燒鋁工藝及其在平板壓接式整流管芯片的應用研究

田苗

摘 要：針對航空電源系統(tǒng)對大功率整流管的需求不斷增大，文中從歐姆接觸理論出發(fā)，闡述了鋁材料作為歐姆接觸材料的優(yōu)勢，研究了適合本單位現(xiàn)有生產(chǎn)條件下的燒鋁工藝，又依據(jù)用戶需求，將燒鋁工藝應用在正向額定電流400 A、反向峰值電壓1 600 V、最高工作結(jié)溫180℃、反向恢復時間1 μs的快恢復整流管芯片并進行了試驗研究。

關(guān)鍵詞：歐姆接觸；燒鋁工藝；平板壓接式整流管；航空電源

中圖分類號：TP39；TK17 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-04

0 引 言

隨著航空電源技術(shù)的快速發(fā)展，對正向電流200 A以上大功率器件的需求正不斷增大。目前正向電流大于200 A的整流管一般采用平板壓接式封裝[1]，與螺栓型整流管相比，平板壓接式整流管各零件層之間沒有焊料的干性接觸，在溫度循環(huán)和功率循環(huán)中，允許不同層之間彼此有輕微滑動，這種非疲勞結(jié)構(gòu)可有效避免焊料產(chǎn)生熱疲勞，在重復功率循環(huán)或高低溫循環(huán)時，導致出現(xiàn)現(xiàn)場失效的問題[2]。同時，平板壓接式結(jié)構(gòu)的整流管可兩面散熱，有效降低了結(jié)溫升，降低了整流管的功耗，提高了器件的可靠性。

燒鋁工藝是平板壓接式整流管引出電極的主要方法，通過鋁硅鉬合金與引線接觸達到與外部電路導通的目的。因此，本文主要結(jié)合目前已有的設備條件，研究了燒鋁工藝的具體工藝參數(shù)，及其在平板壓接式整流管的應用試驗，為研制多種形式的封裝器件以及整流模塊奠定了基礎(chǔ)。

1 理論分析

1.1 歐姆接觸

金屬導體接觸基本可分為兩大類，即歐姆接觸和整流接觸[3]。當器件加正向和反向峰值電壓時，歐姆接觸具有線性且對稱的I-V特性，與器件的體電阻相比，接觸電阻可忽略不計。因接觸電阻上的壓降增加了不需要的功率損耗，因此將降低系統(tǒng)的效率。在半導體器件與外部電路的信號轉(zhuǎn)換過程中，歐姆接觸起著非常重要的作用。

1.2 歐姆接觸良好的必要性

歐姆接觸不好，一方面影響粘接強度，另一方面增加了接觸電阻。對于大功率整流管而言，電流增大，電阻增加少許，不僅會大大增加功率損耗，還將使器件發(fā)熱，結(jié)溫上升，致使整流管性能惡化或整流管損壞。因此，歐姆接觸技術(shù)是大功率整流管管芯研制制備的關(guān)鍵。

1.3 鋁作為歐姆接觸材料的優(yōu)勢

考慮到大功率整流二極管的合金材料問題，選擇在P+重摻雜區(qū)與P型合金材料進行高溫燒結(jié)，形成歐姆接觸。對于陽極歐姆接觸的燒結(jié)，生產(chǎn)中多采用鋁薄片與硅片P+層進行合金燒結(jié)。P+層由大量Ⅲ族元素做為受主雜質(zhì)摻雜形成，最常用的受主雜質(zhì)是Ⅲ族元素的鋁或硼，鋁箔與P+層燒結(jié)后形成的再結(jié)晶層中，含有大量鋁原子，其受主雜質(zhì)濃度相比于原硅片P區(qū)的濃度得到大幅提高，使得再結(jié)晶層的電阻率很低，實現(xiàn)了歐姆接觸的目的[4]。

2 燒鋁工藝的研究

采用熱膨脹系數(shù)與硅接近的鉬片與硅片焊接，避免芯片由于熱應力導致失效。因此，鋁和鉬片的工藝處理對硅片燒鋁有重要影響。目前歐姆接觸技術(shù)主要是燒鋁工藝，其工藝流程如圖1所示。

根據(jù)流程，燒鋁工藝方法主要研究以下幾點：

（1） 研究鋁箔清洗方法與鉬片的清洗腐蝕方法；

（2） 研究鋁箔厚度與合金參數(shù)的匹配性，及鋁箔的減薄方法；

（3） 研究燒鋁工藝參數(shù)。

2.1 鋁箔的清洗方法

燒鋁工藝采用的鋁箔是高純材料，其清洗試驗見表1所列。

通過以上試驗，最終將鋁箔按照無水乙醇—丙酮—無水乙醇的順序進行超聲清洗，每次10 min，再用冷去離子水沖洗干凈，自然晾干。

2.2 鉬片的清洗腐蝕方法

鉬片去油清洗參考鋁箔的清洗方法，清洗后鉬片表面光亮，無油污。

鉬片的腐蝕方法也是歐姆接觸工藝的難點，參考資料中腐蝕液的配比為H2O2∶H2O∶NaOH=1∶5∶少量，因NaOH的量沒有明確給出，因此需要不斷摸索試驗。試驗總結(jié)見表2所列。

