CN104282557B - 一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法，包括以下步骤：1)清洗硅片；2)石英闭管清洗；3)镓、铝源一次全扩散；4)P+扩散；5)氧化；6)一次光刻；7)磷扩散；8)割圆；9)烧结；10)蒸发；11)合金；12)二次光刻；13)台面成型；14)封装；15)晶闸管测试。1)在控制极回路中加入温度控制器，实现超高温保护；2)采用高纯镓、高纯铝源一次全扩散的制造工艺技术，扩散均匀，效率高；3)采用阳极P+扩散技术降低硅片与钼片接触的压降；4)烧结过程采用电脑程控仪控制设备烧结温度，精确稳定，一致性好；5)外密封管壳采用无氧铜加陶瓷密封，热阻小，防潮性能高。

Description

一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法

技术领域

本发明涉及晶闸管制作技术领域，尤其涉及一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法。

背景技术

目前，国内在大功率电加热装置中普遍采用大功率的晶闸管作为控制开关，它可以根据负载温度的要求调整给负载的输出功率，从而控制负载的温度恒定在所需要的温度上，不过一旦设备出现故障，负载短路或晶闸管的散热出现问题，晶闸管的温度就会升高，当温度超过晶闸管的额定结温时，晶闸管就会烧毁，造成元件损坏和整套装置损坏，此时必须拆卸设备更换原件，影响设备正常运行，给使用者带来经济损失。普通晶闸管(SCR)靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态，欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。

发明内容

本发明提供了一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法，采用独特的芯片制作和晶闸管封装方法，并在控制极回路中加入温度控制器，当温度超出额定值时控制极断开保护晶闸管，使晶闸管不会因高温而损坏。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法，包括以下步骤：

1)清洗硅片：将单晶硅片放在洗洁精：去离子水＝30ml：500ml的清洗液中超声1小时以上，用热去离子水冲洗30～35遍，用冷去离子水冲洗30～35遍；将硅片摆在四氟架上，用纯氢氟酸超声10分钟以上，用常温去离子水冲洗30～35遍，再用热去离子水冲洗30～35遍；然后将硅片放在质量浓度为5％～8％的氢氧化钠溶液中，在85℃恒温水浴中煮1分钟以上，用冷去离子水冲洗30～35遍，热去离子水冲洗30～35遍，测试清洗后的出水电阻率达到10ΜΩ以上后，将硅片放到180～190℃的烘箱中烘1小时以上；

2)石英闭管清洗

将石英闭管放入体积比为H₂O：HF＝4：1的氢氟酸溶液中，浸泡40～45分钟；然后取出用冷、热高纯水交替冲洗各30～35遍；放入180℃恒温烘箱中烘1小时以上；

3)镓、铝源一次全扩散

将硅片两面涂铝源、镓源放到源瓶中，然后放到闭管里一起扩散，扩散炉温度为1264～1266℃,扩散时间为12～15小时，扩散时间到后关闭扩散炉电源，自然降温至室温，取出石英闭管；

4)P+扩散

将镓、铝一次全扩散完的硅片从石英闭管中取出，单面涂P+源，并放到1240℃扩散炉中恒温加热1小时以上，闭炉后温度降到室温取出；

5)氧化

将硅片用氢氟酸超声5～6分钟，用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：10的溶液漂洗30～35秒，用常温去离子水冲洗30～35遍，再用热去离子水冲洗30～35遍，测试出水电阻率达到10ΜΩ以上后，放入180℃恒温烘箱中烘1小时以上；然后在高温扩散炉中通氧气氧化7小时以上；

6)一次光刻

将氧化后的硅片需要刻图形的一面甩光刻胶，放到烘干箱中，在80℃温度下烘干30～35分钟，冷却后在光刻机下曝光；曝光后在120#汽油溶液中显影10分钟，在120#汽油溶液中定影2分钟，在烘箱中140℃温度下烘干，并将背面涂真空蜂蜡，再用光刻腐蚀液腐蚀，然后去胶烘干；

