摘要：闡述了高頻電阻焊機對超大電流FRD快恢復整流二極管的需求和技術特征。給出了FRD5000A-200V-10kHz二極管的設計計算書，采用超薄硅片技術、低陽極濃度技術、帶有緩沖層的雙基區技術、保留磷硅玻璃層的擴鉑技術、雪崩二極管技術以及整個加工過程的無應力技術和先進的測試技術，完成了10 kHz電阻焊機用FRD5000A-200V器件的制作和批量生產任務。新能源 電源

　　關鍵詞：高頻電阻焊機,FRD,低陽極濃度,雙基區,擴鉑吸收,雪崩

　　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展蓬蓬勃勃，方興未艾方興未艾，這是現代自動化大工業的一大亮點。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代快恢復二極管的所有特點，而且還有其自身的特殊性[1]。

　　首先，因制造業的需求與器件制造水準的不斷提升，其電流容量越來越高，1 kHz用焊接二極管已達16000A，10kHz用焊接二極管達到5000 A~10000A。

　　當整流二極管發展到超大電流時，必須是低功耗、低熱阻、快軟恢復，結合電焊機，它又是低電壓、高雪崩特性。

　　超大電流FRD快恢復二極管的制造與應用，是近幾十年的事情。它首先由歐洲的ABB、EUPEC依據電阻焊機發展需求而開發出來的。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。

　　

　　超大電流FRD焊接二極管與普通二極管的本質區別就是高雪崩、快軟恢復。

　　開發生產超大電流FRD整流二極管的技術難點是：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;超薄管殼和無管殼封裝技術;特殊的多層金屬化歐姆接觸技術;大功率高雪崩特性技術;現代最新FRD技術(包含反向恢復特性Irr、trr、Qr小、FRRS大的技術);優化的局域少子壽命減低技術;可以直接并聯連接的正向通態峰值電壓以及超低門檻電壓VF、通態斜率電阻rF的控制技術;超低結殼熱阻Rthcj的技術;現代超大電流FRD二極管的檢測技術等等。

　　我們研制的是FRD5000 A - 200 V -10 kHZ高頻電阻焊機專用快恢復整流二極管。

　　二、 FRD5000A- 200V-10kHz快恢復整流二極管的設計計算

　　1) 5000 A/200 V/10 kHz快恢復FRD二極管的主要技術參數

　　(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) PRSM>100 kW(脈寬20μs，TJM)

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

　　(8) Rthjs=0.01 ℃/W

　　(9) trr≤4 μs, Irr≤120 A, Qr≤220 μC

　　(10)反向恢復軟因子FRRS≥1.0

　　2)芯片相關參數[3]：

　　(1)直徑Φ= 48

　　(2)厚度H= 0.18

　　(3) 斜角邊寬 b< 1.8

　　(4)陰極有效面積Sy>15.2 cm2

　　(5)平均電流密度JF(AV)=162 A/cm2

　　(6)峰值電流密度JFM=509 A/cm2

　　(7)擴散后少子壽命τp=13 μs，擴鉑后少子壽命τp≤4 μs。

　　3)產品設計計算

　　設計計算FRD5000 A/200 V/10 kHZ快恢復整流二極管技術參數所依據的主要公式，均參照資料[3][4] 所給出;所有技術參數的設計計算都是和具體可行的工藝相結合的。

　　⑴ 反向重復峰值電壓VRRM

　　設計計算反向電壓VRRM所依據的公式為: VB=96ρn0.75, xm=0.53()21nBVρ⋅。

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　降過高、功耗過大。我們實驗的硅片厚度當選用在0.19及以下時，才能達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工藝，整個從頭到尾的操作過程都必須是無應力的。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操作規定。檢查標準明確規定不準有碎片的出現，為此軟工裝系數必須做到100%;盡量采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區均勻，結電容小，關斷時不至于產生過大的反向電流，即過大的能量損耗。

　　2)雪崩技術[5]

　　電阻焊機啟動頻繁，環境比較惡劣，隨時有過壓過流現象發生，故對FRD焊接二極管有相當的雪崩能力要求。

　　要實現二極管的高雪崩能力必須采用非穿通結構，且盡量采用低電阻率單晶，以獲取盡量高的電場強度。

　　本課題采用電阻率的范圍為：(2~15)Ω-cm，令ρn=7Ω-cm，由公式：

　　VB=94ρn0.75 ……………..(4)

　　xm=0.53()12BnVρ⋅ ……………..(5)

　　經計算得：xm=28 μm，而基區寬度是60 μm，即使ρn=12 Ω-cm對上限ρn=12 Ω-cm，xm=45 μm，說明本設計是非穿通結構。

　　雪崩能力主要由電場強度E所決定，E越大，雪崩能力越強。

　　由公式：E=4010 ND1/8 ………..(6)

　　代入ρn= 2~12 Ω-cm，考慮到：ND=1/qμnρn，經計算得：E=(3.34~2.67)·105 v/cm

　　計算結果表明：所設計二極管器件是具備高雪崩能力的。

　　低電阻率設計還帶來漏電流小等的優點，不再贅述。

　　3)低陽極濃度技術[6]

　　普通SD二極管要求有強發射極，盡可能高的少子壽命。

　　強陽極發射區對FRD二極管不合適，FRD的等離子水平必須淺，這樣才能使高換流di/dt產生的最大反向恢復電流Irr值變小，進而使反向恢復電荷變小。如圖3、圖4所示：

　　當陽極濃度取SD二極管濃度，RSP+=0.27時，等效于陽極面P+濃度為NP+≤1·1021cm-3，測得反向恢復電流Irr =300~500 A，反向恢復電荷Qr=1000 μC 以上。當陽極濃度取FRD二極管濃度，RSP+=2.7時，等效于陽極面P+濃度為NP+≤1·1020cm-3，測得反向恢復電流

