田苗

摘 要：針對航空電源系統(tǒng)對大功率整流管的需求不斷增大，文中從歐姆接觸理論出發(fā)，闡述了鋁材料作為歐姆接觸材料的優(yōu)勢，研究了適合本單位現有生產條件下的燒鋁工藝，又依據用戶需求，將燒鋁工藝應用在正向額定電流400 A、反向峰值電壓1 600 V、最高工作結溫180℃、反向恢復時間1 μs的快恢復整流管芯片并進行了試驗研究。

關鍵詞：歐姆接觸；燒鋁工藝；平板壓接式整流管；航空電源

中圖分類號：TP39；TK17 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-04

0 引 言

隨著航空電源技術的快速發(fā)展，對正向電流200 A以上大功率器件的需求正不斷增大。目前正向電流大于200 A的整流管一般采用平板壓接式封裝[1]，與螺栓型整流管相比，平板壓接式整流管各零件層之間沒有焊料的干性接觸，在溫度循環(huán)和功率循環(huán)中，允許不同層之間彼此有輕微滑動，這種非疲勞結構可有效避免焊料產生熱疲勞，在重復功率循環(huán)或高低溫循環(huán)時，導致出現現場失效的問題[2]。同時，平板壓接式結構的整流管可兩面散熱，有效降低了結溫升，降低了整流管的功耗，提高了器件的可靠性。

燒鋁工藝是平板壓接式整流管引出電極的主要方法，通過鋁硅鉬合金與引線接觸達到與外部電路導通的目的。因此，本文主要結合目前已有的設備條件，研究了燒鋁工藝的具體工藝參數，及其在平板壓接式整流管的應用試驗，為研制多種形式的封裝器件以及整流模塊奠定了基礎。

1 理論分析

1.1 歐姆接觸

金屬導體接觸基本可分為兩大類，即歐姆接觸和整流接觸[3]。當器件加正向和反向峰值電壓時，歐姆接觸具有線性且對稱的I-V特性，與器件的體電阻相比，接觸電阻可忽略不計。因接觸電阻上的壓降增加了不需要的功率損耗，因此將降低系統(tǒng)的效率。在半導體器件與外部電路的信號轉換過程中，歐姆接觸起著非常重要的作用。

1.2 歐姆接觸良好的必要性

歐姆接觸不好，一方面影響粘接強度，另一方面增加了接觸電阻。對于大功率整流管而言，電流增大，電阻增加少許，不僅會大大增加功率損耗，還將使器件發(fā)熱，結溫上升，致使整流管性能惡化或整流管損壞。因此，歐姆接觸技術是大功率整流管管芯研制制備的關鍵。

1.3 鋁作為歐姆接觸材料的優(yōu)勢

考慮到大功率整流二極管的合金材料問題，選擇在P+重摻雜區(qū)與P型合金材料進行高溫燒結，形成歐姆接觸。對于陽極歐姆接觸的燒結，生產中多采用鋁薄片與硅片P+層進行合金燒結。P+層由大量Ⅲ族元素做為受主雜質摻雜形成，最常用的受主雜質是Ⅲ族元素的鋁或硼，鋁箔與P+層燒結后形成的再結晶層中，含有大量鋁原子，其受主雜質濃度相比于原硅片P區(qū)的濃度得到大幅提高，使得再結晶層的電阻率很低，實現了歐姆接觸的目的[4]。

2 燒鋁工藝的研究

采用熱膨脹系數與硅接近的鉬片與硅片焊接，避免芯片由于熱應力導致失效。因此，鋁和鉬片的工藝處理對硅片燒鋁有重要影響。目前歐姆接觸技術主要是燒鋁工藝，其工藝流程如圖1所示。

根據流程，燒鋁工藝方法主要研究以下幾點：

（1） 研究鋁箔清洗方法與鉬片的清洗腐蝕方法；

（2） 研究鋁箔厚度與合金參數的匹配性，及鋁箔的減薄方法；

（3） 研究燒鋁工藝參數。

2.1 鋁箔的清洗方法

燒鋁工藝采用的鋁箔是高純材料，其清洗試驗見表1所列。

通過以上試驗，最終將鋁箔按照無水乙醇—丙酮—無水乙醇的順序進行超聲清洗，每次10 min，再用冷去離子水沖洗干凈，自然晾干。

2.2 鉬片的清洗腐蝕方法

鉬片去油清洗參考鋁箔的清洗方法，清洗后鉬片表面光亮，無油污。

鉬片的腐蝕方法也是歐姆接觸工藝的難點，參考資料中腐蝕液的配比為H2O2∶H2O∶NaOH=1∶5∶少量，因NaOH的量沒有明確給出，因此需要不斷摸索試驗。試驗總結見表2所列。

采用H2O2和少量NaOH去除腐蝕液中的去離子水，為防止烘干方式影響結果，試驗3、4、5腐蝕后均采用真空烘箱烘烤。試驗結果表明，試驗4腐蝕后的鉬片表面發(fā)亮、均勻，效果最好。

