數(shù)，達(dá)到大量器件直接均流應(yīng)用。
  (5)整個(gè)硅片加工過(guò)程必須全面徹底采用無(wú)應(yīng)力技術(shù)，才能確保二極管的雪崩能力、通流能力、反向恢復(fù)能力。



上一篇：一種新型低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管技術(shù)
下一篇：什么是肖特基勢(shì)壘光電二極管?