　　

　　Irr=100 A，反向恢復電荷Qr=200μC 。

　　3) 雙基區技術[7][8]

　　普通SD二極管只用一個基區就夠了，對FRD二極管，因為有軟度問題，必須采用雙基區結構，即在原襯底濃度的基礎上，再加一小部分N-區，其濃度比襯底濃度高兩個數量級，而比正常通態濃度低一個數量級。

　　N-區擴散是關鍵工藝，有幾種方法都可實現。(1)降低磷預沉積溫度方法，(2)陶瓷磷源片方法，(3)二氧化硅乳膠源方法等。例如我們采用第(1)種方法，擴散結果：結深20μm，表面濃度6mv/mA。

　　如圖5所示，因為有了N-區，使導通時的非平衡載流子濃度降低了一塊，僅使反向恢復電流減少，而且使軟度因子增加。

　　采用低陽極濃度技術,雖然也能提高軟因子，如使

　　FRRS從0.4提高到0.5~0.7，但幅度還不夠。采用雙基區結構技術后，就使得FRRS又提高近0.5，達到FRRS ≧1.0。

　　雙基區結構可以顯著改善二極管軟度的道理可以這樣理解：在反向恢復到空間電荷區逐步建立，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，經過存儲時間ta后，緩沖層N-區內還有相當的非平衡載流子未被抽走或復合，從而使得復合時間增加，即tb增加，即反向恢復軟因子FRRS增加。

　　4)擴鉑+吸收技術[9]

　　為使二極管的反向恢復速度加快，降低基區的少數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;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。常用的全域控制壽命技術有：擴金、擴鉑、電子輻照三種方法。縱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，但也能造成基區內少子壽命的有利于通態電壓的分布。

　　

　　

　　濃度Npt最大，少子壽命τp最小;而在對反向恢復影響不大的+ d側，則鉑濃度Npt相對較低，壽命較高，因而通態電壓受影響較小。

　　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，通態電壓往往超標很多，有了磷硅玻璃吸收時的擴鉑，通態電壓一般能降低0.5V左右。

　　5)和國際接軌的檢測技術

　　新研制生產的FRD5000 A- 200 V器件，要經過和國際接軌的新型測試儀器的嚴格檢測。其中包括靜態參數的雪崩電壓VRRM、通態峰值電壓VFM、浪涌電流IFSM等測試;包括動態參數反向恢復時間trr、反向恢復電流Irr、反向恢復電荷Qr、反向恢復軟因子FRRS等測試;還包括特殊參數如反向脈沖方波浪涌功率PRSM，開通時最大峰值電壓VFRM，正向恢復時間tfr等測試。

　　四、器件參數的測試

　　研制生產的FRD5000 A - 200 V器件，以2011年2月以后入庫器件為例，實測結果統計記錄如下表2：

　　

　　按上述設計和制作的器件不僅大量銷售到國內各電阻焊機企業，而且出口歐美、亞洲等許多國家和地區。

　　5 結語

　　1) 高，中頻電阻焊機，是汽車、輪船、飛機、高鐵、機器人等大工業發展的關鍵設備，必須大力發展。高、中頻快恢復FRD二極管是高，中頻電阻焊機的核心器件，是新型功率半導體器件，必須大力發展。

　　2) 發展高、中頻快恢復FRD二極管必須采取嶄新的現代功率半導體技術。低陽極濃度技術，雙基區結構都是必須采用的基本技術。

　　3) 降低基區少子壽命也是FRD的關鍵技術，在沒有輕離子輻照+鉑汲取局域壽命控制技術的情況下，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構，無應力技術貫徹整個加工過程，確保高頻焊接二極管的高雪崩能力和快、軟恢復能力，確保器件長期使用的可靠性，確保器件直接均流應用。

　　5) 所有電、熱參數測試，都必須采用和國際接軌的先進測試儀器，才能確保所有出廠產品的先進性。

　　6) 緊緊瞄準國際超大電流FRD的新技術發展動向，時刻準備條件開展輕離子輻照+鉑原子汲取的技術，開展離子注入+超薄發射區等新技術，開展(100)硅單晶片的應用技術等。

　　參考文獻：

　　[1] 石建東等：電阻焊機用超大電流FRD二極管的現狀和發展[J]. 變頻技術應用 2011，32(2)

　　[2]王兆安,張明勛：電力電子設備設計和應用手冊第3版 機械工業出版社2009

　　[3]夏吉夫等： 3.5KA/400V高電流密度整流二極管的設計制造[J] 電力電子技術 2008, 193 (12).

　　[4]夏禹清等：高頻電鍍用快恢復整流二極管的開發研制[J] 變頻技術應用 2010，25(1)

　　[5]游佩武等.：二極管雪崩電壓線性正溫度特性研究[J]. 變頻技術應用，2010, 29

　　[6]林德著：功率半導體器件---器件與應用[M] ：肖曦等譯 機械工業出版社，2009.2(第三章3.3)

　　[7]張斌，張海濤，王均平.：超大電流密度低壓二極管研究[J].半導體技術,2002,27(10).

　　[8]張海濤，張斌：軟恢復二極管新進展—擴散型雙基區二極管[D]. 第八屆全國電力電子學會，2002.11

　　[9]，董宏偉：擴鉑工藝及擴鉑器件恢復特性軟硬度研究[D]. 第六屆全國電力電子學會,1976.6

　　作者：

　　夏禹清：女，碩士，錦州市圣合科技電子有限公司董事長，研究方向：電力半導體器件