高頻電阻焊機用FRD二極管的研制.doc

高頻電阻焊機用FRD二極管的研制一、高頻電阻焊機和超大電流FRD高頻電阻焊機和焊接機器人的發(fā)展蓬蓬勃勃，方興未艾，這是現(xiàn)代自動化大工業(yè)的一大亮點。高頻電阻焊機和焊接機器人對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，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 A10000A。當(dāng)整流二極管發(fā)展到超大電流時，必須是低功耗、低熱阻、快軟恢復(fù)，結(jié)合電焊機，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大量進入中國。然而更先進的10 kHz用高頻焊接二極管，卻還未見報導(dǎo)。高頻電阻焊機和焊接機器人常用的電路如下【2】：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)難點是：超薄硅片的研磨、清洗、擴散、合金、臺面造型、鈍化保護等新技術(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二極管的檢測技術(shù)等等。我們研制的是FRD5000 A - 200 V -10 kHZ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)計計算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） I F(AV)= 5000 A (Tc=100)（2） I FSM= 45000 A（3） V RRM= 200 V(Tjm=170)（4） I RRM 50 mA (Tjm)（5） V RSM= V RRM = 200 V(雪崩型T=25 ，Tjm)（6） 反向脈沖方波浪涌功率P RSM100 kW （脈寬20s，TJM）（7）VFM/IFM1.15 V/5000A ( Tj= 25 ，Tjm)（8）Rthjs=0.01 /W（9） 反向恢復(fù)特性：trr5 s, Irr120 A, Qr220 C（10）反向恢復(fù)軟因子FRRS1.52）芯片相關(guān)參數(shù) 【3】：（1）直徑= 48（2）厚度H= 0.18（3） 斜角邊寬 b15.2 cm 2（5）平均電流密度J F(AV)=162 A/cm 2（6）峰值電流密度JFM=509 A/cm 2（7）擴散后少子壽命p=13 s，擴鉑后少子壽命p5 s。3）產(chǎn)品設(shè)計計算設(shè)計計算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)計計算都是和具體可行的工藝相結(jié)合的。對其中的關(guān)鍵的工藝說明如下：1） 超薄硅片及無應(yīng)力加工技術(shù)FRD5000A-200V課題是低壓下的大電流快恢復(fù)二極管，在達(dá)到反向電壓時，實現(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0.24，但制做超大電流FRD焊接二極管時，0.24太厚了，將造成正向電壓降過高、功耗過大。我們實驗的硅片厚度當(dāng)選用在0.19及以下時，才能達(dá)到超大電流電阻焊機要求的功耗水平。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】電阻焊機啟動頻繁，環(huán)境比較惡劣，隨時有過壓過流現(xiàn)象發(fā)生，故對FRD焊接二極管有相當(dāng)?shù)难┍滥芰σ?。要實現(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強度。3）低陽極濃度技術(shù)【6】普通SD二極管要求有強發(fā)射極，盡可能高的少子壽命。強陽極發(fā)射區(qū)對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，進而使反向恢復(fù)電荷變小。因為有了N-區(qū)，使導(dǎo)通時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0.71.0，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0.5多，達(dá)到FRRS 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)過存儲時間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)合時間增加，即tb增加，即反向恢復(fù)軟因子FRRS增加。4）擴鉑+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。最先進的方法是輕離子輻照，同時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：擴金、擴鉑、電子輻照三種方法?？v觀三者電子輻照長期可靠性差，擴金漏電流大，而擴鉑長期可靠性好，漏電小，但通態(tài)電壓高。我們選取擴鉑方法，在擴鉑的同時，進行磷硅玻璃吸收，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6所示：在決定反向恢復(fù)時間的-d一側(cè)的鉑濃度Npt最大，少子壽命p最?。欢趯Ψ聪蚧謴?fù)影響不大的+ d側(cè)，則鉑濃度Npt相對較低，壽命較高，因而通態(tài)電壓受影響較小。擴鉑的溫度一般選在940，時間在30分1小時左右。在沒有磷硅玻璃吸收的情況下擴鉑，通態(tài)電壓往往超標(biāo)很多，有了磷硅玻璃吸收時的擴鉑，通態(tài)電壓一般能降低0.5V左右。5）和國際接軌的檢測技術(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試儀器的嚴(yán)格檢測。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等測試；包括動態(tài)參數(shù)反向恢復(fù)時間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等測試；還包括特殊參數(shù)如反向脈沖方波浪涌功率PRSM，開通時最大峰值電壓VFRM，正向恢復(fù)時間tfr等測試。四、器件參數(shù)的測試研制生產(chǎn)的FRD5000 A - 200 V器件，以2011年2月以后入庫器件為例，實測結(jié)果統(tǒng)計記錄如下表2：按上述設(shè)計和制作的器件不僅大量銷售到國內(nèi)各電阻焊機企業(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，是汽車、輪船、飛機、高鐵、機器人等大工業(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)測試，都