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高频电阻焊机用FRD二极管的研制

www.bjsc312.biz 2014/5/16 11:33:51 来源:赛车pk10软件下载. 电力电子论坛|免费发布产品

本文地址:http://www.bjsc312.biz/neir.asp?newsid=42303
文章摘要:高频电阻焊机用FRD二极管的研制,肉颤心惊佛手柑天条,性反应空话平整。

  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:

  按上述设计和制作的器件不仅大量销售到国内各电阻焊机企业,而且出口欧美、亚洲等许多国家和地区。

  5 结语

  1) 高,中频电阻焊机,是汽车、轮船、飞机、高铁、机器人等大工业发展的关键设备,必须大力发展。高、中频快恢复FRD二极管是高,中频电阻焊机的核心器件,是新型功率半导体器件,必须大力发展。

  2) 发展高、中频快恢复FRD二极管必须采取崭新的现代功率半导体技术。低阳极浓度技术,双基区结构都是必须采用的基本技术。

  3) 降低基区少子寿命也是FRD的关键技术,在没有轻离子辐照+铂汲取局域寿命控制技术的情况下,采用扩铂加磷硅玻璃吸收的工艺是一种可行的方法。

  4) 必须采用二极管雪崩结构,无应力技术贯彻整个加工过程,确保高频焊接二极管的高雪崩能力和快、软恢复能力,确保器件长期使用的可靠性,确保器件直接均流应用。

  5) 所有电、热参数测试,都必须采用和国际接轨的先进测试仪器,才能确保所有出厂产品的先进性。

  6) 紧紧瞄准国际超大电流FRD的新技术发展动向,时刻准备条件开展轻离子辐照+铂原子汲取的技术,开展离子注入+超薄发射区等新技术,开展(100)硅单晶片的应用技术等。

  参考文献:

  【1】 石建东,夏吉夫,潘福泉:电阻焊机用超大电流FRD二极管的现状和发展[J]. 变频技术应用 2011,32(2)

  【2】王兆安,张明勋:电力电子设备设计和应用手册第3版 机械工业出版社 2009

  【3】夏吉夫,郭永亮,潘福泉: 3.5KA/400V高电流密度整流二极管的设计制造 [J] 电力电子技术 2008, 193 (12).

  【4】夏禹清,关艳霞,夏吉夫,潘福泉: 高频电镀用快恢复整流二极管的开发研制 [J] 变频技术应用 2010,25(1)

  【5】游佩武,关艳霞,王毅,汪良恩,潘福泉.:二极管雪崩电压线性正温度特性研究[J]. 变频技术应用,2010, 29

  【6】林德著:功率半导体器件---器件与应用[M] :肖曦等译 机械工业出版社,2009.2(第三章3.3)

  【7】张斌,张海涛,王均平.:超大电流密度低压二极管研究[J].半导体技术,2002,27(10).

  【8】,张海涛,张斌:软恢复二极管新进展—扩散型双基区二极管[D]. 深圳:第八届全国电力电子学会,2002.11

  【9】,董宏伟:扩铂工艺及扩铂器件恢复特性软硬度研究[D]. 哈尔滨:第六届全国电力电子学会,1976.6

  本论文作者:

  夏禹清:女,1985年生,沈阳工业大学硕士,锦州市圣合科技电子有限公司董事长,工程师,研究方向:电力半导体器件。 

    夏吉夫:男,1955年生,高级工程师,锦州市圣合科技电子有限公司总经理,电力电子学会理事 研究方向:电力半导体器件。

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