CN111341835A - 永磁电机专用大功率整流管芯片 - Google Patents
永磁电机专用大功率整流管芯片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111341835A CN111341835A CN202010190745.4A CN202010190745A CN111341835A CN 111341835 A CN111341835 A CN 111341835A CN 202010190745 A CN202010190745 A CN 202010190745A CN 111341835 A CN111341835 A CN 111341835A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- chip
- permanent magnet
- magnet motor
- region
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 30
- 238000002161 passivation Methods 0.000 abstract description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920003055 poly(ester-imide) Polymers 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
- H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
Abstract
本发明提供了一种永磁电机专用大功率整流管芯片，芯片轴向采用阳极P+—基区N‑—阴极N+的薄片结构，阳极平面采用多圈等势环的平面耐压结构，芯片平面耐压区采用无机材料玻璃钝化保护，垂直终端边缘具有N+保护区,其N‑基区产生的正向压降约为传统工艺产品的四分之一；其常温、高温状态下反向重复峰值电流的数值，要低到近一个数量级；工作结温要提高20℃～30℃；有益效果在于：产品具有较低的正向峰值电压VFM，更高的反向重复峰值电压VRRM，更小的反向重复峰值电流IRRM，和能承受更高的耐温。
Description
技术领域
本发明属于《2018年国家重点支持的高新技术领域目录》中：“一、电子信息——(六)新型电子元器件——3.大功率半导体器件”的技术领域。
背景技术
永磁电机，包括永磁发电机和永磁电动机，由于其具有节能、节料、寿命长、体积小、重量轻等诸多优点，正在工农业生产中得到普及推广。尤其是移动式设备和新能源设备中，得到大面积的使用。永磁电机与智能驱动控制相结合，可以实行逆运转，该特点在特殊设备中更是发挥了传统电机所不能取代的作用。例如在电动公交或高铁上，当车辆启动或高速运行时，永磁电机连接成永磁电动机运行模式，电机将电源的电能转化为机械能，驱动车辆加速或匀速行驶；当车辆减速或进站时，永磁电机连接成永磁发电机运行模式，电机将车辆的动能转化为电能，返还电源。这样不但节约了能量，还节省了摩擦片及避免了发热故障。
所有永磁电机与电源相衔接的链接部位，无一不使用大功率半导体器件。常用的大功率半导体器件有：专用整流器件、专用晶闸管器件、金属-氧化物-半导体场效应器器件(MOSFET)、绝栅双极型晶体管器件(IGBT)。这些半导体器件都有着一些共同的特点：大功率(控制数KW瓦到数万KW)、高反压(数KV到数十KV)、强电流(数百A到数千A)、高频率(数KHz到数十KHz)、使用环境温差大(零下40℃到零上40℃)。这些大功率半导体器件的设计、生产，有别于普通的半导体器件，有着特殊的结构设计和工艺设计。
国内目前大电流普通整流管产品的设计，均参照了国家推荐标准：JB-T 8949.2-2013《普通整流管·第2部分》。其中有部分技术参数指标，已不能满足永磁电机上采标使用。例如：工作结温Tj＝-40℃～+150℃，其高温上限就不能适用于永磁电机的恶劣环境；额定反向重复峰值电压VRRM≤3000V，其电压上限就不能适用于永磁电机电路可能承受的5000V高反压；正向峰值电压VFM＝2V，不适合永磁电机的节能要求；反向重复峰值电流IRRM≤60mA，也不能满足永磁电机的可靠性要求。永磁电机专用大功率整流管芯片，必须有更高的指标要求。
国内目前普通整流管芯片的生产中，使用N型单晶硅片为原材料，采用传统工艺：芯片轴向采用P+—N—N+的厚片结构，芯片边缘采用机械成角(20～35度)的台面耐压结构，芯片台面耐压区采用有机材料(硅橡胶、聚脂亚胺等)保护。这种工艺结构，虽然已被各制造商发挥到了极至，但也难以生产出高质量要求的永磁电机专用大功率整流管芯片。本发明要突破这种传统工艺结构的桎梏，研发出高品质的永磁电机专用大功率整流管芯片。
发明内容
