高频电阻焊机用大电流FRD快恢复二极管

  1. 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。
  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，1kHz用焊接二极管已达16000A，10kHz用焊接二极管达到5000A。
  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，它又具低电压、高雪崩特性。
  超大电流FRD快恢复二极管的制造与应用，是近二、三十年的事情。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。他们1kHz用的7100A、12000A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10kHz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图1所示。

 
  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 I_rr、t_rr、Q_r小、F_RRS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 、通态斜率电阻r_F的控制技术；超低结壳热阻 的技术；现代超大电流FRD二极管的检测技术等等。
 
  2. FRD二极管的制造工艺
  FRD二极管的具体工艺流程如图2所示。对其中的关键工艺说明如下。  
  2.1 超薄硅片及无应力加工技术
  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 0.24mm，但制做超大电流 FRD焊接二极管时，0.24mm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 0.19mm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。
  
  2.2 雪崩技术
  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。
 
  2.3 低阳极浓度技术
  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 i值变小，进而使反向恢复电荷变小。如图 4、图 5所示 。
  当阳极浓度取SD二极管浓度，R_SP+=0.27时，等效于阳极面P+浓度为N_p+≤1·10 ²¹cm^-3，测得反向恢复电流I_rr=300～500A，反向恢复电荷Q_r=1000 µC以上。当阳极浓度取FRD二极管浓度 ，R_SP+=2.7时，等效于阳极面P+浓度为N_P+≤1·10²⁰cm^-3，测得反向恢复电流Ir=100A，反向恢复电荷Q_r=200µC。
 
  2.4 双基区技术
  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陶瓷磷源片方法等。例如我们采用第①种方法，扩散结果：结深20µm，表面浓度4mV/mA。
  如图6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F_RRS从 0.4提高到 0.7～1.0，但幅度还不够。采用双基区结构技术后，就使得F_RRS又提高 0.5多，达到F_RRS≥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F_RRS增加。
 
  2.5 扩铂+吸收技术
  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7所示，在决定反向恢复时间的-d一侧的铂浓度N_pt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N_pt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94℃，时间在30～60min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。
 
  3. 大电流FRD快恢复二极管特点
  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必需的关键操作设备，必须大力发展。
  (1)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。即必须采用低阳极浓度技术，必须采用双基区结构，才能使最大反向恢复电流I_rr大大降低，反向恢复电荷Qr大大降低，使反向恢复软因子F_RRS大大提高。
  (2)降低基区少子寿命的措施，在没有轻离子辐照技术的情况下，采用了目前可以实现的扩铂加磷硅玻璃吸收的先进工艺，比较好的实现了基区内的少子寿命分布。
  (3)必须采用二极管雪崩结构，才能确保二极管的雪崩能力，确保器件使用的可靠性。
  (4)必须采用尽可能低的电阻率截面均匀的硅单晶片，实现超薄硅片、超薄基区、超薄壳封装技术，优化了通态电、热参数，达到大量器件直接均流应用。
  (5)整个硅片加工过程必须全面彻底采用无应力技术，才能确保二极管的雪崩能力、通流能力、反向恢复能力。



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