CN102956685B - 一种耐高温平面结构型超高压二极管芯片 - Google Patents

Abstract

一种耐高温平面结构型超高压二极管芯片。提供了一种耐温性能高，正反向浪涌能力有较大提升的耐高温平面结构型超高压二极管芯片。所述芯片本体呈薄片状，芯片本体上部设有主结和顶面电极，芯片本体下部设有衬底和底面电极，在所述主结外圈还设有3-5圈场限环；在最外圈场限环的外部还设有一圈截止环；所述至少两圈场限环的顶面高度与所述主结顶面高度一致，所述至少两圈场限环的深度与所述主结的深度一致；所述截止环的顶面高度与所述主结的顶面高度一致；各所述场限环的宽度不等。本发明大大提升了产品的高温性能，达到Tj=175℃不失效，正反向浪涌能力有较大提升。

Description

一种耐高温平面结构型超高压二极管芯片

    本案是申请日为2011-10-19，申请号为2011103182489，发明创造名称为“一种平面结构型超高压二极管芯片”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种超高压二极管芯片，尤其涉及一种新的平面结构超高压二极管芯片。

背景技术

目前用于超高压二极管芯片大多数采用台面型结构设计和工艺制程的芯片，在长期应用中存在以下主要问题：

① 耐高温性能较差，只能在Tj=125℃环境下工作，反向电流快速升高极易失效。这是台面结构固有缺点。

② 耐高反压性能差，芯片在测试过程中，在产生较高反向击穿电压时，台面周围均有电弧产生，发生打火现象。这是台面结构设计产生体外击穿固有的缺陷。

③ 容易烧坏芯片，无法测试分档。尽管在封装中采用涂覆有机硅胶和环氧树脂类保护，但是实际上空气隙无法解决。这是台面结构设计产生体外击穿固有的缺陷。

④ 在工艺上，一般台面型的扩散工艺采用磷硼纸源扩散，晶片PN结结深不均匀，表面有腐蚀坑。晶片有弯曲现象，应力较大，最终导致晶片电特性失效的比例较高。特别在较大芯片面积（大于160mil）比较突出。鉴于以上三点，其正向和反向浪涌能力（即                                                ,）较差。在应用时易产生工作失效，可靠性较差。

为了解决以上问题，当前国外发展了平面结构型高压二极管，价格较高，技术处于严格保密状态，且国内尚未见供货。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种耐温性能高，正反向浪涌能力有较大提升的耐高温平面结构型超高压二极管芯片。

本发明的技术方案是：所述芯片本体呈薄片状，芯片本体上部设有主结和顶面电极，芯片本体下部设有衬底和底面电极，在所述主结外圈还设有3-5圈场限环；在最外圈场限环的外部还设有一圈截止环；

所述至少两圈场限环的顶面高度与所述主结顶面高度一致，所述至少两圈场限环的深度与所述主结的深度一致；

所述截止环的顶面高度与所述主结的顶面高度一致；

各所述场限环的宽度不等。

各所述场限环之间的间隙宽度不等。

在所述截止环顶面边缘向内1/5-1/2的顶面宽度尺寸为起点至所述主结顶面边缘向内1/50-1/20的顶面直径尺寸为终点的范围内设有组合钝化保护层；所述组合钝化保护层覆盖：所述截止环顶面起点内的部分、最外圈场限环至截止环之间的间隙、各场限环顶面、各场限环之间的间隙、最内圈场限环至主结外圆之间的间隙以及所述主结终点外的部分。

所述组合钝化保护层由内及表包括半绝缘多晶硅薄膜层、钝化玻璃层和二氧化硅膜层。

本发明在芯片顶部主结（P+区）外圈设置多道场限环（P+型）能够大大提高产品的电压等级。在常规产品中，为增加电压，设置多道场限环的手段是能够满足使用要求的，但是在薄型芯片的使用中，由于宽高比系数较大，因此极易在芯片边缘产生电场；加之如在高温工资环境（Tj=175℃）中使用，在芯片侧边上、下角之间产生电弧，进而发生短路的可能性就更大，会在极短时间内导致器件失效。本发明在芯片本体（N型晶片，N-区）顶部最外圈设置截止环（N+型）后，能够有效防止电荷扩展到顶部边角，这样就能避免发生短路。本发明既实现了产品的增压，又能避免电场扩展。本发明大大提升了产品的高温性能，达到Tj=175℃不失效，正反向浪涌能力有较大提升。

