高频电镀用快恢复二极管应用技术
摘要
由高频直流电镀电源对快恢复整流二极管特性参数的要求，结合肖特基二极管的优缺点，从缩短正、反向恢复时间和改进开通、关断特性入手，在电阻焊机用超大电流整流二极管成果的基础上，采用正确控制基区少子寿命、低阳极浓度、阴极区深扩散等方法，成功研制了3000A/200V/20KHz（PIN结构）高频直流电镀电源用快恢复二极管。高频直流电镀电源由于其输出波形的可控性，不仅使电镀速度大大加快，而且使电镀层的质量大大提高，同时又使电源设备的体积大大减少，节电效果显著。
1.课题的提出
以前高频电镀电源所用的快恢复整流二极管都是肖特基二极管结构。这种快恢复整流二极管充分利用肖特基二极管多数载流子导电，因而正、反向恢复时间都短的优势，实现高频高效整流。 功率二极管的正向恢复时间理解为：一个尚未导通的功率二极管在正向电流突然强行经过它时(叫做强制开通)，改变到完全开通状态时所需的时间。在功率二极管完全恢复到开通状态前，正向恢复期间的正向压降要比完全开通状态时的压降高得多，这可能会产生电路电压尖峰。功率二极管的反向恢复时间理解为：一个正向导通的功率二极管在通过它的电压突然反向时(叫做强迫关断)，恢复到阻断状态时所需的时间。功率二极管在反向恢复期间将产生大的反向电流和大的功率损耗，这是研制与应用功率二极管所不希望有的。具有长反向恢复时间的功率二极管类似于具有大寄生电容的功率二极管，具有长正向恢复时间的功率二极管类似于具有大寄生电感的功率二极管。本课题采用通常的PiN 结构制成的快恢复整流二极管实现高频整流及电镀应用。在保证正向、反向恢复时间都达到基本要求的前提下，使快恢复整流二极管既在反向恢复时间内不产生大的反向电流和大的功率损耗，又在正向恢复时间内不产生过大的电路电压尖峰(换言之，就是将寄生电容、电感做到最小)。进而发挥大电流特性，特别是浪涌电流高的优势，实现强电流高频整流及应用。
2.肖特基二极管结构的优缺点
金属和轻掺杂半导体之间的接触是整流接触，又称为肖特基(Schottky)势垒接触。利用这样的整流接触做成的器件，称之为肖特基二极管。肖特基二极管中电荷的运输是靠多数载流子来完成的。因此，与少子注入、过剩载流子的抽取与复合等相关联的现象，并不出现在开通和关断过程中。所以在高频状态下使用肖特基二极管具有优势。
2.1 肖特基二极管的优点
1)反向恢复时间和正向恢复时间都短;
2)在低电流密度(JF<10 A/cm2)下，有比P+-n-N+结构的整流二极管更低的通态电压。
2.2 肖特基二极管的缺点
1)在有限面积的接触处，击穿电压通常会小于100 V;
2)只限于低电流密度（JF<10A/cm2）下应用，如图1所示，当电流密度JF>10A/cm2时，通态电压降急剧增加，直至击穿。
3.基本技术方案
本课题采用的技术方案是在电焊机专用大电流密度整流二极管的科研成果[4]的基础上，如单晶的选取、扩散方法和技术要求、多层金属化的欧姆接触、台面喷砂造型和聚酰亚胺钝化保护、管壳设计等大都是直接借用过来的，并且是经过改进的方案研制的，所以使整个研制工作走了捷径。
本课题采用的技术方案是：
（1）、采用N型（100）和（111）径向，电阻率为pn=（7±5）Ω-cm、厚度H=（180±5）µm、直径Φ=48mm的单晶硅片。
（2）、硅片扩散：P+区表面浓度
；磷扩N+区表面浓度
；基区宽度W约为40µm；控制基区残余少子寿命
，此时τn≥1µs。经低温扩铂使少子寿命控制在τp=3µs上下，在磷硅玻璃吸收下，使铂浓度，进而少子寿命τp有一个近似理想的分布；再用12Mev电子辐照，降低基区少子寿命到τp=（0.8±0.1）µs。（3）、在硅片的两面燕镀钛-镍-金、经台面喷砂造型，去砂清洗腐蚀聚酰亚胺钝化保护、中间测试、装入陶瓷环充氮气冷压焊封装成型、再经全面电参数、动态参数测试合格，最后制成高频电镀直流电源专用功率整流快恢复二极管。
4. P+-i-N+功率二极管频率特性的改进
大电流密度下的P+-i-N+功率二极管的通态特性大大优于肖特基二极管是不言而喻的。问题是如何提高其频率特性，使其接近肖特基二极管的水平。提高开通和关断过程的速度，也就是千方百计缩短由断到开，特别是由开到关的时间，即缩短正向恢复时间tfr和反向恢复时间trr。