鉬片的清洗腐蝕按照無水乙醇—丙酮—無水乙醇的順序進行超聲清洗，每次10 min，用冷去離子水沖洗干凈，再用H2O2 ∶NaOH=100 mL ∶2 g比例的腐蝕液進行腐蝕。

2.3 鋁箔的減薄方法

燒鋁工藝的一個關鍵因素是鋁箔厚度控制，若鋁箔太厚，則易在燒結中產生沾潤流鋁現象，導致焊接空洞問題。根據經驗，功率管芯鋁箔厚度在0.02～0.03 mm之間最為理想。采購的鋁箔厚度為0.05 mm，需減薄約0.02 mm。

本文采用腐蝕方式來減薄鋁箔厚度。查閱資料，采用HF∶HNO3為1∶6或1∶9比例的腐蝕液腐蝕3～5 min可減薄鋁箔。進行如下3次摸索試驗：

①用HF∶HNO3為1∶6的腐蝕液腐蝕鋁箔，但腐蝕速率緩慢，20 min后測量鋁箔厚度在0.045～0.05 mm之間；

②采用HF∶HNO3為1∶9的腐蝕液腐蝕鋁箔，腐蝕速率依然緩慢。

③更改腐蝕液配比，采用HF∶HNO3為1∶1的腐蝕液腐蝕鋁箔，腐蝕3 min后，測量鋁箔厚度在0.02～0.03 mm之間，實現了減薄鋁箔的目的。因此，鋁箔的減薄確定采用HF∶HNO3=1∶1比例的腐蝕液腐蝕鋁箔3 min，再用冷去離子水清洗干凈即可。

2.4 鋁硅鉬合金工藝參數的研究

硅的熔點為1 412℃，純鋁的熔點為660℃，然而鋁和硅熔合形成的合金卻有更低的熔點，通過查資料可知，鋁硅合金的共熔點是577℃，即大于577℃就可形成合金。合金溫度低，硅片與合金材料粘潤性差，甚至無法熔合；合金溫度高，容易破壞硅單晶的性能，降低少子壽命等。因此，選擇合適的合金溫度對芯片性能有重要影響。endprint

按圖2裝模順序，用現有的臥式真空燒結爐進行試驗，見表3。

通過以上試驗，用刀片剝離鉬片與硅片，檢查鉬-硅粘接效果。試驗4中，每爐抽取5片樣片，用刀片劃開鉬片與硅片的粘接面，結果粘接牢固，無法用刀片將鉬片和硅片完整剝離；將試驗片進行X光透視，其沾潤面積達90%以上，證明在此條件下，可形成良好的鋁鉬硅合金，即良好的歐姆接觸。最終確定燒結參數為合金溫度670～700℃，合金時間25～30 min。

3 燒鋁工藝的應用研究

用戶需要使用正向電流IF（AV） 為400 A、反向峰值電壓VRRM為1 600 V、最高工作結溫Tjm為180℃、反向恢復時間trr為1 μs的快恢復平板壓接式整流管，根據用戶提出的最大外形尺寸要求，采用直徑為26 mm，電阻率為（55～65）Ω·cm，厚度為（0.32±0.01）mm的硅片。

3.1 材料參數正確性驗證

3.1.1 硅片直徑

受最大外形尺寸限制，芯片直徑為26 mm，為去除磨角所占的圓環(huán)寬度，上表面電極接觸直徑為Φ24 mm。電流密度計算公式見式（1）：

J=IF（AV）/A=4IF（AV）/（πd2） （1）

其中，A為芯片面積，將d=24代入計算可以得電流密度J= 88.5 （A/cm2）。

根據經驗，高結溫整流管芯片電流密度小于100 A/cm2較合理，有助于芯片保持良好的可靠性，因此將芯片直徑定為26 mm。

3.1.2 電阻率

電阻率的選取由反向峰值電壓與最高工作結溫共同決定。

（1）反向峰值電壓。反向擊穿電壓VB與硅材料的電阻率ρn有關，根據經驗公式（2）（3）得到額定反向峰值電壓與電阻率的關系曲線如圖3所示。

由圖3可得，VRRM=1 600 V時，ρn=54.4 Ω·cm。即滿足反向峰值電壓1 600 V，硅片電阻率ρn≥54.4 Ω·cm的要求。

（2）最高工作結溫。為保證器件工作的可靠性，一般要求基區(qū)中少子濃度p0與多子濃度n0相差一個數量級，即λ= p0/n0≤0.1。器件工作的最高結溫就是λ=0.1時對應的溫度。

根據半導體物理計算可得，電阻率ρn、本征載流子濃度ni、摻雜濃度ND、少子濃度與多子濃度比值λ與溫度T的關系如下[3]：

聯立方程組（4）（5）（6），并將λ=0.1與最高工作結溫Tjm=180℃（453 K）代入，求解可得電阻率的最大值為ρn= 65。

由耐壓與結溫的計算結果可知，采用電阻率為（55～65）Ω·cm的硅片可滿足要求。

3.1.3 芯片厚度

硅片厚度主要由P+結擴散深度XjP、N+結擴散深度XjN及基區(qū)寬度W確定。

最大耗盡區(qū)寬度與電阻率、電壓的關系為[5]：

根據選定的電阻率ρn=（55～65）Ω·cm，取最大值65代入式（7），可求得W=170 μm

根據現有典型工藝，P+結深為XjP=60～80 μm，N+結深為XjN=50～60 μm，因此，硅片的總厚度至少為H=XjP+ XjN+W=80 μm+60 μm+170 μm=310 μm=0.31 mm。

