高频电阻焊机用FRD二极管的研制

# 技术文库 2012-09-20 09:07 来源：中国电力电子产业网

　　摘要：阐述了高频电阻焊机对超大电流FRD快恢复整流二极管的需求和技术特征。给出了FRD5000A-200V-10kHz二极管的设计计算书，采用超薄硅片技术、低阳极浓度技术、带有缓冲层的双基区技术、保留磷硅玻璃层的扩铂技术、雪崩二极管技术以及整个加工过程的无应力技术和先进的测试技术，完成了10 kHz电阻焊机用FRD5000A-200V器件的制作和批量生产任务。

　　关键词：高频电阻焊机、功率二极管

　　一、高频电阻焊机和超大电流FRD

　　高频电阻焊机和焊接机器人的发展蓬蓬勃勃，方兴未艾方兴未艾，这是现代自动化大工业的一大亮点。高频电阻焊机和焊接机器人对高频整流二极管提出了新的特殊要求。焊接二极管不仅具有现代快恢复二极管的所有特点，而且还有其自身的特殊性【1】。

　　首先，因制造业的需求与器件制造水准的不断提升，其电流容量越来越高，1 kHz用焊接二极管已达16000A，10kHz用焊接二极管达到5000 A~10000A。

　　当整流二极管发展到超大电流时，必须是低功耗、低热阻、快软恢复，结合电焊机，它又是低电压、高雪崩特性。

　　超大电流FRD快恢复二极管的制造与应用，是近几十年的事情。它首先由欧洲的ABB、EUPEC依据电阻焊机发展需求而开发出来的。1kHz用7100 A、12000 A焊接二极管，已随着他们的电阻焊机大量进入中国。然而更先进的10 kHz用高频焊接二极管，却还未见报导。

　　高频电阻焊机和焊接机器人常用的电路如下【2】：

　　超大电流FRD焊接二极管与普通二极管的本质区别就是高雪崩、快软恢复。

　　开发生产超大电流FRD整流二极管的技术难点是：超薄硅片的研磨、清洗、扩散、合金、台面造型、钝化保护等新技术;超薄管壳和无管壳封装技术;特殊的多层金属化欧姆接触技术;大功率高雪崩特性技术;现代最新FRD技术(包含反向恢复特性Irr、trr、Qr小、FRRS大的技术);优化的局域少子寿命减低技术;可以直接并联连接的正向通态峰值电压以及超低门槛电压VF、通态斜率电阻rF的控制技术;超低结壳热阻Rthcj的技术;现代超大电流FRD二极管的检测技术等等。

　　我们研制的是FRD5000 A - 200 V -10 kHZ高频电阻焊机专用快恢复整流二极管。

　　二、 FRD5000A- 200V-10kHz快恢复整流二极管的设计计算

　　1) 5000 A/200 V/10 kHz快恢复FRD二极管的主要技术参数

　　(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) 反向脉冲方波浪涌功率PRSM>100 kW(脉宽20μs，TJM)

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

　　(8) Rthjs=0.01 ℃/W

　　(9) 反向恢复特性：trr≤4 μs, Irr≤120 A, Qr≤220 μC

　　(10)反向恢复软因子FRRS≥1.0

　　2)芯片相关参数【3】：

　　(1)直径Φ= 48

　　(2)厚度H= 0.18

　　(3) 斜角边宽 b< 1.8

　　(4)阴极有效面积Sy>15.2 cm2

　　(5)平均电流密度JF(AV)=162 A/cm2

　　(6)峰值电流密度JFM=509 A/cm2

　　(7)扩散后少子寿命τp=13 µs，扩铂后少子寿命τp≤5 µs。

　　3)产品设计计算

　　设计计算FRD5000 A/200 V/10 kHZ快恢复整流二极管技术参数所依据的主要公式，均参照资料【3】【4】所给出;所有技术参数的设计计算都是和具体可行的工艺相结合的。

　　⑴ 反向重复峰值电压VRRM

　　设计计算反向电压VRRM所依据的公式为: VB=96ρn0.75, xm=0.53

　　。

　　考虑到具体可行的工艺得：ρn=7±5Ω-cm，xm=28 µm，xjp+=85+5 µm，xjN+=30+5 µm， H<0.19，基区宽度Wn=40 µm，Wn-=20 µm，这个设计确保VRSM≤300 V。

