高壓晶閘管的設(shè)計(jì)與制造

1、高壓晶閘管的設(shè)計(jì)與制造 西安永電公司元件分廠范曉飛摘 要：本文主要介紹了一種高壓晶閘管的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝，并對(duì)部分主要工藝進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。關(guān)鍵詞：放大門極短路發(fā)射極 全壓接 1引言 市場(chǎng)上的電力半導(dǎo)體器件現(xiàn)已有幾十種，它們各有其特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。但在特大功率的工頻應(yīng)用中，晶閘管以其耐壓高，通態(tài)壓降小，是其它電力半導(dǎo)體器件所不能代替的。在大功率工頻可控整流裝置、高壓直流輸電、機(jī)車牽引、動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用場(chǎng)合，晶閘管都占有一定優(yōu)勢(shì)，有著廣闊的應(yīng)用前景。 隨著變流設(shè)備的容量不斷增大，特別是直流輸電的迅猛發(fā)展，要求單只晶閘管的輸出功率大幅度提高，以減少裝置中晶閘管的串、并聯(lián)數(shù)目，這樣不但可以使裝置

2、的體積變小、重量減輕、制造成本下降，而且有利于裝置中各橋臂之間的均流、均壓，從而提高運(yùn)行可靠性，獲得最高的經(jīng)濟(jì)效益。因而，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，大容量、高電壓仍是晶閘管發(fā)展的一個(gè)主要方向。近年來(lái)我們?cè)诰чl管生產(chǎn)中，取得了成功。現(xiàn)將其主要設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝進(jìn)行介紹。 擴(kuò)散工藝 普通晶閘管的區(qū)一般采用開管硼鋁或閉管鎵鋁擴(kuò)散形成，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)一次擴(kuò)散就獲得較深的結(jié)深和較高的表面濃度，而且設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便易行，對(duì)于以下的晶閘管非常實(shí)用。但是當(dāng)電壓大于以后，尤其是電壓5000V以上，用這種工藝制造出來(lái)的管芯就很難達(dá)到設(shè)計(jì)電壓。這就必須改進(jìn)擴(kuò)散工藝。由理論分析可以知道，降低一擴(kuò)的前沿濃度可以使結(jié)加

3、反向電壓時(shí)在型區(qū)的擴(kuò)展寬度加寬，從而降低了電場(chǎng)強(qiáng)度，提高結(jié)的擊穿電壓。在實(shí)際生產(chǎn)中我們首先選用了固溶度低、擴(kuò)散速率快的雜質(zhì)源進(jìn)行一次擴(kuò)散，這樣就很容易在硅中形成一個(gè)深結(jié)深、低濃度的型層。這種擴(kuò)散方法形成的結(jié)前沿濃度較低，且濃度分布比較平緩，有利于空間電荷區(qū)在區(qū)的擴(kuò)展。由于一次擴(kuò)散形成的濃度分布比較平緩，濃度隨結(jié)深的變化幅度小，所以在二次擴(kuò)散時(shí)，短基區(qū)的橫向電阻容易控制，門極參數(shù)比較集中，這對(duì)晶閘管的觸發(fā)特性和動(dòng)態(tài)特性都非常有利。一次擴(kuò)散形成的型區(qū)表面濃度較低，燒結(jié)時(shí)形成的歐姆接觸電阻大，為了降低晶閘管的通態(tài)壓降，在一次擴(kuò)散的基礎(chǔ)上還必須進(jìn)行一次高濃度的擴(kuò)散。擴(kuò)散后的雜質(zhì)濃度分布曲線如圖。圖 擴(kuò)

