采用鎢電極材料制造抗大浪涌電流沖擊玻璃鈍化高壓硅堆的工藝研究

古 進(jìn) 楊彥聞

（中國振華集團(tuán)永光電子有限公司（國營第八七三廠），貴州 貴陽 550000）

采用鎢電極材料制造抗大浪涌電流沖擊玻璃鈍化高壓硅堆的工藝研究

古 進(jìn) 楊彥聞

（中國振華集團(tuán)永光電子有限公司（國營第八七三廠），貴州 貴陽 550000）

本文通過介紹采用鎢電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉬電極材料運(yùn)用于高壓硅堆的制造，并使用與鎢電極熱匹配性能更好、機(jī)械強(qiáng)度更高的鈍化玻璃粉進(jìn)行器件的封裝，提高了玻璃鈍化實(shí)體封裝結(jié)構(gòu)的高壓硅堆抗大浪涌電流能力，同時提升了器件的抗溫度沖擊能力。

鎢電極；玻璃鈍化實(shí)體封裝；高壓硅堆

1　概述

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的高壓硅堆封裝形式大部分為塑封，而涉及可靠性較高的玻璃鈍化封裝高壓硅堆卻很少見，生產(chǎn)玻璃鈍化高壓硅堆的主要制造工藝路線為：制造反向擊穿電壓在1000V左右的單顆管芯，將管芯分極后裝模燒焊，芯片腐蝕涂粉成型實(shí)現(xiàn)電參數(shù)性能，管芯疊加數(shù)量根據(jù)要求的反向工作電壓而定［1］，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

目前我廠生產(chǎn)的玻璃鈍化快恢復(fù)整流硅堆反向工作電壓最高僅達(dá)到5000V，而未涉到反向耐壓更高、抗更大浪涌電流沖擊的硅堆器件，下面我們將研究反向工作電壓VRWM為7500V，反向不重復(fù)峰值電壓VRSM達(dá)到10000V，反向恢復(fù)時間trr小于60ns，正向浪涌電流IFSM達(dá)到25A的玻璃鈍化高壓硅堆器件的制造工藝。

該產(chǎn)品的研制主要有三個難點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)25A正向浪涌電流指標(biāo)；②實(shí)現(xiàn)7500V反向電壓下產(chǎn)品漏電流小于1μA指標(biāo)，③滿足-55℃～175℃下500次溫度循環(huán)試驗(yàn)，即解決玻璃鈍化高壓硅堆各組件之間的熱匹配問題。

產(chǎn)品研制初期，主要的問題有：a、25A正向浪涌電流后產(chǎn)品玻球出現(xiàn)裂紋。b、500次溫度循環(huán)后玻球出現(xiàn)裂紋，溫度循環(huán)試驗(yàn)考核項(xiàng)目產(chǎn)品淘汰不收斂。c、7500V下測試反向漏電流成品率很低，只有10%左右。

對于快恢復(fù)玻璃鈍化高壓硅堆而言，由于產(chǎn)品采用數(shù)顆PN結(jié)疊加實(shí)現(xiàn)高反向電壓要求，產(chǎn)品正向壓降VF通常較大，一般在10～15V左右，25A浪涌電流下瞬時功率非常大，要實(shí)現(xiàn)7500V的反向工作電壓同時還需滿足25A的正向浪涌電流能力，目前國內(nèi)還沒廠家生產(chǎn)類似的產(chǎn)品。產(chǎn)品在研制初期，我們對試制的產(chǎn)品進(jìn)行正向浪涌電流試驗(yàn)，試驗(yàn)后產(chǎn)品管體發(fā)熱嚴(yán)重，淘汰率很高，失效模式為玻球出現(xiàn)裂紋，將失效樣管進(jìn)行電參數(shù)測試，產(chǎn)品反向漏電流IR超差。

我們將失效樣管解剖，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品玻璃鈍化層由內(nèi)向外出現(xiàn)裂紋，我們分析產(chǎn)品失效的原因，由于硅堆器件產(chǎn)品多顆管芯疊加燒焊的方式，焊接材料為鋁，鋁的熱膨脹系數(shù)（22.5×10-6/℃）與器件組件中的電極、硅、玻璃鈍化層的熱膨脹系數(shù)相差較大，而玻璃鈍化層本身是一種剛性材料，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗張強(qiáng)度，玻球宜受壓應(yīng)力而不宜承受過大的張應(yīng)力，器件在經(jīng)過較大的瞬時正向電流后，瞬時溫升很高，由于各組件中材料的熱膨脹系數(shù)存在的差異導(dǎo)致玻球出現(xiàn)裂紋。

為了確認(rèn)產(chǎn)品在浪涌電流下的瞬時功率，我們采用計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，由于浪涌電流試驗(yàn)條件為一個正弦半波，脈沖寬度為10ms，而計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的測試脈沖為方波，通過積分方式進(jìn)行換算可得出峰值25A、脈沖寬度10ms的正弦半波與峰值25A、脈沖寬度6.3ms的方波能量相同，于是我們采用測試正向壓降的方法進(jìn)行摸底，設(shè)置正向電流25A，脈沖寬度6.3ms，測試產(chǎn)品在25A、6.3ms的正向壓降，測試結(jié)果為，該條件下，產(chǎn)品正向水平為20V～25V，可估算出產(chǎn)品的瞬時功率為：P=UI=20×25W=500W左右，產(chǎn)品在25A浪涌電流下的瞬時功率達(dá)到了500W，為了提高器件的瞬時散熱能力，我們通過增加芯片面積提高器件的抗浪涌能力，分別將Φ1.5、Φ2、Φ3、Φ3.5的管芯尺寸進(jìn)行工藝對比試驗(yàn)，采用Φ3.5芯片面積試制的高壓硅堆在進(jìn)行25A浪涌電流后產(chǎn)品淘汰率仍然很高，產(chǎn)品合格率只有10%左右。同時增大管芯面積后將帶來一系列的工藝難題，如：產(chǎn)品腐蝕工藝變得更加困難；較大的管芯尺寸使產(chǎn)品的抗溫度循環(huán)能力變差，無法滿足研制需求。

目前國內(nèi)外生產(chǎn)玻璃鈍化二極管常用的電極材料為鉬或鎢，在多次采用鉬電極運(yùn)用于玻璃鈍化高壓硅堆的試制均未取得成功后我們分析了鉬與鎢電極的主要物理參數(shù)。如表1所示。

表1　

通過分析兩種電極材料的物理參數(shù)，鎢在各個溫度點(diǎn)的熱傳導(dǎo)率均優(yōu)于鉬電極，同時鎢的熱膨脹系數(shù)相對鉬與硅材料和鈍化玻璃粉的的熱膨脹系數(shù)更接近，為此我們加工生產(chǎn)了部分鎢電極引線用于高壓硅堆的試制，涂玻璃粉成型后進(jìn)行正向浪涌電流測試，測試結(jié)果為：相同管芯面積和相同疊片結(jié)構(gòu)不同電極材料的產(chǎn)品，在正向浪涌電流后產(chǎn)品合格率有明顯差異，其中采用鎢電極引線的制造的高壓硅堆抗浪涌電流能力明顯優(yōu)于鉬電極引線制造的產(chǎn)品，表2是統(tǒng)計(jì)情況。

表2　

在解決產(chǎn)品的浪涌電流后，我們著手解決產(chǎn)品7500V反向電壓漏電流小于1μA成品率較低的問題，由于該器件的芯片采用臺面型結(jié)構(gòu)，如何去除芯片臺面的機(jī)械損傷層和重金屬雜質(zhì)離子從而得到理想清潔的臺面，是實(shí)現(xiàn)常溫、高溫下低漏電的關(guān)鍵。結(jié)合我廠現(xiàn)有的腐蝕工藝技術(shù)基礎(chǔ)，我們采用酸腐蝕工藝對管芯進(jìn)行腐蝕清洗，由于器件由多顆管芯串聯(lián)組合而成，要使每顆管芯的臺面造型良好，產(chǎn)品的腐蝕工藝非常關(guān)鍵，采用鎢電極引線代替鉬電極引線后，不僅能解決產(chǎn)品正向浪涌電流問題，在硅堆產(chǎn)品的腐蝕工藝方面，鎢電極相對于鉬電極還具有很多優(yōu)點(diǎn)。

2　結(jié)語

采用鎢電極代替我廠原來一直使用的鉬電極，現(xiàn)已成功研制出7500V下反向漏電流小于1μA，反向恢復(fù)時間小于60ns，正向浪涌電流25A的玻鈍高壓硅堆，在研制過程中確定的工藝方案可以運(yùn)用于我廠類似高壓硅堆的研制生產(chǎn)中。

［1］朱冉慶，王栩生，章靈軍.單晶硅太陽能電池的背場鈍化技術(shù)研究［J］.陽光能源，2011（6）：60-62.

Using Tungsten ElectrodeMaterialstoSustain SurgeCurrent Shock Glass Passivation High-VoltageSilicon Stack Technology Research

Gu Jin Yang Yanwen
（China zhenhua group and optoelectronics co.，LTD.（State No.873 factory），Guiyang Guizhou 550000）

This article uses the tungsten electrode through the introduction to replace the traditional molybdenum electrode material to utilize the manufacture which piles in the high-pressured silicon，and uses and the tungsten electrode hot match performance is better，the mechanical strength higher deactivation glass dust carries on the component the seal，enhanced the glass deactivation entity seal structure high-pressured silicon to pile the anti-big surge current ability，simultaneously has promoted the component anti-temperature impact ability.

tungsten electrode；glass passivation entity；high voltage silicon pile

TN303

A

1003-5168（2015）12-0143-2

2015-12-9

古進(jìn)（1988.9-），男，工程師，研究方向：硅器件研發(fā)，臺面成型工藝研究等。