綜上，選擇厚度為（0.32±0.01）mm的芯片，可滿足設計要求。

3.1.4 反向恢復時間

半導體中載流子的遷移率、擴散系數、擴散長度等關系如下[6]：

在式（8）～（11）中，μn、μp、Dn、Dp分別為電子與空穴的遷移率和擴散系數，Da為雙極擴散系數，τHL為雙極大注入下少子壽命，La為雙極擴散長度。

在反向恢復中，恢復時間trr為[7]：

由（12）與（13）可得恢復時間與少子壽命的關系為：

從式（15）可看出，反向恢復時間主要與少子壽命、基區(qū)寬度有關。圖4顯示了恢復時間與少子壽命和基區(qū)寬度的關系。

若trr≤1.0 μs，基區(qū)寬度W=170 μm，則要少子壽命τHL≤0.045 μs才能達到滿足反向恢復時間trr≤1.0 μs的要求。

3.2 芯片工藝方案

選定材料參數后，根據用戶需求及現有生產工藝，芯片制造工藝流程如圖5所示。

3.2.1 大片擴散

紙源擴散工藝是一種簡單、高效、適合大批量生產的擴散工藝，可經過一次擴散形成管芯所需PN結及高濃度N+層、P+層，管芯表面濃度高且一致性好，管芯質量穩(wěn)定。

3.2.2 大片噴砂

噴砂的目的在于去除擴散形成的硼硅玻璃，是合金工序的一個重要步驟，若噴砂時部分點未噴到，則容易形成焊接空洞，直接影響管芯合金層的結合力及焊接質量。

3.2.3 激光落圓

將大片擴散片用激光劃片機劃成直徑為26 mm的圓片。

壓接式整流管一般采用陽極面（P+面）燒鋁、陰極面（N+面）蒸鋁方式形成外接電極[8]。該方式的工藝流程如圖6所示。

若P+面燒鋁在本單位做，則采用之前的工藝?？紤]到現有生產條件有限，N+面蒸鋁外委877廠加工，以便引出整流管陰極。

3.2.4 噴射腐蝕

噴射腐蝕能夠定點腐蝕，以避免腐蝕無需腐蝕的部分，以及因腐蝕引入的金屬雜質玷污，提高了芯片反向峰值電壓水平[9]。因現有生產條件的限制，考慮外委加工。

3.2.5 電子輻照

電子輻照壽命控制技術利用電子輻照在半導體內部的感生缺陷作為復合中心，達到控制少子壽命的目的[10]。需外委加工，要求達到少子壽命≤0.045 μs。

4結 語

本文通過對燒鋁工藝的研究，得出了適合現有生產條件的鋁箔清洗減薄工藝和鋁硅鉬合金工藝參數，包括鋁箔清洗、鉬片清洗腐蝕、鋁箔減薄和鋁硅鉬合金。按照用戶提出的平板壓接式整流管的電性能參數要求，對所選硅片的材料參數進行驗證，驗證材料參數能夠滿足設計要求。將燒鋁工藝應用在壓接式整流管芯片中，開拓了一條新思路，對后續(xù)大功率快恢復平板壓接式整流管的研制奠定了工藝基礎。

參考文獻

[1]可控硅工藝調查組.可控硅整流元件制造工藝[M].北京：科學出版社， 1971： 2.

[2]莊奕琪.微電子器件應用可靠性技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[3]劉恩科，朱秉升，羅晉生，等.半導體物理學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[4]施敏，伍國鈺，耿莉.半導體器件物理（第三版）[M].西安：西安交通大學出版社，2008.

[5]張波.Power Semiconductor Devices and Smart Power ICs （Second Edition） [Z].2001

[6]北京市技術交流站可控硅元件短訓班.大功率可控硅元件[M].北京：人民教育出版社， 1976： 36.

[7]徐傳驤，劉文英.電力硅半導體器件耐壓的高溫特性和穩(wěn)定性的研究[J].西安交通大學學報， 1983， 17（3）： 100-112.

[8]李曼，汲有光.高溫晶閘管的研究[J].遼寧工程技術大學學報，1989，8（3）： 88-91.

[9]張屏英，周估漠.晶體管原理[M].上海：上?？茖W技術出版社， 1985.

[10]潘廣問.高溫硅功率器件所用硅單晶電阻率的選取[J].湖北文理學院學報， 2001， 22（5）： 22-24.

[11]夏吉夫，郭永亮，潘福泉.3.5kV/400V高電流密度整流二極管的設計制造[J].電力電子技術， 2008，42（12）：16-17.endprint