7)磷扩散

将体积比为氨水：双氧水：去离子水＝1：2：5的溶液配制成1#液；将体积比为盐酸：双氧水：去离子水＝1：2：7的溶液配制成2#液；将光刻好并经测验合格的硅片，用1#液、2#液清洗后，用去离子水冲洗干净，测水纯度在10ΜΩ以上即可；将硅片烘干后放到磷扩散炉中，待炉温升到1200℃通磷源和氧气、氮气保护气体，炉温升到1250℃恒温加热100分钟后，关闭磷源，停止升温，继续通保护气体，直到扩散炉降温到1000℃以下闭炉闭气；

8)割圆

用高速割圆机将硅片光刻图形以外的部分去掉；

9)烧结

将装芯片钢架推入真空烧结炉的恒温区中，开启真空泵及真空机组，当真空达2X10^-3Pa时推入烧结炉，在550℃温度下恒温加热20～25分钟,然后以每分钟2℃的速度升温到650℃；恒温加热20～25分钟，再以每分钟2℃的速度降温至550℃，取下炉盖；自然降温至400℃时推离炉体，当温度低于200℃时，放气取出石墨船；

10)蒸发

用真空镀膜机将高纯铝蒸发到硅片表面，硅片表面铝层厚度达到10μm以上；

11)合金

将真空镀膜机蒸发完的芯片放到合金炉中，540℃温度下恒温加热40～45分钟；

12)二次光刻

同步骤6)，腐蚀液为磷酸；

13)台面成型

用自动磨角机将芯片边缘磨角，靠近阳极边缘磨成25度角，靠近阴极边缘磨成3度角，并用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：3的腐蚀液腐蚀台面，用去离子水冲洗后烘干，用硅橡胶保护，在220℃温度下老化72小时后即制成芯片；

14)封装

在100℃温度下对芯片进行静态耐压和反向漏电流测试，合格后的芯片即可封装；门极采用四氟+铜镀银触点+控制极回路的形式，控制极回路中设有温度控制器；外密封管壳采用无氧铜加陶瓷密封；封装时，沿圆周将阳极垫片定位条放置在下台面处，芯片四周用四氟膜挤紧，将阴极引线的一端插入阴极插头并套热缩管缩紧，将控制极引线的一端用压线钳子将引线与焊片压在一起并用锡焊接，套热缩管并使热缩管缩紧，然后将此端插入门极引出的过渡孔中后用夹线钳夹紧，并套上硅橡胶管，将管壳上盖旋紧；阴极引线和控制引线的另一端压扁并用焊锡封住堵头后用锡丝焊接并套上热缩管，用酒精灯烘烤使热缩管箍紧；

15)晶闸管测试

封装好的晶闸管做触发电流IGT和触发电压VGT测试，当温度达到或超过100℃时控制极信号切断，晶闸管不导通即为合格。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)在控制极回路中加入温度控制器，当温度超出额定值时控制极断开保护晶闸管，使晶闸管不会因高温而损坏；

2)采用高纯镓、高纯铝源一次全扩散的制造工艺技术，扩散均匀，效率高；

3)采用阳极P+扩散技术降低硅片与钼片接触的压降；

4)烧结过程采用电脑程控仪控制设备烧结温度，与常规烧结工艺控制方法相比，精确稳定，一致性好，能精确控制烧结炉升温、恒温、降温过程，消除因升降温不均造成芯片电参数变坏的可能；

5)外密封管壳采用无氧铜加陶瓷密封，热阻小，防潮性能高。

附图说明

图1是本发明所述超温自保护晶闸管外密封管壳的结构示意图。

图2是本发明所述超温自保护晶闸管引线的结构示意图。

图3是本发明所述超温自保护晶闸管温控门极结构的示意图。

图中：1.阴极无氧铜电极 2.阳极无氧铜电极 3.陶瓷环 4.阴极引线 5.控制极引线 6.压接门极 7.控制极内引线 8.控制极输出 9.温度控制器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法，包括以下步骤：