　　⑵ 反向重复峰值电流IRRM

　　⑶ 室温正向峰值电压VFM。

　　FRD高频焊接二极管对通态压降VFM有非常苛刻的要求，在τp一定，Wn短的前提下，依据公式：

　　⑷ 结壳热阻Rthjc

　　高电流密度整流二极管对结壳热阻有更苛刻的要求。

　　依据公式R th=

　　,考虑到热阻串并联相同于电阻的串并联，将相关数据：

　　硅片厚度LSi = 0.18，硅片面积S Si = 15.2~18.1 cm2，取中值S Si = 16.5 cm2，

　　钼片厚度 LMo= 1.2，钼片面积S Mo= 18 cm2。

　　阳极铜块厚度LCu A= 3.0，阳极铜块面积S Cu A = 18 cm2。

　　阴极铜块厚度LCuK=4.0，阴极铜块面积S CuK = 15.2 cm2。

　　相关常数：硅热阻率ρθSi = 0.69 ℃·cm/W，钼热阻率ρθMo = 0.66℃·cm/W, 铜热阻率ρθCu=0.26℃·cm/W。

　　代入热阻公式得：

　　硅片、钼片热阻之和 RSi+RMo= 0.0052 (℃/W)

　　阴极铜块热阻RCuK =0.0068 (℃/W)

　　阳极铜块热阻RCuA =0.0051 (℃/W)

　　阴阳铜块热阻并联得：RCu =0.0029 ℃/W)

　　∴ Rthjc= RSi+RMo+ RCu =0.0081 (℃/W)

　　满足设计要求。

　　⑸ 门槛电压VT0和正向斜率电阻rT

　　门槛电压VT0和正向斜率电阻rT是衡量电力半导体器件的通态特性的重要参数。通常的处理和计算方法是：在通态伏安特性曲线的工作点VFM = VFM(IFM)的两边取两点V1 = V1(0.5IFM), V2 = V2(1.5IFM)，连线与电压轴的交点为门槛电压VT0，交角的余切ctyθ为正向斜率电阻rT。它可以是计算值，也可以是实测值。

　　∵ IF(AV) = 5000A，按2倍计算则 IFM = 10000A，

　　∴有V1 = V1(5000A), V2 = V2(15000A)，

　　其中V1、V2 可以计算出。也可以通过实验测试得出。

　　以下以实测结果(见FRD5000A/200V测试记录)来计算VT0和rT。

　　由FRD5000A/200V二极管测试记录得：

　　V1 = V1(5000A)= 0.92 V

　　V2 = V2(15000A)= 1.18 V

　　参照通态伏安特性曲线示意图，

　　⑹ 正向恢复时间tfr【4】

　　由tfr≈W2/16DP，取DP = 12.8 cm2/s ，有：tfr< 0.18 μs。

　　⑺ 反向恢复特性

　　按经验反向恢复时间约等于0.8τp，则有trr≤4 μs。而实测最大反向恢复电流Irr=(100～120)A，故其最大反向恢复电荷Qr≤240 μC。

　　⑻ 一般来讲，软因子是由结构、工艺所决定。采用双基区和低阳极浓度就是为保证软因子的要求。

　　三、FRD二极管的制造工艺及说明

　　本课题研制FRD二极管的具体工艺流程如图如下：

　　对其中的关键的工艺说明如下：

　　1)超薄硅片及无应力加工技术

　　FRD5000A-200V课题是低压下的大电流快恢复二极管，在达到反向电压时，实现大电流下的低功耗。为此必须采用超薄硅片，特别是超薄基区的硅芯片。

　　以往二极管的最小硅片厚度0.24，但制做超大电流FRD焊接二极管时，0.24太厚了，将造成正向电压降过高、功耗过大。我们实验的硅片厚度当选用在0.19及以下时，才能达到超大电流电阻焊机要求的功耗水平。

　　这种超薄硅片彻底颠覆了原有二极管的生产工艺，整个从头到尾的操作过程都必须是无应力的。从工装夹具的软接触到工艺过程的软操作，须对员工有明确的精细操作规定。检查标准明确规定不准有碎片的出现，为此软工装系数必须做到100%;尽量采用截面电阻率均匀的硅单晶，使空间电荷区均匀，结电容小，关断时不至于产生过大的反向电流，即过大的能量损耗。

　　2)雪崩技术【5】

　　电阻焊机启动频繁，环境比较恶劣，随时有过压过流现象发生，故对FRD焊接二极管有相当的雪崩能力要求。

　　要实现二极管的高雪崩能力必须采用非穿通结构，且尽量采用低电阻率单晶，以获取尽量高的电场强度。

　　本课题采用电阻率的范围为：(2~15)Ω-cm，令ρn=7Ω-cm，由公式：

　　VB=94ρn0.75 ……………..(4)

　　xm=0.53

……………..(5)

