CN110379862A - 一种250℃/1200v/40a碳化硅二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种250℃/40A/1200V碳化硅二极管及其制造方法，碳化硅二极管属螺栓型结构，由管座组件、芯片、内引线组件、管帽组件构成。管座组件、芯片和内引线组件自下而上顺序组合在一起，其接触界面采用银铅锡焊料共晶回流炉中焊接连接在一起，采用聚酰亚胺胶和瓦克高温胶进行双层保护，固化后再将内引线的导电杆套装在管帽组件的外引线上，并使壳圈和座圈的边缘对齐，用氩弧焊进行焊接，内引线和外引线之间通过压扁连接在一起最终构成碳化硅二极管。本发明为多电和全电飞机的研制提供高温器件支持，也为高温碳化硅器件的研制提供了一种可行方案。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件制造技术，涉及一种航空发电机用高温碳化硅二极管及其制造方法。
背景技术
传统硅基电力电子器件，由于本身结构和材料的限制，在高温、高频等方面的局限性越来越明显，硅基电力电子器件最高结温只能达到200℃，无法满足更高温度的要求。近年来，碳化硅材料因其出色的物理及电特性，越来越受到产业界广泛关注，是研究较为成熟的宽禁带半导体材料之一。
碳化硅器件的重要优势在于具有极高的绝缘击穿场强(2.5MV/cm)和饱和漂移速度，与硅相比，能够以更高的杂质浓度和更薄的漂移层厚度制作出600V至数十kV的高耐压功率器件。理论上，相同耐压的器件，SiC的单位面积漂移层阻抗可以降低到Si的1/1000。另外，SiC高温(大于500℃)特性和高导热率，突破了硅基功率半导体器件温度(小于175℃)限制所导致的严重局限性，可以应用于更广泛的领域。
为利用碳化硅器件的高温、高频优点，近年来逐步将研究重点放在高温碳化硅二极管的研制上，目前国内研制的碳化硅二极管工作温度基本为(-55-175)℃，主要的封装外形是塑封的TO型器件，对200℃以上的高温金属封装的器件研究较少。同时国内众多单位主要以研究碳化硅材料、碳化硅芯片为主，对器件封装、测试与筛选研究较少，与实际应用还有很大差距。
发明内容
为满足未来多电飞机用高温、大功率器件的需要，本发明提供了一种250℃/1200V/40A螺栓型碳化硅二极管及其制造方法，突破了碳化硅二极管的高温和大功率的瓶颈，为未来航空多电飞机的研制提供了器件支撑。通过250℃/40A/1200V的碳化硅二极管的研制，开发出适合250℃结温、40A正向电流、1200V反向电压的碳化硅二极管的制造工艺，摸索出适合碳化硅二极管筛选测试条件，实现了250℃/1200V/40A螺栓型碳化硅二极管高温下的电特性和热特性。
该碳化硅二极管属螺栓型结构，由管座组件、芯片、内引线组件、管帽组件构成。管座组件、芯片和内引线组件自下而上顺序组合在一起，其接触界面采用银铅锡焊料共晶回流炉中焊接连接在一起，采用聚酰亚胺胶和瓦克高温胶进行双层保护，固化后再将内引线的导电杆套装在管帽组件的外引线上，并使壳圈和座圈的边缘对齐，用氩弧焊进行焊接，内引线和外引线之间通过压扁连接在一起最终构成碳化硅二极管。
本发明的技术方案为：
所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，采用螺栓型结构，由管座组件、芯片、内引线组件、管帽组件构成，其特征在于：
所述芯片采用4H-SiC衬底加N-外延片，芯片背面采用Ni进行欧姆接触，正面采用钛进行肖特基接触，钛层外侧再用Ni作为阻断层，最后芯片两面采用金进行厚金工艺；芯片终端保护采用场限环结构，钝化层采用等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅和氮化硅复合介质层；
所述管帽组件由外引线、瓷件绝缘子和壳圈组成，瓷件绝缘子装在壳圈的上部，外引线中心具有盲孔，外引线的细圆柱部分插入瓷件的内孔中，接触部分采用银铜焊料在氢气气氛保护环境下钎焊固定；
所述内引线组件由S形片、导电杆和四方钼片组成，导电杆插入S形片上平面的孔内，S形片下平面平放在四方钼片上，四方钼片与S形片下平面重合且表面进行喷砂镀镍，接触部分采用银铜焊料在真空环境下钎焊固定；