本发明的芯片通常被封装在三相、单项整流桥和各种混合模型中，被广泛应用在有超高反向瞬时峰值冲击电压的电路、电焊机、固体继电器、高压电力电源和耐高温环境的模块、

混合模块集成的电路等领域，作为关键性组合件使用。产品性能与当前国际上知名公司同类产品相媲美；能实现电路微小化，会产生巨大的经济和社会效益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是图1的俯视图，

图3是图1中K处局部放大图；

图中1是顶面电极，2是主结，3是衬底，4是底面电极，5是组合钝化保护层，51是半绝缘多晶硅薄膜层，52是钝化玻璃层，53是二氧化硅膜层，6是场限环，60是场限环之间间隙，61是最外圈场限环至截止环之间的间隙，62是最内圈场限环至主结外圆之间的间隙，7是截止环，8是环形电极，9是芯片本体，10是电荷运动方向。

具体实施方式

本发明如图1-3所示：所述芯片本体（N-区）9呈薄片状，芯片本体9上部设有主结（P+区）2和顶面电极1，芯片本体9下部设有衬底（N+区）3和底面电极4，在所述主结2外圈还设有至少两圈场限环（P+型）6；在最外圈场限环6的外部还设有一圈截止环（N+型）7；

所述至少两圈场限环6的顶面高度与所述主结2顶面高度一致，所述至少两圈场限环6的深度与所述主结2的深度一致；

所述截止环7的顶面高度与所述主结2的顶面高度一致。

所述截止环7处于所述芯片本体9的顶面边缘、且其轴向截面呈L形，截止环7截面高度为所述主结2深度的1.2-2.5倍。

在所述L形截止环的内直角缺口内还设有一圈环形电极8，所述环形电极8截面尺寸小于所述内直角缺口的尺寸。L型截止环具有较大的横向面积，其上的金属NI、AU材质的环形电极8起短路环作用，具有更强的截止特性。

所述场限环6为3-5圈。

所述各圈场限环6的宽度不等。

所述各圈场限环之间的间隙60宽度不等；由内而外递增。增压效果比等距更好。但今后可能通过该间隙60对产品的增压等级、能力进行控制，故本案不限于逐圈递增或递减。

在所述截止环7顶面边缘向内1/5-1/2的顶面宽度尺寸为起点至所述主结2顶面边缘向内1/50-1/20的顶面直径尺寸为终点的范围内设有组合钝化保护层5；所述组合钝化保护层5覆盖：所述截止环7顶面起点内的部分、最外圈场限环至截止环之间的间隙61、各场限环6顶面、各场限环之间的间隙60、最内圈场限环至主结外圆之间的间隙62以及所述主结2终点外的部分。

所述组合钝化保护层5由内及表包括半绝缘多晶硅薄膜层51、钝化玻璃层52和二氧化硅膜层53。构成SOGO多层钝化膜保护（SOGO为SIPOS +GLASS+SIO₂）。之所以设置这三层结构，原因是：一是、紧密贴合芯片顶部工作面的半绝缘多晶硅薄膜层51能提高耐压能力、对产品产生的应力较小，但其质地较疏松，“隔绝”效果不佳；二是、为增加“隔绝”效果，在其上复合一层钝化玻璃层52，该层直接贴合芯片顶部工作面会产生较大应力，因此将其设置在中间层，在半绝缘多晶硅薄膜层51外形成“隔绝”效果；三是、在装配芯片焊接时，焊料极易粘黏到顶部，因此在钝化玻璃层52上再设置一层二氧化硅膜层53，能有效避免高温焊料损伤保护层。