　　经计算得：xm=28 μm，而基区宽度是60 μm，即使ρn=12 Ω-cm对上限ρn=12 Ω-cm，xm=45 μm，说明本设计是非穿通结构。

　　雪崩能力主要由电场强度E所决定，E越大，雪崩能力越强。

　　由公式：E=4010 ND1/8 ………..(6)

　　代入ρn= 2~12 Ω-cm，考虑到：ND=1/qμnρn，

　　经计算得：E=(3.34~2.67)·105 v/cm

　　计算结果表明：所设计二极管器件是具备高雪崩能力的。

　　低电阻率设计还带来漏电流小等的优点，不再赘述。

　　3)低阳极浓度技术【6】

　　普通SD二极管要求有强发射极，尽可能高的少子寿命。

　　强阳极发射区对FRD二极管不合适，FRD的等离子水平必须浅，这样才能使高换流di/dt产生的最大反向恢复电流Irr值变小，进而使反向恢复电荷变小。如图3、图4所示：

　　当阳极浓度取SD二极管浓度，RSP+=0.27时，等效于阳极面P+浓度为NP+≤1·1021cm-3，测得反向恢复电流Irr =300~500 A，反向恢复电荷Qr=1000 μC 以上。当阳极浓度取FRD二极管浓度，RSP+=2.7时，等效于阳极面P+浓度为NP+≤1·1020cm-3，测得反向恢复电流Irr=100 A，反向恢复电荷Qr=200μC 。

　　3) 双基区技术【7】【8】

　　普通SD二极管只用一个基区就够了，对FRD二极管，因为有软度问题，必须采用双基区结构，即在原衬底浓度的基础上，再加一小部分N-区，其浓度比衬底浓度高两个数量级，而比正常通态浓度低一个数量级。

　　N-区扩散是关键工艺，有几种方法都可实现。(1)降低磷预沉积温度方法，(2)陶瓷磷源片方法，(3)二氧化硅乳胶源方法等。例如我们采用第(1)种方法，扩散结果：结深20μm，表面浓度6mv/mA。

　　如图5所示，因为有了N-区，使导通时的非平衡载流子浓度降低了一块，仅使反向恢复电流减少，而且使软度因子增加。

　　采用低阳极浓度技术,虽然也能提高软因子，如使FRRS从0.4提高到0.5~0.7，但幅度还不够。采用双基区结构技术后，就使得FRRS又提高近0.5，达到FRRS ≧1.0。

　　双基区结构可以显著改善二极管软度的道理可以这样理解：在反向恢复到空间电荷区逐步建立，且随电压提高而不断扩大到N-缓冲层后，由于缓冲层浓度高而大大减慢。这样，经过存储时间ta后，缓冲层N-区内还有相当的非平衡载流子未被抽走或复合，从而使得复合时间增加，即tb增加，即反向恢复软因子FRRS增加。

　　4)扩铂+吸收技术【9】

　　为使二极管的反向恢复速度加快，降低基区的少数载流子寿命是必须的。最先进的方法是轻离子辐照，同时铂汲取的局域寿命控制技术;在我国目前还不能很好采用轻离子辐照的情况下，只能采用全域寿命控制技术。常用的全域控制寿命技术有：扩金、扩铂、电子辐照三种方法。纵观三者电子辐照长期可靠性差，扩金漏电流大，而扩铂长期可靠性好，漏电小，但通态电压高。我们选取扩铂方法，在扩铂的同时，进行磷硅玻璃吸收，虽然还达不到轻离子辐照+铂汲取的局域寿命控制的程度，但也能造成基区内少子寿命的有利于通态电压的分布。

　　如图6所示：在决定反向恢复时间的-d一侧的铂浓度Npt最大，少子寿命τp最小;而在对反向恢复影响不大的+ d侧，则铂浓度Npt相对较低，寿命较高，因而通态电压受影响较小。

　　扩铂的温度一般选在940℃，时间在30分~1小时左右。

　　在没有磷硅玻璃吸收的情况下扩铂，通态电压往往超标很多，有了磷硅玻璃吸收时的扩铂，通态电压一般能降低0.5V左右。

　　5)和国际接轨的检测技术

　　新研制生产的FRD5000 A- 200 V器件，要经过和国际接轨的新型测试仪器的严格检测。其中包括静态参数的雪崩电压VRRM、通态峰值电压VFM、浪涌电流IFSM等测试;包括动态参数反向恢复时间trr、反向恢复电流Irr、反向恢复电荷Qr、反向恢复软因子FRRS等测试;还包括特殊参数如反向脉冲方波浪涌功率PRSM，开通时最大峰值电压VFRM，正向恢复时间tfr等测试。

　　四、器件参数的测试

　　研制生产的FRD5000 A - 200 V器件，以2011年2月以后入库器件为例，实测结果统计记录如下表2：