4、散后的雜質(zhì)濃度分布曲線光刻版的設(shè)計(jì)考慮光刻版設(shè)計(jì)的好壞除對(duì)晶閘管的觸發(fā)特性有很大的影響以外，對(duì)晶閘管的動(dòng)態(tài)特性（如、等）也尤為關(guān)鍵。一次擴(kuò)散采用低濃度的雜質(zhì)源后，區(qū)的薄層電阻將會(huì)很大，在其它條件不變的情況下，放大門極的橫向電阻相應(yīng)的變大，這就使得門極需要提供的觸發(fā)電流變小。如果門極觸發(fā)電流過(guò)小，晶閘管容易被誤觸發(fā)，這就需要對(duì)晶閘管的門極參數(shù)做出調(diào)整。通常對(duì)晶閘管的門極觸發(fā)電流進(jìn)行調(diào)整只需要改變擴(kuò)磷結(jié)深就可以實(shí)現(xiàn)，但是由于一次擴(kuò)散的濃度分布比較平緩，單純的改變擴(kuò)磷結(jié)深對(duì)門極觸發(fā)電流影響不大，還需要對(duì)光刻板尺寸進(jìn)行調(diào)整，這樣才能將門極參數(shù)調(diào)整到合適的范圍內(nèi)。關(guān)于/一般采用放大門極結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜

5、的放大門極圖形，延長(zhǎng)門極對(duì)陰極的作用線長(zhǎng)度，并合理設(shè)置放大門極和陰極第一圈短路點(diǎn)，使放大門極起作用。在加門極觸發(fā)電流時(shí)，放大門極首先導(dǎo)通，從陽(yáng)極流過(guò)來(lái)的電流經(jīng)過(guò)放大門極與門極觸發(fā)電流疊加去觸發(fā)陰極。只要放大門極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，就可以使耐量得到顯著提高。提高最顯著的方法就是采用短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)，通過(guò)在陰極面設(shè)置短路點(diǎn)，使得由所產(chǎn)生的位移電流橫向流過(guò)2基區(qū)后，經(jīng)短路點(diǎn)流到陰極，從而a2，不受位移電流的影響。采用短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)能使的耐量從每微秒幾十伏增大到每微秒幾千伏。但要注意的是一次擴(kuò)散的2區(qū)薄層電阻很大，為降低位移電流在2區(qū)所產(chǎn)生的橫向壓降，就必須減小短路點(diǎn)之間的距離，在陰極面設(shè)置小而密的短路點(diǎn)，增

6、加陰極面短路點(diǎn)密度，使得位移電流在2區(qū)所產(chǎn)生的橫向壓降小于3結(jié)的開放電壓。燒結(jié)高電壓、大容量的晶閘管芯片直徑較大，如果采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方式，則硅片和鉬片之間由于熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)晶閘管的性能將有很大的影響，因此我們采用兩面蒸鋁、不燒結(jié)鉬片的單片結(jié)構(gòu)。 臺(tái)面造型如圖所示，采用單片結(jié)構(gòu)后，如果臺(tái)面還磨正、負(fù)斜角，由于正角要磨過(guò)1結(jié)，磨的很深，硅片邊緣很薄，容易產(chǎn)生崩邊，對(duì)晶閘管的反向電壓會(huì)造成很大的影響。而采用雙負(fù)角結(jié)構(gòu)后，陰、陽(yáng)極的負(fù)角都只需要磨過(guò)一擴(kuò)結(jié)深即可，硅片邊緣的厚度還很厚，不容易造成崩邊。雙負(fù)角還有一個(gè)好處就是可以減少磨角對(duì)陰極面造成的損失。圖2 正負(fù)斜角和雙負(fù)角臺(tái)面造型比較 封裝結(jié)構(gòu)因芯片采用單片結(jié)構(gòu)，沒(méi)有燒結(jié)鉬片，芯片的強(qiáng)度較低，所以封裝采用全壓接封裝結(jié)構(gòu)。如圖所示，芯片的 陰、陽(yáng)極面各壓一片鉬片，鉬片的平行度、平面度，表面粗糙度都要達(dá)到一定的要求，否則可能因?yàn)殂f片表面不平而將芯片壓碎。再將芯片和鉬片一塊裝入管殼，引出電極。另外，管殼的平行度、平面度、表面粗糙度在設(shè)計(jì)時(shí)也有嚴(yán)格的要求。圖全壓接管殼封裝示意圖結(jié)束語(yǔ)采用先擴(kuò)低濃度雜質(zhì)，再擴(kuò)高濃度雜質(zhì)的擴(kuò)散方法、加之雙負(fù)角造型工藝，可以很容易使晶閘管的電壓達(dá)到 ，再通過(guò)合理的光刻版設(shè)計(jì)，可以使其具有優(yōu)良的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。參考文獻(xiàn)【】孟慶宗，王正鳴毫米千