CN102201434A

CN102201434A - 一种高频晶闸管

Info

Publication number: CN102201434A
Application number: CN 201010560488
Authority: CN
Inventors: 夏吉夫; 崔振森; 潘福泉
Original assignee: YICHANG SPAR POWER ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: YICHANG SPAR POWER ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-09-28

Abstract

一种高频晶闸管，包括晶闸管，单晶硅片由P⁺P₁N₁P₂N₂非对称结构构成，N₂区的图形为渐开线图形，单晶硅片采用N型(100)晶向低阻单晶硅片，P⁺层由P层研磨减薄扩散后构成，P⁺层厚度为15μm，P层厚度为60μm。单晶硅片的造型面中，正斜角磨角角度θ₁大小为：60o≤θ₁≤80o，负斜角磨角角度θ₂大小为：3.5°≤θ₂≤4.5°。P⁺层端面上设有钛镍金蒸镀层，厚度分别为：Ti：0.2μm、Ni：0.5μm、Au：0.1μm。制造方法包括以下步骤：单晶硅片的双面设有扩散P层,其中一面由P层研磨减薄扩散后构成P⁺层；N₂区光刻版图形采用渐开线插入式的放大门极结构；对单晶硅片采用扩金和对N₂区光刻版图形采用电子辐照的方法控制少子寿命τ_P；电子束蒸发构成钛镍金蒸镀层；大角度喷砂造型。本发明提高了晶闸管的应用频率，提高产品质量、满足节能降耗的需要。

Description

一种高频晶闸管

技术领域

本发明涉及一种电力电子器件，特别是一种高频晶闸管。

背景技术

传统高频晶闸管开通和关断时间长，工作频率较低，工作电流极少数能达到1200A，极少工作频率在8~10KHZ左右。如中国专利号：87208366发明专利提供的一种高频晶闸管，平均通态电流200A，工作频率10KHZ，适用于8KHZ以上中频电源；中国专利号：200510086992发明专利提供的高频晶闸管，能在8～10kHz，平均通态电流1200A下工作。

而正向通态平均电流IT(AV)=2500A，断态重复峰值电压U_DRM=1200V,反向重复峰值电压U_RRM=1200V，应用频率f =10KHz的高频晶闸管是高频熔炼、高频淬火等设备的关键器件，是高频应用市场急需的关键器件。这种高频晶闸管既解决10KHz高频应用，又要求大功率（电流：2500A，电压：1200V）。提高了工作频率同时又要求解决电压和电流不易做高的矛盾。而传统的大功率高频熔炼炉，要么采用牺牲效率而降低应用频率，要么靠多只中功率（如200A）高频晶闸管并联带来的应用限制。

但无论哪种方式都给应用带来了很多的限制。提高晶闸管的应用频率是提高产品质量、节能降耗的需要，而大容量高频晶闸管更是市场急需的高效节能产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高频晶闸管，提高了电流扩展能力，有较高的dv/dt和di/dt耐量，又确保了耐压和动态特性；提高了晶闸管的应用频率，提高产品质量、满足节能降耗的需要。

为解决上述技术问题，本发明专利提供的一种高频晶闸管，包括晶闸管，单晶硅片由P⁺P₁N₁P₂N₂型非对称结构构成，N₂区的图形为渐开线图形。

单晶硅片采用N型（100）晶向低阻单晶硅片。

P⁺层由P层研磨减薄扩散后构成。

P⁺层厚度为15μm，P层厚度为60μm。

单晶硅片的台面造型中，正斜角磨角角度θ₁大小为：60o≦θ₁≦80o，负斜角磨角角度θ₂大小为： 3.5°≦θ₂≦4.5°。

P⁺层端面上设有钛镍金蒸镀层，厚度分别为：Ti: 0.2μm、Ni: 0.5μm、Au: 0.1μm。

一种高频晶闸管的制造方法，包括以下步骤：

1）单晶硅片的双面设有扩散P层,其中一面由P层研磨减薄扩散后构成P⁺层；

2）N2区光刻版图形采用渐开线插入式的放大门极结构；

3）对单晶硅片采用扩金和对N₂区光刻版图形采用电子辐照的方法控制少子寿命τ_P；

4）电子束蒸发构成钛镍金蒸镀层；

5）大角度喷砂造型；

通过上述步骤得到高频晶闸管。

所述光刻版中的渐开线图形为2~8条。

所述喷砂造型步骤中正斜角磨角角度θ₁大小为：60o≦θ₁≦80o，负斜角磨角角度θ₂大小为： 3.5°≦θ₂≦4.5°。

所述渐开线附近分布的短路点间距D=0.4mm，直径d=0.08mm。

本发明专利提供的一种高频晶闸管，有益效果如下：

1、正向通态平均电流I_T(AV)=2500A，V_DRM=V_RRM=1200V，应用频率f=10KHz。

2、采用N型100晶向低阻单晶硅片，相比111晶向单晶片，提高了电流扩展能力20%~30%，有利于电流上升率di/dt的提高。

3、采用直径偏小、厚度偏薄的硅片，通过双面一次P型扩散，一面减薄后扩散P⁺，而另一面氧化光刻后，再扩散N⁺的非对称P₁、P₂区的方法。非对称P₁、P₂区的方法，既使硅片较薄，又确保了耐压和动态特性。