所述管座组件由管座、下钼片、钼片环及座圈组成；所述管座下部为螺栓结构，上部具有管座内腔，管座内腔底面中心具有凸台；座圈插入管座内腔中心凸台与管座内腔侧面之间的圆环槽内，并与管座内腔侧面接触；所述下钼片平放在管座内腔中心凸台上，中心为方形孔的钼片环放置在下钼片表面，接触部分采用银铜焊料在氢气气氛保护下进行钎焊固定；
所述芯片固定在钼片环中心方形孔内，四方钼片与芯片上表面接触，芯片、内引线组件以及管座组件装配后在共晶回流炉中焊接固定；并对芯片进行绝缘保护；最后将管帽组件外引线套装在内引线组件的导电杆上，采用氩弧焊封装。
进一步的优选方案，所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，其特征在于：4H-SiC衬底加N-外延片共350μm，芯片背面Ni欧姆金属层厚度75nm，芯片正面钛肖特基金属层厚度150nm，钛层外侧的Ni阻断层厚度200nm，芯片两面金层厚度分别为1850nm；钝化层中二氧化硅层厚度0.2μm，氮化硅复合介质层厚度0.3μm。
进一步的优选方案，所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，其特征在于：外引线和壳圈采用瓷封合金材料，瓷件绝缘子采用95瓷材料。
进一步的优选方案，所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，其特征在于：所述管座采用铬青铜材料。
所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：准备5×5mm和4×4mm两种银铅锡焊料片；
步骤2：将管座组件螺栓结构放入在石墨盘中的预留孔中，将中心带有方形通孔的石墨工装放入管座组件的座圈内，然后将5×5mm焊料片、四方芯片、4×4mm焊料片依次放入石墨工装的方形孔内，再将内引线组件的四方钼片放入石墨工装的方形孔内，最后铝制工装固定内引线组件，完成装配；
步骤3：将装配好的内引线组件、管座组件和芯片放入共晶回流炉中进行焊接，焊接温度350℃，焊接时间6-8分钟；
步骤4：对焊接完成的器件进行高温反向测试，温度250℃，反向电压1200V，要求漏电小于100μA，淘汰不合格品；
步骤5：涂胶对芯片进行绝缘保护：先将聚酰亚胺胶涂覆于芯片与钼片环间的凹槽内进行高温固化，固化完成后，再涂覆瓦克绝缘胶，进行固化；
步骤6：将管帽组件外引线套装在内引线组件的导电杆上，采用氩弧焊封装，内引线组件的导电杆和外引线之间通过压扁连接在一起最终构成碳化硅二极管。
进一步的优选方案，所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管的制造方法，其特征在于：步骤5中对芯片进行绝缘保护的过程为：
步骤5.1：用无水乙醇棉球清洗焊接后的芯片边缘及管座组件内腔，晾干后，蘸取聚酰亚胺胶均匀的涂覆在芯片的边缘，不出现有漏涂现象；
步骤5.2：将经过步骤5.1处理后的未封帽的器件放置在托盘上，置于超净工作台在室温下晾置24小时；
步骤5.3：将晾置后的器件连同托盘一起放入高温烘箱进行烘烤，烘烤温度100±3℃，时间0.5h；
步骤5.4：将未封帽的器件连同托盘一起移入有氮气保护的烘箱，按下列规范烘烤，且在每个升温过程中通3～5分钟氮气：
升温至140±3℃，恒温0.5h，再升温至200±3℃，恒温0.5h，之后升温至250±3℃，恒温0.5h，而后升温至320±3℃，恒温2h，最后自然冷却至室温；
步骤5.5：对未封帽的器件进行反向重复平均电流测试和正向峰值电压测试，淘汰不合格品；
步骤5.6：用无水乙醇棉球清洗管座组件内腔，烘干待用；
步骤5.7：按照Wacker 915HT∶Wacker CaT PT＝10∶1的比例配置瓦克高温胶；
步骤5.8：瓦克高温胶配置好后，晾置1小时，然后用滴管吸入高温胶，滴涂在管座组件内腔，不出现有漏涂现象；
步骤5.9：将未封帽的器件在室温下晾置至少2小时，且不超过48小时；
步骤5.10：将晾置后的器件放入高温烘箱，按下列规范进行高温烘烤固化：
升温至100±3℃，恒温40分钟，再升温至200±3℃，恒温0.5h，之后升温至250±3℃，恒温1h，最后自然冷却至室温。
有益效果
本发明提供了一种250℃/40A/1200V螺栓型碳化硅二极管及其制造方法，为多电和全电飞机的研制提供高温器件支持，也为高温碳化硅器件的研制提供了一种可行方案。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：碳化硅芯片；
图2：管帽组件；
图3：内引线组件；
图4：管座组件；
图5：碳化硅二极管；
图6：碳化硅芯片尺寸；
图7：内引线组件尺寸；
图8：碳化硅二极管外形尺寸；
图9：聚酰亚胺胶固化曲线；
图10：瓦克高温胶固化曲线；
图11：聚酰亚胺胶涂覆部位；
图12：瓦克高温胶涂覆部位。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出的碳化硅二极管属螺栓型结构，由管座组件、芯片、内引线组件、管帽组件构成。管座组件、芯片和内引线组件自下而上顺序组合在一起，其接触界面采用银铅锡焊料共晶回流炉中焊接连接在一起，采用聚酰亚胺胶和瓦克高温胶进行双层保护，固化后再将内引线的导电杆套装在管帽组件的外引线上，并使壳圈和座圈的边缘对齐，用氩弧焊进行焊接，内引线和外引线之间通过压扁连接在一起最终构成碳化硅二极管。
所述芯片是碳化硅二级管的核心，采用4H-SiC衬底加N-外延片，芯片结构为MPS结构，这种结构结合了肖特基和PiN的特点，具有PiN器件的反向漏电小和肖特基器件的开启电压小的特点。芯片背面采用Ni进行欧姆接触，正面采用钛进行肖特基接触，钛层外侧再用Ni作为阻断层，最后芯片两面采用金进行厚金工艺；芯片终端保护采用场限环结构，钝化层采用等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅和氮化硅复合介质层；如图1所示。
如图6所示，芯片中4H-SiC衬底加N-外延片共350μm，芯片背面Ni欧姆金属层厚度75nm，芯片正面钛肖特基金属层厚度150nm，钛层外侧的Ni阻断层厚度200nm，芯片两面金层厚度分别为1850nm；钝化层中二氧化硅层厚度0.2μm，氮化硅复合介质层厚度0.3μm。
所述管帽组件由外引线、瓷件绝缘子和壳圈组成，瓷件绝缘子装在壳圈的上部，外引线中心具有盲孔，外引线的细圆柱部分插入瓷件的内孔中，接触部分采用银铜焊料在氢气气氛保护环境下钎焊固定。为了满足强度及气密性要求，外引线和壳圈采用瓷封合金材料，瓷件绝缘子采用95瓷材料，结构特殊、长度较短的外引线设计可满足整流管高强度的要求。如图2所示。
所述内引线组件由S形片、导电杆和四方钼片组成，导电杆插入S形片上平面的孔内，S形片下平面平放在四方钼片上，四方钼片与S形片下平面重合且表面进行喷砂镀镍，接触部分采用银铜焊料在真空环境下钎焊固定，如图3所示。四方钼片的尺寸为4×4mm，如图7所示。
所述管座组件由管座、下钼片、钼片环及座圈组成；为了提高强度并兼顾导电、导热性能，管座采用铬青铜材料；管座下部为螺栓结构，上部具有管座内腔，管座内腔底面中心具有凸台；座圈插入管座内腔中心凸台与管座内腔侧面之间的圆环槽内，并与管座内腔侧面接触；所述下钼片平放在管座内腔中心凸台上，中心为方形孔的钼片环放置在下钼片表面，接触部分采用银铜焊料在氢气气氛保护下进行钎焊固定。如图4所示。
所述芯片固定在钼片环中心方形孔内，四方钼片与芯片上表面接触，芯片、内引线组件以及管座组件装配后在共晶回流炉中焊接固定；并对芯片进行绝缘保护；最后将管帽组件外引线套装在内引线组件的导电杆上，采用氩弧焊封装。
如图5所示，上述250℃/1200V/40A碳化硅二极管由管帽组件、内引线组件、碳化硅芯片和管座组件组成，碳化硅芯片边缘采用聚酰亚胺漆和高温瓦克胶进行双层保护，再将管座组件与管帽组件用氩弧焊进行焊接，内引线和外引线之间通过压扁连接在一起最终构成碳化硅二极管。具体的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：准备5×5mm和4×4mm两种银铅锡焊料片，成分为Sn5Pb92.5Ag2.5。
步骤2：将管座组件螺栓结构放入在石墨盘中的预留孔中，将中心带有方形通孔的石墨工装放入管座组件的座圈内，然后将5×5mm焊料片、四方芯片、4×4mm焊料片依次放入石墨工装的方形孔内，再将内引线组件的四方钼片放入石墨工装的方形孔内，最后铝制工装固定内引线组件，完成装配。
步骤3：将装配好的内引线组件、管座组件和芯片放入共晶回流炉中进行焊接，焊接温度350℃，焊接时间6-8分钟。
步骤4：对焊接完成的器件进行高温反向测试，温度250℃，反向电压1200V，要求漏电小于100μA，淘汰不合格品。
步骤5：由于试验发现芯片自身边缘(钝化区)绝缘保护存在问题，高压下边缘有放电现象；因此需要采用涂胶对芯片进行绝缘保护，先将聚酰亚胺胶涂覆于芯片与钼片环间的凹槽内进行高温固化，固化完成后，再涂覆瓦克绝缘胶，进行固化；聚酰亚胺绝缘胶流动性强，通过改变管座结构，使芯片边缘有一层聚酰亚胺(高度大于芯片自身厚度)，解决了芯片高压下边缘放电问题。具体采用以下过程：
步骤5.1：用无水乙醇棉球清洗焊接后的芯片边缘及管座组件内腔，晾干后，用小毛笔蘸取聚酰亚胺胶均匀的涂覆在芯片的边缘，不出现有漏涂现象；
步骤5.2：将经过步骤5.1处理后的未封帽的器件放置在托盘上，置于超净工作台在室温下晾置24小时；
步骤5.3：将晾置后的器件连同托盘一起放入高温烘箱进行烘烤，烘烤温度100±3℃，时间0.5h；
步骤5.4：将未封帽的器件连同托盘一起移入有氮气保护的烘箱，按下列规范烘烤，且在每个升温过程中通3～5分钟氮气：
升温至140±3℃，恒温0.5h，再升温至200±3℃，恒温0.5h，之后升温至250±3℃，恒温0.5h，而后升温至320±3℃，恒温2h，最后自然冷却至室温；
步骤5.5：对未封帽的器件进行反向重复平均电流测试和正向峰值电压测试，淘汰不合格品；
其中反向重复平均电流测试：Ta＝(25±5)℃，VRRM＝1200V；要求：IRR(AV)≤100μA；
正向峰值电压测试：Ta＝(25±5)℃，IFM＝40A；要求：VFM≤2V；
步骤5.6：用无水乙醇棉球清洗管座组件内腔，用红外线灯烘干待用；
步骤5.7：按照质量比Wacker 915HT∶Wacker CaT PT＝10∶1的比例配置瓦克高温胶；
步骤5.8：瓦克高温胶配置好后，晾置1小时，然后用滴管吸入高温胶，滴涂在管座组件内腔，涂覆时采用放大镜观察，不出现有漏涂现象；
步骤5.9：将未封帽的器件在室温下晾置至少2小时，且不超过48小时；
步骤5.10：将晾置后的器件放入高温烘箱，按下列规范进行高温烘烤固化：
升温至100±3℃，恒温40分钟，再升温至200±3℃，恒温0.5h，之后升温至250±3℃，恒温1h，最后自然冷却至室温。
通过这种上述这种涂覆和固化后的双层胶的涂覆和固化后既可满足250℃的高温要求，又有绝缘性能优良、硬度小，能够对外界应力起到缓冲作用，达到了对芯片绝缘隔离保护的作用。
步骤6：将管帽组件外引线套装在内引线组件的导电杆上，采用氩弧焊封装，内引线组件的导电杆和外引线之间通过压扁连接在一起最终构成碳化硅二极管。最终产品尺寸如图8所示。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，采用螺栓型结构，由管座组件、芯片、内引线组件、管帽组件构成，其特征在于：
所述芯片采用4H-SiC衬底加N-外延片，芯片背面采用Ni进行欧姆接触，正面采用钛进行肖特基接触，钛层外侧再用Ni作为阻断层，最后芯片两面采用金进行厚金工艺；芯片终端保护采用场限环结构，钝化层采用等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅和氮化硅复合介质层；
所述管帽组件由外引线、瓷件绝缘子和壳圈组成，瓷件绝缘子装在壳圈的上部，外引线中心具有盲孔，外引线的细圆柱部分插入瓷件的内孔中，接触部分采用银铜焊料在氢气气氛保护环境下钎焊固定；
所述内引线组件由S形片、导电杆和四方钼片组成，导电杆插入S形片上平面的孔内，S形片下平面平放在四方钼片上，四方钼片与S形片下平面重合且表面进行喷砂镀镍，接触部分采用银铜焊料在真空环境下钎焊固定；