1)清洗硅片：将单晶硅片放在洗洁精：去离子水＝30ml：500ml的清洗液中超声1小时以上，用热去离子水冲洗30～35遍，用冷去离子水冲洗30～35遍；将硅片摆在四氟架上，用纯氢氟酸超声10分钟以上，用常温去离子水冲洗30～35遍，再用热去离子水冲洗30～35遍；然后将硅片放在质量浓度为5％～8％的氢氧化钠溶液中，在85℃恒温水浴中煮1分钟以上，用冷去离子水冲洗30～35遍，热去离子水冲洗30～35遍，测试清洗后的出水电阻率达到10ΜΩ以上后，将硅片放到180～190℃的烘箱中烘1小时以上；

2)石英闭管清洗

将石英闭管放入体积比为H₂O：HF＝4：1的氢氟酸溶液中，浸泡40～45分钟；然后取出用冷、热高纯水交替冲洗各30～35遍；放入180℃恒温烘箱中烘1小时以上；

3)镓、铝源一次全扩散

将硅片两面涂铝源、镓源放到源瓶中，然后放到闭管里一起扩散，扩散炉温度为1264～1266℃,扩散时间为12～15小时，扩散时间到后关闭扩散炉电源，自然降温至室温，取出石英闭管；

4)P+扩散

将镓、铝一次全扩散完的硅片从石英闭管中取出，单面涂P+源，并放到1240℃扩散炉中恒温加热1小时以上，闭炉后温度降到室温取出；

5)氧化

将硅片用氢氟酸超声5～6分钟，用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：10的溶液漂洗30～35秒，用常温去离子水冲洗30～35遍，再用热去离子水冲洗30～35遍，测试出水电阻率达到10ΜΩ以上后，放入180℃恒温烘箱中烘1小时以上；然后在高温扩散炉中通氧气氧化7小时以上；

6)一次光刻

将氧化后的硅片需要刻图形的一面甩光刻胶，放到烘干箱中，在80℃温度下烘干30～35分钟，冷却后在光刻机下曝光；曝光后在120#汽油溶液中显影10分钟，在120#汽油溶液中定影2分钟，在烘箱中140℃温度下烘干，并将背面涂真空蜂蜡，再用光刻腐蚀液腐蚀，然后去胶烘干；

7)磷扩散

将体积比为氨水：双氧水：去离子水＝1：2：5的溶液配制成1#液；将体积比为盐酸：双氧水：去离子水＝1：2：7的溶液配制成2#液；将光刻好并经测验合格的硅片，用1#液、2#液清洗后，用去离子水冲洗干净，测水纯度在10ΜΩ以上即可；将硅片烘干后放到磷扩散炉中，待炉温升到1200℃通磷源和氧气、氮气保护气体，炉温升到1250℃恒温加热100分钟后，关闭磷源，停止升温，继续通保护气体，直到扩散炉降温到1000℃以下闭炉闭气；

8)割圆

用高速割圆机将硅片光刻图形以外的部分去掉；

9)烧结

将装芯片钢架推入真空烧结炉的恒温区中，开启真空泵及真空机组，当真空达2X10^-3Pa时推入烧结炉，在550℃温度下恒温加热20～25分钟,然后以每分钟2℃的速度升温到650℃；恒温加热20～25分钟，再以每分钟2℃的速度降温至550℃，取下炉盖；自然降温至400℃时推离炉体，当温度低于200℃时，放气取出石墨船；

10)蒸发

用真空镀膜机将高纯铝蒸发到硅片表面，硅片表面铝层厚度达到10μm以上；

11)合金

将真空镀膜机蒸发完的芯片放到合金炉中，540℃温度下恒温加热40～45分钟；

12)二次光刻

同步骤6)，腐蚀液为磷酸；

13)台面成型

用自动磨角机将芯片边缘磨角，靠近阳极边缘磨成25度角，靠近阴极边缘磨成3度角，并用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：3的腐蚀液腐蚀台面，用去离子水冲洗后烘干，用硅橡胶保护，在220℃温度下老化72小时后即制成芯片；

14)封装

在100℃温度下对芯片进行静态耐压和反向漏电流测试，合格后的芯片即可封装；

见图1，是本发明所述超温自保护晶闸管外密封管壳的结构示意图。外密封管壳包括阴极无氧铜电极1、阳极无氧铜电极2和陶瓷环3。见图2，是本发明所述超温自保护晶闸管引线的结构示意图。包括阴极引线4和控制极引线5。见图3，是本发明所述超温自保护晶闸管温控门极结构的示意图。温控门极结构包括压接门极6、控制极内引线7、控制极输出8和温度控制器9。

门极采用四氟+铜镀银触点+控制极回路的形式，控制极回路中设有温度控制器9；外密封管壳采用无氧铜加陶瓷密封；封装时，沿圆周将阳极垫片定位条放置在下台面处，芯片四周用四氟膜挤紧，将阴极引线4的一端插入阴极插头并套热缩管缩紧，将控制极引线5的一端用压线钳子将引线7与焊片压在一起并用锡焊接，套热缩管并使热缩管缩紧，然后将此端插入门极引出的过渡孔中后用夹线钳夹紧，并套上硅橡胶管，将管壳上盖旋紧；阴极引线4和控制引线5的另一端压扁并用焊锡封住堵头后用锡丝焊接并套上热缩管，用酒精灯烘烤使热缩管箍紧；

15)晶闸管测试

封装好的晶闸管做触发电流IGT和触发电压VGT测试，当温度达到或超过100℃时控制极信号切断，晶闸管不导通即为合格。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】采用本发明所述方法制作一批超温自保护晶闸管

具体制作过程如下：

将单晶硅片放在洗洁精：去离子水＝30ml：500ml的清洗液中超声1小时，用热去离子水冲洗30遍，用冷去离子水冲洗30遍；将硅片摆在四氟架上，用纯氢氟酸超声10分钟，用常温去离子水冲洗30遍，再用热去离子水冲洗30遍；然后将硅片放在质量浓度为5％的氢氧化钠溶液中，在85℃恒温水浴中煮1分钟，用冷去离子水冲洗30遍，热去离子水冲洗30遍，测试清洗后的出水电阻率达到10ΜΩ以上后，将硅片放到180℃的烘箱中烘1小时；

将石英闭管放入体积比为H₂O：HF＝4：1的氢氟酸溶液中，浸泡40分钟；然后取出用冷、热高纯水交替冲洗各30遍；放入180℃恒温烘箱中烘1小时；

将硅片两面涂铝源、镓源放到源瓶中，然后放到闭管里一起扩散，扩散炉温度为1264～1266℃,扩散时间为12～15小时，扩散时间到后关闭扩散炉电源，自然降温至室温，取出石英闭管；

将镓、铝一次全扩散完的硅片从石英闭管中取出，单面涂P+源，并放到1240℃扩散炉中恒温加热1小时，闭炉后温度降到室温取出；

将硅片用氢氟酸超声5分钟，用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：10的溶液漂洗30秒，用常温去离子水冲洗30遍，再用热去离子水冲洗30遍，测试出水电阻率达到10ΜΩ以上后，放入180℃恒温烘箱中烘1小时；然后在高温扩散炉中通氧气氧化7小时；

将氧化后的硅片需要刻图形的一面甩光刻胶，放到烘干箱中，在80℃温度下烘干30分钟，冷却后在光刻机下曝光；曝光后在120#汽油溶液中显影10分钟，在120#汽油溶液中定影2分钟，在烘箱中140℃温度下烘干，并将背面涂真空蜂蜡，再用光刻腐蚀液腐蚀，然后去胶烘干；

将体积比为氨水：双氧水：去离子水＝1：2：5的溶液配制成1#液；将体积比为盐酸：双氧水：去离子水＝1：2：7的溶液配制成2#液；将光刻好并经测验合格的硅片，用1#液、2#液清洗后，用去离子水冲洗干净，测水纯度在10ΜΩ以上即可；将硅片烘干后放到磷扩散炉中，待炉温升到1200℃通磷源和氧气、氮气保护气体，炉温升到1250℃恒温加热100分钟后，关闭磷源，停止升温，继续通保护气体，直到扩散炉降温到1000℃以下闭炉闭气；

用高速割圆机将硅片光刻图形以外的部分去掉；

将装芯片钢架推入真空烧结炉的恒温区中，开启真空泵及真空机组，当真空达2X10^-3Pa时推入烧结炉，在550℃温度下恒温加热20分钟,然后以每分钟2℃的速度升温到650℃；恒温加热20分钟，再以每分钟2℃的速度降温至550℃，取下炉盖；自然降温至400℃时推离炉体，当温度低于200℃时，放气取出石墨船；

用真空镀膜机将高纯铝蒸发到硅片表面，硅片表面铝层厚度达到10μm以上；

将真空镀膜机蒸发完的芯片放到合金炉中，540℃温度下恒温加热40分钟；

将需要刻图形的一面甩光刻胶，放到烘干箱中，在80℃温度下烘干30分钟，冷却后在光刻机下曝光；曝光后在120#汽油溶液中显影10分钟，在120#汽油溶液中定影2分钟，在烘箱中140℃温度下烘干，并将背面涂真空蜂蜡，再用磷酸腐蚀液腐蚀，然后去胶烘干；

用自动磨角机将芯片边缘磨角，靠近阳极边缘磨成25度角，靠近阴极边缘磨成3度角，并用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：3的腐蚀液腐蚀台面，用去离子水冲洗后烘干，用硅橡胶保护，在220℃温度下老化72小时后即制成芯片；

在100℃温度下对芯片进行静态耐压和反向漏电流测试，合格后的芯片即可封装；门极采用四氟+铜镀银触点+控制极回路的形式，控制极回路中设有温度控制器；外密封管壳采用无氧铜加陶瓷密封；封装时，沿圆周将阳极垫片定位条放置在下台面处，芯片四周用四氟膜挤紧，将阴极引线的一端插入阴极插头并套热缩管缩紧，将控制极引线的一端用压线钳子将引线与焊片压在一起并用锡焊接，套热缩管并使热缩管缩紧，然后将此端插入门极引出的过渡孔中后用夹线钳夹紧，并套上硅橡胶管，将管壳上盖旋紧；阴极引线和控制引线的另一端压扁并用焊锡封住堵头后用锡丝焊接并套上热缩管，用酒精灯烘烤使热缩管箍紧；

封装好的晶闸管做触发电流IGT和触发电压VGT测试，当温度达到或超过100℃时控制极信号切断，晶闸管不导通即为合格。

测试结果如下表所示:

从测试结果可以看出，本批生产的501-509共9只晶闸管中，当测试温度达到100℃时，有6只晶闸管的控制极信号切断，当测试温度达到105℃时，其它3只晶闸管的控制极信号也切断了，此时晶闸管不导通，即达到了超温自保护的目的。

Claims (1)

1.一种电加热设备用超温自保护晶闸管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)清洗硅片：将单晶硅片放在洗洁精：去离子水＝30ml：500ml的清洗液中超声1小时以上，用热去离子水冲洗30～35遍，用冷去离子水冲洗30～35遍；将硅片摆在四氟架上，用纯氢氟酸超声10分钟以上，用常温去离子水冲洗30～35遍，再用热去离子水冲洗30～35遍；然后将硅片放在质量浓度为5％～8％的氢氧化钠溶液中，在85℃恒温水浴中煮1分钟以上，用冷去离子水冲洗30～35遍，热去离子水冲洗30～35遍，测试清洗后的出水电阻率达到10ΜΩ以上后，将硅片放到180～190℃的烘箱中烘1小时以上；

2)石英闭管清洗

将石英闭管放入体积比为H₂O：HF＝4：1的氢氟酸溶液中，浸泡40～45分钟；然后取出用冷、热高纯水交替冲洗各30～35遍；放入180℃恒温烘箱中烘1小时以上；

3)镓、铝源一次全扩散

将硅片两面涂铝源、镓源放到源瓶中，然后放到石英闭管里一起扩散，扩散炉温度为1264～1266℃,扩散时间为12～15小时，扩散时间到后关闭扩散炉电源，自然降温至室温，取出石英闭管；