4.1 缩短正向恢复时间tfr，改进开通特性
由整流二极管的国际标准可知，正向恢复时间tfr 规定为：在紧接零电压或其他规定的反向电压条件施加规定的阶跃正向电流时，正向电压上升到第一个规定值瞬间和从其峰值VFRM 下降到接近正向电压最终稳定值的第二个规定值瞬间的时间间隔。如图2 所示。
VF*：最终稳定的通态电压，一般取VF*≈VF；
0.1VF*：第一个规定值；
1.1VF*：第二个规定值；
VFRM：开通时的最高峰值电压。
正向恢复特性好的标志是：第一tfr短；第二VFRM不高。
1)、正向恢复时间tfr短，这可以通过缩短基区宽度，减少基区渡越时间来达到。
当确保τn≥1µs时，金考虑电子渡越基区的时间<0.22µs，而真实情况是电子、空穴共同渡越基区，那么渡越时间就更短了(<0.1µs)。因此这即保证了雪崩特性和通态压降较小，又可使正向恢复时间tfr短。这里所以要保证足够大的τn值，是因为τn过小，将导致渡越时间大增。
2)、开通时的最高峰值电压主要由器件杂散(也称寄生)电感在电流上升率发生时的附加电压L·di/dt以及结电压(包括高低结的电压)构成。显然控制过大的杂散电感的产生是关键。这里采用有考究的平板式结构，管壳设计为无伞(伞也叫裙边)薄壳，这都是降低装配杂散电感，确保VFRM 值不高的必要措施。一般来讲，开通对高频应用的影响远不如关断时反向恢复时间以及反向恢复电荷的影响大。为此，提高整流二极管的高频应用能力，要将重点放在对关断特性的改进中。
4.2 降低反向恢复时间trr，改进关断特性
由整流二极管的国际标准知，反向恢复时间trr规定为：当从正向到反向转换时，从电流过零瞬间起，至反向电流由峰值IFM减少到规定低值瞬间(如图3 所示)的时间间隔。
IFM:通态峰值电流；
trr:反向恢复时间；
Qr：恢复电荷（视为图中大三角形面积）；
Trrr：反向恢复电流上升时间；
Trrf：反向恢复电流下降时间；
一般简写为：trrr=ta， trrf=tb， 即trr=trrr+trrf=ta+tb
又定义：（反向恢复）软因子为FRRS=tb/ta，也有定义为：
在研制过程中采取的措施是：
1)通过采取磷硅玻璃、硼硅玻璃吸收和慢降温，先把少子寿命提高到τp=（14±2）µs，目的是提高电子的少子寿命到τn>1µs，确保高频应用时压降不会过大，且正向开通时间tfr短。
2)先低温扩铂再利用阴极面高浓度磷硅玻璃吸收，使少子寿命控制在τp=（3±1）µs，并在基区有一个理想的分布，后采用电子辐照达到最终的关断要求的降低少子寿命的控制技术，既保证了器件长期应用的可靠性，又保证了反向恢复时间的要求，且又可以使器件软关断，即软因子FRRS 增大，反向恢复电荷Qr减小。当反向恢复时间不变的前提下，软因子FRRS增大，即反向恢复电流下降时间trrf增长，实质就是反向恢复电荷Qr 减小了(也就是最大反向恢复电流减小)，这样就实现了关断时不产生过大的反向电流和过大的能量损耗的目的。
3)采用截面电阻率均匀的硅单晶，使空间电荷区宽度均匀，结电容小也是关断时不产生过大的反向电流和过大的能量损耗的措施之一。
4)有意将阳极区的表面浓度做得比阴极区的还要低；且阴极区结深增加，变相实现双基区结构。这都是提高软度因子，降低反向恢复电荷、反向恢复时间的重要措施之一。
5. 器件参数的测试
测试研制生产的器件，以规格是直径48mm/3000A/200V的器件为例，记录实测结果如下所列。
6. 结语
快恢复二极管和普通整流二极管内等离子分布几乎是相反的，为此产生了许许多多方案和各种新结构，如MPS肖特基混合整流二极管等等。但是，所有改进都要受条件、成本以及应用的约束，而最后确定取舍。在当前条件下，我们的研制方案是比较简单又切实可行的一种方案。P+IN+结构高电流密度高频整流二极管的成功开发，对于输出直流电压≥12V范围的大电流高频整流应用，在提高高频整流性能、减小电源装置体积和大幅度提高输出电流容量方面了，是一个贡献。无疑为电源装置的设计制造提供了良好的选择途径。随着国家对电力器件的日益重视，大力开展高性能二极管的研究开发将是我国功率半导体工作者的重要任务。
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