所述管座组件由管座、下钼片、钼片环及座圈组成；所述管座下部为螺栓结构，上部具有管座内腔，管座内腔底面中心具有凸台；座圈插入管座内腔中心凸台与管座内腔侧面之间的圆环槽内，并与管座内腔侧面接触；所述下钼片平放在管座内腔中心凸台上，中心为方形孔的钼片环放置在下钼片表面，接触部分采用银铜焊料在氢气气氛保护下进行钎焊固定；
所述芯片固定在钼片环中心方形孔内，四方钼片与芯片上表面接触，芯片、内引线组件以及管座组件装配后在共晶回流炉中焊接固定；并对芯片进行绝缘保护；最后将管帽组件外引线套装在内引线组件的导电杆上，采用氩弧焊封装。
2.根据权利要求1所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，其特征在于：4H-SiC衬底加N-外延片共350μm，芯片背面Ni欧姆金属层厚度75nm，芯片正面钛肖特基金属层厚度150nm，钛层外侧的Ni阻断层厚度200nm，芯片两面金层厚度分别为1850nm；钝化层中二氧化硅层厚度0.2μm，氮化硅复合介质层厚度0.3μm。
3.根据权利要求1所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，其特征在于：外引线和壳圈采用瓷封合金材料，瓷件绝缘子采用95瓷材料。
4.根据权利要求1所述一种250℃/1200V/40A碳化硅二极管，其特征在于：所述管座采用铬青铜材料。
5.权利要求1所述碳化硅二极管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：准备5×5mm和4×4mm两种银铅锡焊料片；
步骤2：将管座组件螺栓结构放入在石墨盘中的预留孔中，将中心带有方形通孔的石墨工装放入管座组件的座圈内，然后将5×5mm焊料片、四方芯片、4×4mm焊料片依次放入石墨工装的方形孔内，再将内引线组件的四方钼片放入石墨工装的方形孔内，最后铝制工装固定内引线组件，完成装配；
步骤3：将装配好的内引线组件、管座组件和芯片放入共晶回流炉中进行焊接，焊接温度350℃，焊接时间6-8分钟；
步骤4：对焊接完成的器件进行高温反向测试，温度250℃，反向电压1200V，要求漏电小于100μA，淘汰不合格品；
步骤5：涂胶对芯片进行绝缘保护：先将聚酰亚胺胶涂覆于芯片与钼片环间的凹槽内进行高温固化，固化完成后，再涂覆瓦克绝缘胶，进行固化；
步骤6：将管帽组件外引线套装在内引线组件的导电杆上，采用氩弧焊封装，内引线组件的导电杆和外引线之间通过压扁连接在一起最终构成碳化硅二极管。
6.根据权利要求5所述碳化硅二极管的制造方法，其特征在于：步骤5中对芯片进行绝缘保护的过程为：
步骤5.1：用无水乙醇棉球清洗焊接后的芯片边缘及管座组件内腔，晾干后，蘸取聚酰亚胺胶均匀的涂覆在芯片的边缘，不出现有漏涂现象；
步骤5.2：将经过步骤5.1处理后的未封帽的器件放置在托盘上，置于超净工作台在室温下晾置24小时；
步骤5.3：将晾置后的器件连同托盘一起放入高温烘箱进行烘烤，烘烤温度100±3℃，时间0.5h；
步骤5.4：将未封帽的器件连同托盘一起移入有氮气保护的烘箱，按下列规范烘烤，且在每个升温过程中通3～5分钟氮气：
升温至140±3℃，恒温0.5h，再升温至200±3℃，恒温0.5h，之后升温至250±3℃，恒温0.5h，而后升温至320±3℃，恒温2h，最后自然冷却至室温；
步骤5.5：对未封帽的器件进行反向重复平均电流测试和正向峰值电压测试，淘汰不合格品；
步骤5.6：用无水乙醇棉球清洗管座组件内腔，烘干待用；
步骤5.7：按照Wacker 915 HT∶Wacker CaT PT＝10∶1的比例配置瓦克高温胶；
步骤5.8：瓦克高温胶配置好后，晾置1小时，然后用滴管吸入高温胶，滴涂在管座组件内腔，不出现有漏涂现象；
步骤5.9：将未封帽的器件在室温下晾置至少2小时，且不超过48小时；
步骤5.10：将晾置后的器件放入高温烘箱，按下列规范进行高温烘烤固化：
升温至100±3℃，恒温40分钟，再升温至200±3℃，恒温0.5h，之后升温至250±3℃，恒温1h，最后自然冷却至室温。
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