本发明提出一种永磁电机专用大功率整流管芯片，其工艺结构特征在于：芯片轴向为阳极P+—基区N-—阴极N+的薄片结构，阳极平面上设有圈式P+等势环，阳极平面反向耐压区采用无机材料玻璃钝化保护，垂直终端边缘具有N+保护区。可以生产出较低的正向峰值电压VFM、更高的反向重复峰值电压VRRM、更小的反向重复峰值电流IRRM的耐高温产品。
以设计制造反向峰值电压为4000V的产品为例，分析传统工艺结构与本发明工艺结构的区别。传统工艺产品的基区反向耐压公式可使用：
V＝94*ρ(0.75次方)式中ρ为单晶硅片N基区的电阻率，单位是欧姆厘米(Ωcm)
代入V＝4000，得ρ＝149Ωcm
传统工艺产品的基区厚度公式可使用：
D＝4.95*ρ(0.875次方)式中D为单晶硅片N基区的厚度，单位是微米(um)
代入ρ＝149Ωcm，得D＝394.6um
如采用本发明芯片轴向采用P+—N-—N+的薄片结构工艺，N-基区的电阻率可从宽选择在200～300Ωcm之间，N-基区的电场呈现近似平行匀强电场强度分布，与上述传统工艺N基区的电场呈现三角形电场强度分布相比，在相同的反向耐压条件下，本发明工艺结构的N-基区厚度约是传统工艺N基区厚度的一半，为：D＝394.6um/2＝197.3um。
有成熟的理论指出，整流芯片在通过正向电流时，基区产生的压降与基区厚度的平方成正比，所以，本发明工艺结构的N基区正向压降，约是传统工艺N基区正向压降的四分之一。这就从结构设计上大幅降低了永磁电机专用大功率整流管芯片的正向峰值电压VFM。
生产反向重复峰值电压3000～5000V的永磁电机专用大功率整流管芯片，芯片轴向采用P+—N-—N+的薄片结构工艺，N-基区的电阻率可选择在200～400Ωcm之间，基区厚度可选择在150～260um之间。其N-基区产生的正向压降约为传统工艺N基区(280～510um)产生的正向压降的四分之一。
说明书附图1，给出了传统工艺普通整流管芯片芯片边缘采用机械成角的台面耐压结构，图上标出了芯片在承受反向电压时的电力线和等势线的分布情况。芯片是依靠机械加工所形成的台斜面来耐压的，反向电压是加载在单一段的耐压区间段上，台面上所产生的电场强度较强。
说明书附图2，给出了本发明芯片边缘采用多圈等势环的平面耐压结构，图上也标出了芯片在承受反向电压时的电力线和等势线的分布情况。从图可知，芯片是依靠平面工艺形成的多段P型平面等势环的平面来耐压的，芯片所承受的反向电压分别加载在多段的耐压区间段上，每个分段上承受的反向电压仅是芯片所承受的反向电压的N分之一(N是分段数)，每个分段平面上所产生的电场强度较弱。显然，这样的工艺结构，在芯片所承受相同反向电压的条件下，所产生的反向重复峰值电流更小，高温特性更好，产品的可靠性也更高。
生产反向重复峰值电压≤3000V的永磁电机专用大功率整流管芯片，采用一个P+型等势环，承受反向电压时，有二段耐压区间；生产反向重复峰值电压3000～5000V的永磁电机专用大功率整流管芯片，采用二个P+型等势环，承受反向电压时，有三段耐压区间。
说明书附图2上，描述了用反向耐压区上覆盖的无机玻璃材料钝化保护层。大量试验数据表明，用无机玻璃材料钝化、保护的大功率整流管芯片，相比用有机材料钝化、保护的大功率整流管芯片，其常温、高温状态下反向重复峰值电流的数值，要低到近一个数量级；工作结温要增加20℃～30℃。
永磁电机专用大功率整流管芯片所用无机玻璃材料的厚度，既要考虑无机玻璃材料与硅材料之间由于热膨胀系数差异所产生的应力，又要满足电气击穿的要求。生产反向重复峰值电压≤3000V的永磁电机专用大功率整流管芯片，无机玻璃保护材料的厚度采用100～150um；生产反向重复峰值电压3000～5000V的永磁电机专用大功率整流管芯片，无机玻璃材料的厚度采用150～200um。
永磁电机专用大功率整流管芯片所用的阳极和等势环P+区的厚度为50～100um，阴极N+区的厚度为40～80um。
永磁电机专用大功率整流管芯片的终端使用垂直表面。芯片后期组装过程中，终端表面上可能会有杂质干扰，使芯片的高温特性恶化、反向漏电增加，所以在垂直终端表面上设有N+保护区，保护区的宽度为30～60um。
综上,本发明提供了一种永磁电机专用大功率整流管芯片，芯片轴向采用阳极P+—基区N-—阴极N+的薄片结构，阳极平面采用多圈等势环的平面耐压结构，芯片平面耐压区采用无机材料玻璃钝化保护，垂直终端边缘具有N+保护区。产品具有较低的正向峰值电压VFM，，更高的反向重复峰值电压VRRM，，更小的反向重复峰值电流IRRM，和能承受更高的耐温。
附图说明
附图1，传统工艺普通整流管芯片芯片结构剖面图。图中，边缘采用机械成斜角的台面耐压结构，沿芯片轴向分别为阴极N+、基区N、阳极P+，斜角台面上有有机保护层B，带箭头的细实线标示出芯片在承受反向电压时的电力线分布情况，细虚线标示出芯片在承受反向电压时的等势线分布情况。
附图2，本发明一种永磁电机专用大功率整流管芯片结构图。图中，边缘采用垂直结构，垂直终端表面上有N+保护区F，沿芯片轴向分别为阳极P+区、淡基区N-、阴极N+区，与阳极平行的平面上设有第一圈等势环P+1、第二圈等势环P+2，阳极边缘与等势环表面上有无机玻璃保护层B，带箭头的细实线标示出芯片在承受反向电压时的电力线分布情况，细虚线标示出芯片在承受反向电压时的等势线分布情况。
