岳辰云
摘要:本文從保證產(chǎn)品質(zhì)量,節(jié)約資源,降低成本的角度出發(fā),分析論證了大功率硅整流二極管基片以可伐替代鉬的可行性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證,具有推廣價(jià)值。
Abstract: From the point of guaranteeing product quality, saving resources and reducing cost, this paper analyzes and demonstrates the feasibility of using Kovar to replace molybdenum in high power silicon rectifier diode substrate. Verified by experiment, it is worth promoting.
關(guān)鍵詞:硅整流;二極管;管芯基片;可伐代鉬
Key words: Silicon rectifier;diode;core chip;replacing molybdenum with Kovar
中圖分類號(hào):TN111 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-4311(2017)04-0088-02
0 引言
自20世紀(jì)60年代大功率半導(dǎo)體器件研制生產(chǎn)以來(lái),這類器件多以硅單晶為基礎(chǔ)材料,利用硅單晶P-N結(jié)的單向?qū)щ娞匦远瞥蒣1]。由于硅片材料硬而脆的物理性質(zhì),導(dǎo)致在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法承受較大的應(yīng)力,極易在硅片體內(nèi)形成悶傷或者是產(chǎn)生碎裂現(xiàn)象。為避免這一情況的發(fā)生,在硅片上下各增加一塊稀有金屬鉬制成的墊片,這種方法一直沿用至今。鉬是一種昂貴的稀有金屬,從降低成本、節(jié)約資源的角度考慮,人們一直在尋找一種新的金屬材料來(lái)取代鉬片。20世紀(jì)80年代初,就有人嘗試過(guò)用銅材料來(lái)做管芯基片,憑借銅片良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能,通過(guò)試驗(yàn)取得了成功,并于1985年大批量的用于二極管的生產(chǎn)中。之后也有人做過(guò)以鐵代鉬的探索,通過(guò)反復(fù)的實(shí)踐試驗(yàn),證明以鐵代鉬的工藝也是可行的,并且還大量的用于汽車整流二極管的生產(chǎn)。但是銅片和鐵片的熱膨脹系數(shù)與硅片相差較大,在二極管工藝中替代鉬片的方法,僅在一定的功率范圍內(nèi)是可行的[2]。
隨著可伐合金工藝的發(fā)展,再加上其熱膨脹系數(shù)與硅片相接近,以可伐合金代替鉬片成了一個(gè)新的思路,借助過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)以及反復(fù)的試驗(yàn)論證,發(fā)現(xiàn)整流二極管的雙面基片不僅可以用銅、鐵來(lái)替代鉬片,還可以用可伐合金來(lái)替代鉬。
1 選用鉬片做二極管管芯基片的原因
在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體整流二極管的生產(chǎn)工藝中,選用鉬片做二極管管芯基片的原因,主要考慮到以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
1.1 金屬鉬與硅的線性熱膨脹系數(shù)相接近
如表1所示,相比與其他的金屬材料,鉬與硅材料的線性熱膨脹系數(shù)最接近,由于二極管都會(huì)存在一定的正向電壓降,當(dāng)整流二極管處于正常工作狀態(tài)時(shí),正向?qū)〞?huì)產(chǎn)生大量的熱量,鉬片和硅芯片在受熱的狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生一定的線性熱膨脹,因?yàn)閮烧叩木€性熱膨脹系數(shù)相近,鉬片給管芯帶來(lái)的熱應(yīng)力較小,不會(huì)引起硅片的碎裂,對(duì)半導(dǎo)體器件的電性能影響也不大。
1.2 金屬鉬的硬度大
從表1可以看出,鉬在幾種金屬中硬度是較大的,機(jī)械強(qiáng)度高,在受外力的作用時(shí)不容易發(fā)生形變,能很好的保護(hù)硅芯片。
1.3 良好的導(dǎo)熱性能
鉬片的熱導(dǎo)率較高,導(dǎo)熱能力較好,能很好的傳遞出硅芯片在正常工作中產(chǎn)生的熱量,幫助硅芯片散熱,防止二極管管芯由于溫度過(guò)高而損壞。
1.4 優(yōu)良的導(dǎo)電能力,可用作引出電極
2 可伐片代鉬片的可行性分析
可伐合金是鐵鈷鎳三種金屬的合金,其中鐵的含量為54%,鎳28%,鈷18%。我們將可伐合金的物理性質(zhì)與表1中的各材料做個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比,可伐合金的熱膨脹系數(shù)是幾種金屬中與硅片最接近的,如果以可伐代鉬,在正常工作中產(chǎn)生的線性熱膨脹對(duì)二極管的電性能的影響是最小的;另外,可伐合金的硬度比鉬片高,受力不易產(chǎn)生形變,能比鉬片承受更大的應(yīng)力,可以更好的保護(hù)硅片;可伐合金的電阻率比鉬高,熱導(dǎo)率只有鉬的五分之一,導(dǎo)電導(dǎo)熱性能沒(méi)有鉬片好,但在以可伐代鉬的試驗(yàn)中,電流等級(jí)160A以下的整流二極管并未發(fā)現(xiàn)管芯過(guò)熱失效的情況,正向壓降也沒(méi)有太大的變化。
這里我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析,圖1是整流二極管的結(jié)構(gòu)圖,圖中A和B的大小根據(jù)管芯的功率來(lái)確定,如圖1所示,硅芯片和上下兩個(gè)基片不是直接夾在一起的,中間有一層鉛錫層,將三層緊密的焊接在一起。同時(shí)在整流二極管的生產(chǎn)過(guò)程中,硅片和上下兩個(gè)基片表面都會(huì)鍍上鎳層,通過(guò)高溫退火,在表面形成一層鎳的合金層,一方面提高沾錫性能,形成良好的歐姆接觸層;另一方面也增加了它的導(dǎo)電能力。因此,可伐合金的較高的電阻率未對(duì)整流二極管的導(dǎo)電能力產(chǎn)生較大的影響。
另外,整流二極管這種類似三明治的結(jié)構(gòu),在硅片與基片間都存在一層鉛錫層,在整流二極管正常工作中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱量會(huì)被中間的鉛錫層吸收釋放了一部分;并且隨著半導(dǎo)體技術(shù)水平的提高,整流二極管的散熱方式也有了很大的改善,甚至于還產(chǎn)生了很多專門(mén)針對(duì)整流二極管的散熱裝置。
從上面的論證結(jié)果來(lái)看,整流二極管以可伐片替代鉬片的方式是可行的。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證以及結(jié)果
①試驗(yàn)準(zhǔn)備:取一批擴(kuò)散完成、小樣測(cè)試合格的硅片,在硅片表面鍍上一層鎳的合金層,然后再割成電流等級(jí)30A大小的圓片。
②試驗(yàn)過(guò)程:將割好的圓片平均分成兩份,一份用鉬片作為基片,一份用可伐片作為基片,按工藝要求進(jìn)行搪錫、表面處理,然后嚴(yán)格按照整流二極管的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫和高溫下的電壓測(cè)試和正向壓降測(cè)試。
③試驗(yàn)結(jié)果:管芯通過(guò)室溫、高溫測(cè)試反向漏電流IR,正向平均電壓降VF,其成品率分別為89.1%和89.9%,從測(cè)試合格的管芯中隨機(jī)抽取10只管芯,其測(cè)試數(shù)據(jù)如下:表2為室溫反向漏電流IR的測(cè)試結(jié)果,其測(cè)試條件為反向峰值電壓VRSM=1600V,要求其漏電流IRSM≤3μA;表3為正向平均電壓降VF的測(cè)試結(jié)果,其測(cè)試條件為正向電流I=30A,要求正向平均電壓降VF≤1.2V。
上述測(cè)試結(jié)果均在范圍內(nèi),對(duì)測(cè)試合格的管芯經(jīng)過(guò)高溫存放、高溫反偏和高低溫循環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)的結(jié)果也全部符合要求。從試驗(yàn)的結(jié)果我們可以看出,以可伐片代鉬片生產(chǎn)出的大功率整流二極管各項(xiàng)電壓特性均能符合要求。
4 經(jīng)濟(jì)效益
從經(jīng)濟(jì)效益的層面上來(lái)看,鉬是一種昂貴的稀有金屬,其價(jià)格每噸達(dá)到三十幾萬(wàn)元,而可伐合金的每噸價(jià)格只有鉬的三分之一左右,兩者的價(jià)格相差較大,其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的,因此,整流二極管以可伐片替代鉬片這項(xiàng)工藝從降低成本提高效益的角度來(lái)看是值得使用和推廣的。
5 結(jié)論
通過(guò)以上論證和試驗(yàn)驗(yàn)證,大功率整流二極管可伐片替代鉬片這項(xiàng)工藝是可行的。在近幾年的生產(chǎn)中,使用這項(xiàng)工藝改進(jìn)生產(chǎn)出來(lái)的整流二極管產(chǎn)品性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也節(jié)約了資源、降低了成本,提高了生產(chǎn)效益。實(shí)踐證明,在生產(chǎn)過(guò)程中,只要敢于探索,就能夠發(fā)現(xiàn)新的材料、新的方法。
參考文獻(xiàn):
[1]電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究院.可控硅整流元件制造工藝[M].北京:科學(xué)出版社,1971.
[2]莫黨.半導(dǎo)體材料[M].上海:科技出版社,1963.
[3]施敏.現(xiàn)代半導(dǎo)體物理器件[M].北京:科學(xué)出版社,2001.