4、本发明光刻版图形采用渐开线插入式的放大门极结构，分布科学合理，正负光刻版和阴极垫片都在一个图形定位下，精密制作，确保开通电流均匀地全域展开，器件有较高的dv/dt和di/dt耐量。

5、全新的基区少子寿命τ_P的控制方法：降低基区少子寿命τ_P是制作高频晶闸管的关键技术，本发明采用的是扩金和电子辐照相结合的技术控制少子寿命τ_P，增加复合中心，降低少数载流子寿命，从而减少关断时间。

6、台面造型由磨角造型改为喷砂造型，即正斜角为大角度喷砂，一改磨角角度只能35度以下的状况，可喷60~80度的正角；负斜角也改为喷砂造型，实现类台面造型。实现阴极面积最大，表面漏电流最小又提高了阴极面积。

7、阳极欧姆接触采用电子束蒸发钛-镍-金工艺，确保器件长时间的可靠性。

8、配合N型100晶向低阻单晶硅片，去掉阳极烧铝工艺，将高压晶闸管的全压接工艺直接移植在大功率高频晶闸管上。

9、采用无裙边的95%氧化铝的专用陶瓷管壳，真空充氮气冷压封装，氦质谱检漏合格。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的单晶硅片结构示意图；

图2为本发明的台面造型结构示意图；

图3为本发明的光刻版图型；

图4为本发明的全压接封装内部结构示意图。

具体实施方式

一种高频晶闸管，包括单晶硅片1，单晶硅片1的双面设有扩散P层5，5’,其中一面由P层5研磨减薄扩散后构成P⁺层5’，另一面由P层5进行N⁺层扩散构成N₂区4，N₂区4的图形为渐开线图形。

单晶硅片1采用N型（100)晶向低阻单晶硅片。

P⁺层5’厚度为15μm，P层5厚度为60μm。

N₂区4构成层端面上设有铝层2，P⁺层5’扩散构成层端面上设有钛镍金蒸镀层3，钛镍金蒸镀层3，厚度分别为：Ti: 0.2μm、Ni: 0.5μm、Au: 0.1μm。

单晶硅片1的台面造型为喷砂造型，单晶硅片1的台面造型中，正斜角磨角角度θ₁大小为：60o≦θ₁≦80o，负斜角磨角角度θ₂大小为： 3.5°≦θ₂≦4.5°。

铜层7与钛镍金蒸镀层3相连构成欧姆接触阴极，铜层7’与铝层2相连构成欧姆接触阳极。

单晶硅片1封装在陶瓷管壳6内部，单晶硅片1与陶瓷管壳6之间填充有聚四氟乙烯8绝缘固定。

所述单晶硅片1构成的P⁺P₁N₁P₂N₂基本结构为非对称结构。

所述陶瓷管壳6采用无裙边的95%氧化铝。

一种高频晶闸管的制造方法，包括以下步骤：

1）、单晶硅片1的双面设有扩散P层5，5’,其中一面由P层5研磨减薄扩散后构成P⁺层5’；

2）、N2区4光刻版图形采用渐开线插入式的放大门极结构；

3）、对单晶硅片1采用扩金和对N2区4光刻版图形采用电子辐照的方法控制少子寿命τ_P；

4）、电子束蒸发构成钛镍金蒸镀层3；

5）、大角度喷砂造型；

通过上述步骤得到高频晶闸管。

所述光刻版中的渐开线图形为2~8条。

所述渐开线附近分布的短路点间距D=0.4mm，直径d=0.08mm。

本发明制造流程：

N型(100)晶向低阻（ρn=45Ω-cm）单晶硅片1测试、筛选、分类→去砂、去油、清洗、腐蚀→甩干→闭管纯镓扩散→氧化→阳极面P⁺扩散→阴极面磨片→氧化→光刻→三氯氧磷气体携带N⁺扩散→光刻→电子束蒸发→正负角喷砂造型→腐蚀、钝化、保护、烘干→中测→全压接装配→真空充氮气冷封→氦质谱捡漏→出厂全参数检测→打印→合格证→入库。

实施例：

本发明高频晶闸管是在在N型（100）晶向、低阻（40~50）Ω的中照单晶硅片1上进行双面一次真空闭管扩散P层5，5’，即一次P型纯镓扩散，结深55μm，单面研磨15μm后扩P⁺层5’做阳极面，氧化并在另一P型面光刻，然后单面进行三氯氧磷N⁺扩散形成N₂区4，构成非对称的总厚度250μm的晶闸管P⁺P₁N₁P₂N₂基本结构，如图1所示；

台面造型由磨角造型改为喷砂造型，为正、负角结构。即正斜角为大角度喷砂，一改磨角角度只能35度以下的状况，可喷60~80度的正角；负斜角也改为喷砂造型，实现类台面造型。实现阴极面积最大，表面漏电流最小又提高了阴极面积，如图2所示；

采用渐开线插入式的放大门极结构，同一渐开线分布的短路点间距D=0.4mm，直径d=0.08mm，分布科学合理，光刻版和阴极垫片都在同一个中心图形下得出，如图3所示而精密制作，确保开通电流均匀地全域展开，器件有较高的dv/dt和di/dt耐量；通过上述技术，实现正向通态平均电流I_T(AV)=2500A，V_DRM=V_RRM=1200V。

对N型（100）晶向低阻单晶硅片1，不采用常规的阳极烧铝工艺，而将高压晶闸管采用的全压接工艺直接移植于大功率高频晶闸管，如图4所示。

采用无裙边的95%氧化铝的专用陶瓷管壳，真空充氮气冷压封装，氦质谱检漏合格，以及除规定的换向关断时间t_q和反向恢复电荷Q_rr测试外，严格执行门极触发开通时间t_gt和10KHz高频额定电流通电实验。

本发明采用扩散前后都进行吸收的技术以确保τ_P，使τ_P≥15μs，即保证τ_n≥1μs的情况下，实现低通态压降V_TM值，使大电流密度J_T成为可能，而电流密度J_T大，有利于提高电流横向扩展速度。降低基区少子寿命τ_P是制作高频晶闸管的关键技术。扩金、扩铂再吸收，长期可靠性好，最有利于各电参数协调，但重复性差，不易控制；电子辐照（含快中子，γ射线等），简单易行，可以方便地反复调整少子寿命τ_P，不受其它工艺过程限制，但辐照结果易蜕化，长期可靠性差；质子辐照深度可以控制，性能最好。本发明采用的是扩金和电子辐照相结合的技术控制少子寿命τ_P：即先行扩金，将少子寿命降到原值的1/5左右，即τ_P=3μs，然后又采用电子辐照技术，将τ_P控制在1～1.2μs，提高应用频率：f=10KHz。

Claims

1.一种高频晶闸管，包括晶闸管，其特征在于：单晶硅片（1）由P⁺P₁N₁P₂N₂型非对称结构构成，N₂区（4）的图形为渐开线图形。

2.根据权利要求1所述的一种高频晶闸管，其特征在于：单晶硅片（1）采用N型（100）晶向低阻单晶硅片。

3.根据权利要求1所述的一种高频晶闸管，其特征在于：P⁺层（5’）由P层（5）研磨减薄扩散后构成。

4.根据权利要求1所述的一种高频晶闸管，其特征在于：P⁺层（5’）厚度为15μm，P层（5）厚度为60μm。

5.根据权利要求1所述的一种高频晶闸管，其特征在于：单晶硅片（1）的台面造型中，正斜角磨角角度θ₁大小为：60o≦θ₁≦80o，负斜角磨角角度θ₂大小：3.5°≦θ₂≦4.5°。

6.根据权利要求1所述的一种高频晶闸管，其特征在于：P⁺层（5’）端面上设有钛镍金蒸镀层（3），厚度分别为：Ti: 0.2μm、Ni: 0.5μm、Au: 0.1μm。

7.一种高频晶闸管的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1）单晶硅片（1）的双面设有扩散P层（5，5’）,其中一面由P层（5）研磨减薄扩散后构成P⁺层（5’）；

2）N₂区（4）光刻版图形采用渐开线插入式的放大门极结构；

3）对单晶硅片（1）采用扩金和对N₂区（4）光刻版图形采用电子辐照的方法控制少子寿命τ_P；

4）电子束蒸发构成钛镍金蒸镀层（3）；

5）大角度喷砂造型；

通过上述步骤得到高频晶闸管。

8.根据权利要求7所述的一种高频晶闸管制造方法，其特征在于：光刻版中的渐开线图形为2~8条。

9.根据权利要求7所述的一种高频晶闸管制造方法，其特征在于：喷砂造型步骤中正斜角磨角角度θ₁大小为：60o≦θ₁≦80o，负斜角磨角角度θ₂大小为： 3.5°≦θ₂≦4.5°。

10.根据权利要求7所述的一种高频晶闸管制造方法，其特征在于：渐开线附近分布的短路点间距D=0.4mm，直径d=0.08mm。