具体实施方式
本技术方案属于半导体生产范畴，实施工艺均采半导体工艺技术，分结叙述如下：
N-基区的形成：N-基区由单晶硅材料决定，单晶硅片的电阻率可按本说明书发明内容中要求的200～400Ωcm选取：-基区的厚度可按本说明书发明内容中要求的150～260um选取：晶硅片的厚度可按“N-基区厚度加P+区厚度加N+区厚度”来确定。
P+区和N+区的形成：采用扩散方法生成，其浓度与深度与扩散所用杂质、温度、时间等因素决定。
P+等势环的形成：采用氧化、光刻、遮蔽扩散工艺。具体过程是，对P+区未扩散前的表面进行氧化工艺，产生约1um厚的氧化层；采用光刻技术对氧化层‘开窗”，即将需扩散P+区部位和P+等势环部位的氧化层去除；然后采用遮蔽扩散工艺，被开窗部位就形成了P+区和P+等势环。
无机玻璃保护层的形成：可采用刀刮法、电泳法、光阻法中任一种方法。具体过程是，采用上述三种工艺中任一种，将无机玻璃粉涂覆在阳极边缘与等势环表面上，送入玻璃钝化炉进行高温钝化，然后慢降温退出钝化炉。
垂直终端表面上N+保护区的形成：可采用离子注射法形成；又可采用先用激光沿芯片阴极面的终端线烧融成连续的虚线孔，再在N+区扩散时形成。
Claims (6)
1.一种永磁电机专用大功率整流管芯片，其特征在于：芯片轴向为阳极P+—基区N-—阴极N+的薄片结构，阳极平面上设有多圈P+等势环，平面反向耐压区采用无机材料玻璃钝化保护，垂直终端边缘具有N+保护区。
2.根据权利要求1所述的永磁电机专用大功率整流管芯片，其特征在于：整流管芯片的N-基区反向重复峰值电压3000～5000V的芯片，N-基区的电阻率为200～400Ωcm，基区厚度为150～260um。
3.根据权利要求1所述的永磁电机专用大功率整流管芯片，其特征在于：圈式P+型等势环反向重复峰值电压≤3000V芯片，采用一个P+型等势环，有二段耐压区间；反向重复峰值电压3000～5000V的芯片，采用二个P+型等势环，有三段耐压区间。
4.根据权利要求1所述的永磁电机专用大功率整流管芯片，其特征在于：反向重复峰值电压≤3000V的芯片，厚度采用100～150um；反向重复峰值电压3000～5000V的芯片，厚度采用150～200um。
5.根据权利要求1所述的永磁电机专用大功率整流管芯片，其特征在于：阳极和等势环P+区的厚度为50～100um，阴极N+区的厚度为40～80um。
6.根据权利要求1所述整流管芯片的垂直终端表面上N+保护区，其特征在于：保护区的宽度为30～60um。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010190745.4A CN111341835A (zh) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | 永磁电机专用大功率整流管芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010190745.4A CN111341835A (zh) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | 永磁电机专用大功率整流管芯片 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111341835A true CN111341835A (zh) | 2020-06-26 |
Family
ID=71187643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010190745.4A Pending CN111341835A (zh) | 2020-03-18 | 2020-03-18 | 永磁电机专用大功率整流管芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111341835A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA778982A (en) * | 1968-02-20 | L. Davies Robert | Semiconductor devices | |
| CN201430143Y (zh) * | 2009-06-24 | 2010-03-24 | 湖北台基半导体股份有限公司 | 反向阻断二极晶闸管 |
| US8878236B1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-04 | Ixys Corporation | High voltage breakover diode having comparable forward breakover and reverse breakdown voltages |
| CN109509794A (zh) * | 2018-12-08 | 2019-03-22 | 程德明 | N+区边缘圆弧形结构的p+-i-n+型功率二极管 |
