CN202150460U - 永磁发电机专用高结温低压降可控硅芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种永磁发电机电压调节器专用的高结温低压降可控硅芯片。采用1～5欧姆厘米的N型硅材料和二倍空穴扩散长度的隔离基区结构，使产品的额定结温达到≥180度；采用厚度为200±20微米的硅片和双负角台面工艺结构，使产品的峰值压降达到≤1.0伏。其额定结温和峰值压降二项重要特性指标处于国内领先水平。

Description

永磁发电机专用高结温低压降可控硅芯片

技术领域

本实用新型涉及一种永磁发电机电压调节器专用的，具有高结温低压降二项优良特性的可控硅芯片的结构设计，属半导体技术。 

背景技术

目前市场上，与车用三相交流永磁发电机配接的电压调节器，均采用“三相可控硅共阳半控桥整流电路”来控制永磁发电机的输出直流电压，此技术方案在1995年11月15日公开的公告号CN2212850专利“汽车交流永磁发电机电压调节器”中已阐明，该电路用三只整流芯片和三只可控硅芯片构成可控硅半控整流桥组，直接装入永磁发电机中，形成一体化。整流芯片和可控硅芯片在工作中流过电流时，由于自身的压降原因，会将产生大量的热量，逐渐提高了芯片的温度，当芯片产生的热量与芯片通过散热片发散出去的热量平衡时，芯片的温度就不再提高。由于永磁发电机内散热条件恶劣，芯片往往工作在很高温度状态中，当温度超过芯片的额定结温(即芯片内PN结容许的最高工作温度)时，芯片将失去其电特性功能，发电机当然无法对外正常供电，严重时会酿成意外事故。因此，降低芯片的压降，以减少其发热量，提高芯片的结温，以增加其耐温能力，是保证永磁发电机可靠工作的重要技术课题。 

现行国家标准QC/T706-2004《机动车用硅雪崩整流二极管技术条件》，对车用整流二极管芯片的额定结温和峰值压降已有详细的技术规范，按此标准生产的整流二极管芯片已能满足永磁发电机工作需要，本说明书不赘述。但是，车用可控硅管(或芯片)至今尚无国家或行业标准，处于空白状态。可参照使用的有国家标准GB4940-85《普通晶闸管》，其中，以30安培晶闸管(可控硅)为例，该标准限定其额定结温为≤100度，限定其峰值压降≤2.4伏。永磁发电机一般都是组装在内燃机附近，工作环境温度比室温高很多，而电压调节器又装入永磁发电机内部的狭小空间中，散热更加困难。鉴此，现行的国家标准QC/T 774-2006《汽车交流发电机用电子电压调节器技术条件》，规定了内装式电压调节器的环境温度应以105度为考量标准，还规定电压调节器“外壳温度在160度时，工作时间不小于1小时，调节器应不失效”，可以推得，电压调节器内可控硅芯片的额定结温应≥160度。 

现实的技术背景造成了以下的困难：用符合国家标准GB4940《普通晶闸管》的可控硅芯片组装成永磁发电机的电压调节器后，根本不能满足国家标准QC/T 774-2006《汽车交流发电机用电子电压调节器技术条件》的要求。因为以上二个标准关于可控硅芯片额定结温规定之相差为60度。理论计算和模拟试验都表明，只有可控硅芯片峰值压降≤1.0V时，才能确保电压 调节器桥组散热壳体温度低于标准QC/T 774-2006《汽车交流发电机用电子电压调节器技术条件》所要求的160度，此条件下，国家标准GB4940《普通晶闸管》规定的峰值压降与实用可控硅芯片的峰值压降二者之差多达1.4伏。申请人遍查国内所有可控硅芯片生产商，至今无一家能承诺可以生产额定结温高于160度，峰值压降低于1.0伏的可控硅芯片！所以，设计并生产车用高结温低压降可控硅芯片已成为高效、节能、廉价、轻便的永磁发电机生产和普及的瓶颈工程。从另一角度看，也只有在生产出高结温低压降的可控硅管芯后，才能参考制定我国关于车用可控硅的国家或行业标准。 

发明内容

为了能生产出额定结温高于160度，峰值压降低于1.0伏的可控硅芯片，本实用新型提供一套永磁发电机专用的高结温低压降可控硅芯片结构设计技术方案，能生产出满足永磁发电机电压调节器装配可控硅半控整流桥组所用的合格产品。 

本实用新型解决以上问题的技术方案是1，根据单晶硅中硅原子本征激发规律，即温度越高本征激发浓度越高，选用较高掺杂浓度的N型硅片，对应提高极限本征激发温度，来提高可控硅芯片的额定结温；2，改变传统的“一正一负”成角工艺，为“双负角”成角工艺，减小了高温漏电流，降低了阴极电流密度；3，根椐可控硅芯片峰值压降与芯片基区厚度的平方成反比的规律，选用超薄硅片，减少基区厚度来降低峰值压降。 

以下就三点技术方案作详细说明： 

1，根据单晶硅中硅原子本征激发规律，即温度越高本征激发浓度越高，选用较高掺杂浓度N型硅片，对应提高极限本征激发温度，来提高可控硅芯片的额定结温。 

制作永磁发电机专用可控硅芯片必须采用较高掺杂的N型硅单晶材料，原因是其对应的本征激发温度可以更高。理论指出，纯净硅温度达到200～260度时，其本征激发浓度为10的(14～15次方)，相当于N型电阻率30～4欧姆厘米的杂质浓度。换言之，可控硅芯片温度达到一定温度时，由于高温本征激发形成的电子空穴对，已将芯片内的形成PN结的各种杂质浓度湮没，产品电性能荡然无存。制造芯片的材料杂质浓度越低，湮没时对应的温度也越低。所以，要制造高结温的可控硅芯片，其N型硅片材料电阻率应远低于30(欧姆厘米)，且越低越好。 

另一方面，选用过低电阻率的硅片材料，可控硅芯片的耐压必然降低。N型硅片基区耗尽层中电阻率ρ关于耐压V有以下的关系： 

V＝94ρ(0.75次方)                    ……式(1)(引自美国通用电气公司资料) 

车用永磁发电机通过电压调节器后，输出电压值一般为14～28伏，但发电机在最高转速6000转/分钟时，发电机对电压调节器输入电压调节器压≥80伏，另考虑到反峰脉冲因素， 国家标准QC/T706-2004《机动车用硅雪崩整流二极管技术条件》中，规定整流二极管的最高耐压为45伏，不能延用于车用永磁发电机专用可控硅芯片，应设计可控硅芯片耐压为≥150伏较妥，又因可控硅芯片中P区扩散层能承担一定的电压，可控硅芯片中N基区耗尽层耐压设计为耐压100伏时完全能满足可控硅芯片耐压≥150伏要求。将V＝100伏代入式(1)，得： 

ρ≈1(欧姆厘米) 

电阻率为1欧姆厘米的N型硅材料，对应杂质浓度约为5x10(15次方)，对应本征激发温度约为300度。远远高于国家标准QC/T 774-2006《汽车交流发电机用电子电压调节器技术条件》对可控硅芯片的结温要求。所以，设计生产出高于180度额定结温的可控硅芯片在理论上是可行的。 

本实用新型选用电阻率为为1～3欧姆厘米的N型硅材料，已生产出最高额定结温为200度，耐压≥200伏的优良可控硅芯片样品，属国内领先水平。考虑到工艺变量，生产成本，市场习惯等诸多因素，实际生产中，可选用电阻率为1～5欧姆厘米。 

2，改变传统的“一正一负”成角工艺，为“双负角”成角工艺，减小了高温漏电流，降低了阴极电流密度。 

可控硅芯片在工作中要承受正向、反向二种电压，为保证芯片边缘台面电场强度的降低，高温漏电流减小，传统工艺采用磨一个“正角”来承受反向电压；磨一个“负角”来承受正向电压，这“一正一负”角，全都设在阴极面上，二角总宽度约在1.5～2毫米之间。永磁发电机专用可控硅芯片，要求芯片额定工作电流为20～50安培范围。以园形芯片为例，对应其直径约在7～12毫米之间，假如在其阴极面上磨出“一正一负”二个角度，将损失直径3～4毫米，减少大量的阴极面积，使阴极电流密度大幅增加，使可控硅芯片的峰值压降大幅度增加，热阻也急剧增大。这是国内永磁发电机专用可控硅芯片难以制作的重要原因。 

在本实用新型中，设计在可控硅芯片的阴极面上磨制一个负角，承受正向电压；在其阳极面上对应磨制一个负角，承受反向电压。二角相互对应，角边宽0.8～1.0毫米，损失阴极面积较少，不但提高了原材料的利用率，峰值压降和热阻二项性能也得到了改善。 

3，根椐可控硅芯片峰值压降与芯片基区厚度的平方成反比的规律，选用超薄硅片，减少基区厚度来降低峰值压降。 

可控硅芯片基区中耗尽区厚度d，与电阻率ρ存在下列关系： 

d＝4.95ρ(0.875次方)(微米) 

                    ……式(2)(引自《高压硅半导体器件耐压与表面绝缘技术》) 

代入电阻率ρ＝3(欧姆厘米)，得d＝12.9微米。 

可控硅芯片基区宽厚度，等于耗尽区厚度d和隔离基区(又称有效基区)厚度L之和，隔离区越厚，内部PN结之间影响越小，产品的高温漏电流越小。本实用新型设计隔离区厚度结构是国N区少子空穴扩散长度的2倍，此条件下，可控硅芯片内部PN结之间影响较小，电流输运系数约为0.266倍，产品高温漏电较小。温度180度、空穴寿命5微秒时，空穴扩散长度等于43微米，故隔离区厚度取86微米。可控硅芯片基区宽度则为： 

d+L≈13+86＝99(微米) 

在本实用新型中，设计可控硅芯片双面对称扩散P型杂质的厚度P为50微米。则可控硅芯片产品的硅片总厚度为： 

D＝d+L+P+P＝99+50+50＝199(微米) 

比起传统的可控硅芯片生产工艺，采用厚度450～550微米总厚度的硅片，不但节省大量原材料，更重要的是产品的峰值压降大幅度降低。试用厚度为200微米的普通N型硅片生产出的可控硅芯片样品，最低峰值压降等于0.90伏，也达到了国内领先水平。 

综上所述，本实用新型提供了一种永磁发电机电压调节器专用的高结温低压降可控硅芯片。采用1～5欧姆厘米的N型硅材料和二倍空穴扩散长度的隔离基区结构，使产品的额定结温达到≥180度；采用厚度为200±20微米的硅片和双负角台面工艺结构，使产品的峰值压降达到≤1.0伏。其额定结温和峰值压降二项重要特性指标处于国内领先水平。 

附图说明

下面以说明书附图中园形结构的可控硅芯片为例，对本实用新型技术方案作进一步说明。其它外型结构形状(方、长方、椭园等)的可控硅芯片附图，未能一一例举，但可以沿用同样的技术说明。 

图1是可控硅芯片平面图。，Φ为园型可控硅芯片外园直径，其值对应设计为7～18毫米，其它外型结构形状的可控硅芯片可以用相同面积类推。K为阴极电极直径，其值比Φ小二个负角边宽，一个负角边宽为0.8～1.0毫米。阴极与门极之间的空隙处称“门极环槽”，用光刻方法形成，其宽度为0.3～0.5毫米。 

图2是可控硅芯片剖面图。门电极位于图左上部，阴电极位于图右上部，阳电极位于图的下部，以上三电极可选用导电和导热性能较好而热膨胀系数较小的金属或合金。各电极与硅片的欧姆接触和机械连接可采用二者均镀镍，然后用铅锡炉钎焊方法焊结合。门极环槽中和硅片边缘负角处，填入绝缘能力好、与硅片和电极粘附力强的绝缘胶。 

图2的局部放大图，给出了可控硅芯片园周边缘处双负角的成角形状。阴极面和阳极面上的二个负角大小相等且相互对应，角度α选用3.5～4.5度，角边宽选用0.8～0.1毫米。 

具体实施方式

本实用新型技术方案属于半导体技术范畴，所以工艺实施较为复杂，以下按工艺程序(工序)先后分别叙述如下： 

1，选取N型，<111>晶向，电阻率1～5欧姆厘米，磨厚200±20微米，直径3英寸或4英寸硅单晶片，为主要原材料。 

2，双面扩散硼、铝等三价元素杂质形成双P层，要求P层表面杂质原子浓度为10(18次方)，单面P层深度为50±5微米。 

3，硅片在高温条件下，双面用“干氧-湿氧-干氧”方法氧化，生成氧化层，要求每面氧化层厚度为1.5±0.2微米，用光干涉法检查时，其干涉条纹不少于7条。 

4，选定假设的阴极面，在其上涂、甩负性光刻胶，并实施前光刻胶烘工艺；用设计有可控硅芯片图形的光刻板在光刻机上对阴极面爆光；再用显影液把阴极面上图形显露出来，后用漂洗液洗净硅片及图形；实施后烘光刻胶工艺。 

5，将假设的阳极面用保护胶涂敷均匀，保护胶干透后，硅片放入氟化盐的溶液中，将硅片阴极面上可控硅芯片图形中阴极部分的氧化层去除。 

6，对没有氧化层覆盖的部位扩散五价磷元素，形成N+薄层，要求N+层表面杂质原子浓度为10(20次方)，N+层深度为10±2微米。 

7，将可控硅芯片图形中，门极上、短路点上的氧化层去除，双面扩散硼、铝等三价元素杂质，在阳极上、门极上、短路点上形成P+层，要求P+层表面杂质原子浓度为10(19次方)，P层深度为10±2微米。 

8，重复上述第4道工序，但使用光刻板的图形是为可控硅芯片镀镍设计的光刻板，光刻时必须与原阴极面上的图形对准。 

9，用化学镀镍法对硅片双面镀镍，然后用真空烧结炉或氢气烧结炉对已镀镍硅片进行烧渗，以增加金属与半导体的结合力，减小欧姆接触电阻。 

10，重复上述第8道工序后，对硅片进行第二次化学镀镍，大园片硅片工艺结束。 

11，用对准模具将镀镍硅片逐片对准，逐一用锡焊成一叠，高度约100～200片；装入线切割机的模板中，开动线切割机，将每一大园硅片垂直切割成若干小粒具有独立电特性的可 控硅芯片。线切割机受电脑内存图形控制，可以将可控硅芯片割成园形，也可以是正方形、长方形、椭圆形等任意形状，以适应不同永磁发电机电压调节器内部的安装要求。这是本实用新型优点之一。 

用线切割方法从大硅片上切割下小可控硅芯片，属目前国内空白工艺，不但速度快、工效高，而且特别准确。缺点是，用线切割方法割下的小可控硅芯片垂直边缘比较粗糙，且在后面的工艺中得不到平复，但这并不影响产品的耐压或其它电特性。其原因是，无论产品工作状态中承受的是正向电压还是反向电压，可控硅芯片的垂直边缘始终处于承受电压的“耗尽区”外的“中性区”中。这是本实用新型设计可控硅芯片双负角台面结构的另一优点。 

12，用磨角机将每只可控硅芯片的阴极面和阳极面的边缘研各磨出一个负角，即所谓“双负角”，角度为3.5～4.5度，角边宽为0.8～1.0毫米。 

边缘外形园形结构的可控硅芯片，使用带球形磨角头的普通旋转式的磨角机成角，由于磨削量小，所以工效高且还不会对可控硅芯片造成应力；外形特殊的可控硅芯片需使用配套的磨角机成角。 

13，磨角后的可控硅芯片、镀镍后的阳极电极、阴极电极、门极电极各一，配好各自方位，用夹具夹持，浸入高温铅锡炉中，辅以助焊剂，进行钎焊。 

14，用氢氟酸配加硝酸的混合液腐蚀双负角台面，去除机械受伤层及污染物；烘干后，立即涂敷上绝缘胶保护双负角台面和门极环槽处。 

15，产品存入烘箱，从低温逐步升到高温，直至额定结温，老化一定时间，用以钝化双负角台面和强化绝缘保护胶，稳定产品电特性。 

16，测量可控硅芯片额定结温、峰值压降这二项重要特性的具体数据，以及耐压、触发电压、触发电流、维持电流的具体数据，剔除不良品。 

17，可控硅芯片的产品周期检验及抽样方法，参照国家相关标准执行。 

Claims (3)

1.一种永磁发电机专用高结温低压降可控硅芯片，其特征在于：所述可控硅芯片采用电阻率1～5欧姆厘米、厚度200±20微米的N型硅片，芯片边缘采用双负角台面结构，由阳电极、阴电极、门电极和绝缘保护胶共同组成产品实体。

2.根据权利要求1所述的永磁发电机专用高结温低压降可控硅芯片，其特征在于：所述可控硅芯片，其外边缘形状可以是园形、正方形、长方形或椭园形。

3.根据权利要求1所述的永磁发电机专用高结温低压降可控硅芯片，其特征在于：所述可控硅芯片边缘双负角台面结构，阴极面上负角与阳极面上负角，角度和角边宽对应相同，角度为3.5～4.5度，角边宽为0.8～1.0毫米。 

Images