下面进一步说明本发明：

A、N+截止环设计：Xjn>P+场限环XjP+，且N+截止环惨杂浓度N+>P+场限环惨杂浓度。在高压电场作用下，更容易达到电场空间扩展缘电位到零状态，实现应用电路中瞬时反向超高峰值电压下，体内击穿状态且具有承受较大的反向功率能力。N+截止环设计由芯片表面下移至沟槽内；N+截止环具有较大的横向面积，其上有金属NI、AU短路环，具有更强的截止特性。

B、P++P-场限环设计：根据电特性选择晶片材料ρ，确定主结Xj(P)，确定场限环几何尺寸和其相对位置，使之满足:；。R为掩膜板上主结（基区）与场限环间距离。Xm对应主结与场限环结在穿通时耗尽层宽度。选择具有几何尺寸环的个数，原则上采用非等间距较好，主结一般承受击穿电压值的60%，环结承受40%，单环<200V，2个环300V-500V，3个环500V-1000V。从而达到体内击穿最佳值。

C、主结（基区）设计：根据电特性要求，采用P/N结缓变结设计：选择适当的Xj（P+）和Xj(P-)及其对应的惨杂浓度。采用一种掺杂元素硼，控制其杂质总量Q，分段扩散的工艺方法。

D、PN结、场限环、N+截止环表面保护技术：应用目前国内外比较先进的台面结构型芯片保护技术，即SOGO多层钝化膜（可以更优化为：SIPOS+SIO₂+GLASS+SIO₂）用于本发明，作为平面结构保护，在工艺上有创新，能获得较小的反向漏电流和较好的击穿电压波形。

根据试验本发明的性能特点如下：

1）反向击穿电压可达到1600V-2200V以上：不产生表面击穿而发生电弧烧坏芯片导致工作失效，大幅度提高了工作的可靠性。由于本发明专利芯片平面结构模型设计的特点，可以有效实现了高的击穿电压下，击穿产生在芯片体内，使得电场很快降到零位。

2）瞬时峰值电压可达到6000V以上。在实际应用电路中释放大于数倍的反向击穿瞬时峰值电压，不会烧坏芯片。是普通场板、场限环等平面结构型高压二极管芯片难以达到的。其抗静电能力达6000V，目前其他同类产品只能达到3000V。

3）工作结温Tj=175℃，高温漏电流在150℃和高压1400V下，小于1MA。

由于平面工艺结构设计特点，抗高温能力Tj=175℃，而台面工艺结构设计Tj=125℃。对这两种芯片结构进行比较，芯片的实际承受的电流密度提高了15-20%，从而有效的降低了芯片制造成本，即每个圆晶片芯片数量提高了15%以上。

4）VF≤1.10V：VF的减小，降低了芯片上的功耗和产品的壳温。

5）正向电流IF（AV）=25-200A以上，满足各种模块封装需求。

6）IFSM(正向浪涌电流)≥300A-600A.

7)反向浪涌特性：反向功率耐量≥100W。在VBRM下，IFSM≥50mA,无电弧，不失效。以上各种性能指标均能达到国内外同类产品水平，部分参数超过国内外同类产品水平。

Claims (2)

1.一种耐高温平面结构型超高压二极管芯片，所述芯片本体呈薄片状，芯片本体上部设有主结和顶面电极，芯片本体下部设有衬底和底面电极，在所述主结外圈还设有3-5圈场限环；在最外圈场限环的外部还设有一圈截止环；

所述3-5圈场限环的顶面高度与所述主结顶面高度一致，所述3-5圈场限环的深度与所述主结的深度一致；

所述截止环的顶面高度与所述主结的顶面高度一致；

其特征在于，各所述场限环的宽度不等；

在所述截止环顶面边缘向内1/5-1/2的顶面宽度尺寸为起点至所述主结顶面边缘向内1/50-1/20的顶面直径尺寸为终点的范围内设有组合钝化保护层；所述组合钝化保护层覆盖：所述截止环顶面起点内的部分、最外圈场限环至截止环之间的间隙、各场限环顶面、各场限环之间的间隙、最内圈场限环至主结外圆之间的间隙以及所述主结终点外的部分；

所述组合钝化保护层由内及表包括半绝缘多晶硅薄膜层、钝化玻璃层和二氧化硅膜层。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温平面结构型超高压二极管芯片，其特征在于，各所述场限环之间的间隙宽度不等。