| CN211507639U (zh) * | 2020-03-18 | 2020-09-15 | 深圳市吉胜华力科技有限公司 | 永磁电机专用大功率整流管芯片 |
-
2020
- 2020-03-18 CN CN202010190745.4A patent/CN111341835A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA778982A (en) * | 1968-02-20 | L. Davies Robert | Semiconductor devices | |
| CN201430143Y (zh) * | 2009-06-24 | 2010-03-24 | 湖北台基半导体股份有限公司 | 反向阻断二极晶闸管 |
| US8878236B1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-04 | Ixys Corporation | High voltage breakover diode having comparable forward breakover and reverse breakdown voltages |
| CN109509794A (zh) * | 2018-12-08 | 2019-03-22 | 程德明 | N+区边缘圆弧形结构的p+-i-n+型功率二极管 |
| CN211507639U (zh) * | 2020-03-18 | 2020-09-15 | 深圳市吉胜华力科技有限公司 | 永磁电机专用大功率整流管芯片 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5150953B2 (ja) | 半導体装置 | |
| DE112011103506T5 (de) | Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung | |
| CN1379479A (zh) | 电力半导体器件 | |
| KR20120104537A (ko) | 반도체 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 | |
| CN211507639U (zh) | 永磁电机专用大功率整流管芯片 | |
| CN104409491A (zh) | 高压快开通晶闸管及其制造方法 | |
| CN103579322B (zh) | 一种增强开关速度和开关均匀性的igbt器件及其制造方法 | |
| CN113964223B (zh) | 一种抑制切割边缘漏电的晶体硅太阳能电池片、电池组件及制备方法 | |
| CN101866855B (zh) | 一种高压功率快恢复平面二极管芯片制造方法 | |
| CN110534559B (zh) | 一种碳化硅半导体器件终端及其制造方法 | |
| Laska et al. | Optimizing the vertical IGBT structure-the NPT concept as the most economic and electrically ideal solution for a 1200 V-IGBT | |
| CN111341835A (zh) | 永磁电机专用大功率整流管芯片 | |
| JPH0691244B2 (ja) | ゲートターンオフサイリスタの製造方法 | |
| EP3823035A1 (en) | Gate turn-off thyristor and manufacturing method therefor | |
| CN110690278A (zh) | 一种绝缘栅双极型晶体管及其制备方法 | |
| JPH07273309A (ja) | 電力半導体素子 | |
| CN107871777B (zh) | 半导体装置和其制造方法以及电力变换系统 | |
| CN111933705B (zh) | 一种功率半导体器件的制作方法及功率半导体器件 | |
| CN113363252A (zh) | 沟槽igbt芯片版图结构 | |
| CN103928321A (zh) | 碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法 | |
| CN109817707A (zh) | Rc-igbt结构及其制造方法 | |
| CN104616986B (zh) | 一种快恢复二极管的制备方法 | |
| CN107403727A (zh) | 一种快恢复二极管的制造方法及快恢复二极管 | |
| CN114050183B (zh) | 逆导型功率芯片制造方法 | |
| CN112993086B (zh) | 一种n型晶硅电池的电注入方法及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |