高频电阻焊机用FRD二极管的研制.doc

高频电阻焊机用FRD二极管的研制一、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，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 A10000A。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） 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） 反向脉冲方波浪涌功率P RSM100 kW （脉宽20s，TJM）（7）VFM/IFM1.15 V/5000A ( Tj= 25 ，Tjm)（8）Rthjs=0.01 /W（9） 反向恢复特性：trr5 s, Irr120 A, Qr220 C（10）反向恢复软因子FRRS1.52）芯片相关参数 【3】：（1）直径= 48（2）厚度H= 0.18（3） 斜角边宽 b15.2 cm 2（5）平均电流密度J F(AV)=162 A/cm 2（6）峰值电流密度JFM=509 A/cm 2（7）扩散后少子寿命p=13 s，扩铂后少子寿命p5 s。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。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。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。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0.71.0，但幅度还不够。采用双基区结构技术后，就使得FRRS又提高0.5多，达到FRRS 1.5。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p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