4)P+扩散

将镓、铝一次全扩散完的硅片从石英闭管中取出，单面涂P+源，并放到1240℃扩散炉中恒温加热1小时以上，闭炉后温度降到室温取出；

5)氧化

将硅片用氢氟酸超声5～6分钟，用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：10的溶液漂洗30～35秒，用常温去离子水冲洗30～35遍，再用热去离子水冲洗30～35遍，测试出水电阻率达到10ΜΩ以上后，放入180℃恒温烘箱中烘1小时以上；然后在高温扩散炉中通氧气氧化7小时以上；

6)一次光刻

将氧化后的硅片需要刻图形的一面甩光刻胶，放到烘干箱中，在80℃温度下烘干30～35分钟，冷却后在光刻机下曝光；曝光后在120#汽油溶液中显影10分钟，在120#汽油溶液中定影2分钟，在烘箱中140℃温度下烘干，并将背面涂真空蜂蜡，再用光刻腐蚀液腐蚀，然后去胶烘干；

7)磷扩散

将体积比为氨水：双氧水：去离子水＝1：2：5的溶液配制成1#液；将体积比为盐酸：双氧水：去离子水＝1：2：7的溶液配制成2#液；将光刻好并经测验合格的硅片，用1#液、2#液清洗后，用去离子水冲洗干净，测水纯度在10ΜΩ以上即可；将硅片烘干后放到磷扩散炉中，待炉温升到1200℃通磷源和氧气、氮气保护气体，炉温升到1250℃恒温加热100分钟后，关闭磷源，停止升温，继续通保护气体，直到扩散炉降温到1000℃以下闭炉闭气；

8)割圆

用高速割圆机将硅片光刻图形以外的部分去掉；

9)烧结

将芯片放在石墨船中，将石墨船放到钢架上，将钢架推入真空烧结炉的恒温区中，开启真空泵及真空机组，当真空达2X10^-3Pa时推入烧结炉，在550℃温度下恒温加热20～25分钟,然后以每分钟2℃的速度升温到650℃；恒温加热20～25分钟，再以每分钟2℃的速度降温至550℃，取下炉盖；自然降温至400℃时推离炉体，当温度低于200℃时，放气取出石墨船；

10)蒸发

用真空镀膜机将高纯铝蒸发到硅片表面，硅片表面铝层厚度达到10μm以上；

11)合金

将真空镀膜机蒸发完的芯片放到合金炉中，540℃温度下恒温加热40～45分钟；

12)二次光刻

同步骤6)，腐蚀液为磷酸；

13)台面成型

用自动磨角机将芯片边缘磨角，靠近阳极边缘磨成25度角，靠近阴极边缘磨成3度角，并用体积比为氢氟酸：硝酸＝1：3的腐蚀液腐蚀台面，用去离子水冲洗后烘干，用硅橡胶保护，在220℃温度下老化72小时后即制成芯片；

14)封装

在100℃温度下对芯片进行静态耐压和反向漏电流测试，合格后的芯片即可封装；门极采用聚四氟乙烯膜+铜触点镀银+控制极回路的形式，控制极回路中设有温度控制器；外密封管壳采用无氧铜加陶瓷密封；封装时，沿圆周将阳极垫片定位条放置在下台面处，芯片四周用聚四氟乙烯膜挤紧，将阴极引线的一端插入阴极插头并套热缩管缩紧，将控制极引线的一端用压线钳子将引线与焊片压在一起并用锡焊接，套热缩管并使热缩管缩紧，然后将此端插入门极引出的过渡孔中后用夹线钳夹紧，并套上硅橡胶管，将管壳上盖旋紧；阴极引线和控制引线的另一端压扁并用焊锡封住堵头后用锡丝焊接并套上热缩管，用酒精灯烘烤使热缩管箍紧；

15)晶闸管测试

封装好的晶闸管做触发电流IGT和触发电压VGT测试，当温度达到或超过100℃时控制极信号切断，晶闸管不导通即为合格。