采用H2O2和少量NaOH去除腐蝕液中的去離子水，為防止烘干方式影響結(jié)果，試驗3、4、5腐蝕后均采用真空烘箱烘烤。試驗結(jié)果表明，試驗4腐蝕后的鉬片表面發(fā)亮、均勻，效果最好。

鉬片的清洗腐蝕按照無水乙醇—丙酮—無水乙醇的順序進行超聲清洗，每次10 min，用冷去離子水沖洗干凈，再用H2O2 ∶NaOH=100 mL ∶2 g比例的腐蝕液進行腐蝕。

2.3 鋁箔的減薄方法

燒鋁工藝的一個關(guān)鍵因素是鋁箔厚度控制，若鋁箔太厚，則易在燒結(jié)中產(chǎn)生沾潤流鋁現(xiàn)象，導致焊接空洞問題。根據(jù)經(jīng)驗，功率管芯鋁箔厚度在0.02～0.03 mm之間最為理想。采購的鋁箔厚度為0.05 mm，需減薄約0.02 mm。

本文采用腐蝕方式來減薄鋁箔厚度。查閱資料，采用HF∶HNO3為1∶6或1∶9比例的腐蝕液腐蝕3～5 min可減薄鋁箔。進行如下3次摸索試驗：

①用HF∶HNO3為1∶6的腐蝕液腐蝕鋁箔，但腐蝕速率緩慢，20 min后測量鋁箔厚度在0.045～0.05 mm之間；

②采用HF∶HNO3為1∶9的腐蝕液腐蝕鋁箔，腐蝕速率依然緩慢。

③更改腐蝕液配比，采用HF∶HNO3為1∶1的腐蝕液腐蝕鋁箔，腐蝕3 min后，測量鋁箔厚度在0.02～0.03 mm之間，實現(xiàn)了減薄鋁箔的目的。因此，鋁箔的減薄確定采用HF∶HNO3=1∶1比例的腐蝕液腐蝕鋁箔3 min，再用冷去離子水清洗干凈即可。

2.4 鋁硅鉬合金工藝參數(shù)的研究

硅的熔點為1 412℃，純鋁的熔點為660℃，然而鋁和硅熔合形成的合金卻有更低的熔點，通過查資料可知，鋁硅合金的共熔點是577℃，即大于577℃就可形成合金。合金溫度低，硅片與合金材料粘潤性差，甚至無法熔合；合金溫度高，容易破壞硅單晶的性能，降低少子壽命等。因此，選擇合適的合金溫度對芯片性能有重要影響。endprint

按圖2裝模順序，用現(xiàn)有的臥式真空燒結(jié)爐進行試驗，見表3。

通過以上試驗，用刀片剝離鉬片與硅片，檢查鉬-硅粘接效果。試驗4中，每爐抽取5片樣片，用刀片劃開鉬片與硅片的粘接面，結(jié)果粘接牢固，無法用刀片將鉬片和硅片完整剝離；將試驗片進行X光透視，其沾潤面積達90%以上，證明在此條件下，可形成良好的鋁鉬硅合金，即良好的歐姆接觸。最終確定燒結(jié)參數(shù)為合金溫度670～700℃，合金時間25～30 min。

3 燒鋁工藝的應用研究

用戶需要使用正向電流IF（AV） 為400 A、反向峰值電壓VRRM為1 600 V、最高工作結(jié)溫Tjm為180℃、反向恢復時間trr為1 μs的快恢復平板壓接式整流管，根據(jù)用戶提出的最大外形尺寸要求，采用直徑為26 mm，電阻率為（55～65）Ω·cm，厚度為（0.32±0.01）mm的硅片。

3.1 材料參數(shù)正確性驗證

3.1.1 硅片直徑

受最大外形尺寸限制，芯片直徑為26 mm，為去除磨角所占的圓環(huán)寬度，上表面電極接觸直徑為Φ24 mm。電流密度計算公式見式（1）：

J=IF（AV）/A=4IF（AV）/（πd2） （1）

其中，A為芯片面積，將d=24代入計算可以得電流密度J= 88.5 （A/cm2）。

根據(jù)經(jīng)驗，高結(jié)溫整流管芯片電流密度小于100 A/cm2較合理，有助于芯片保持良好的可靠性，因此將芯片直徑定為26 mm。

3.1.2 電阻率

電阻率的選取由反向峰值電壓與最高工作結(jié)溫共同決定。

（1）反向峰值電壓。反向擊穿電壓VB與硅材料的電阻率ρn有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗公式（2）（3）得到額定反向峰值電壓與電阻率的關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可得，VRRM=1 600 V時，ρn=54.4 Ω·cm。即滿足反向峰值電壓1 600 V，硅片電阻率ρn≥54.4 Ω·cm的要求。

（2）最高工作結(jié)溫。為保證器件工作的可靠性，一般要求基區(qū)中少子濃度p0與多子濃度n0相差一個數(shù)量級，即λ= p0/n0≤0.1。器件工作的最高結(jié)溫就是λ=0.1時對應的溫度。

根據(jù)半導體物理計算可得，電阻率ρn、本征載流子濃度ni、摻雜濃度ND、少子濃度與多子濃度比值λ與溫度T的關(guān)系如下[3]：

聯(lián)立方程組（4）（5）（6），并將λ=0.1與最高工作結(jié)溫Tjm=180℃（453 K）代入，求解可得電阻率的最大值為ρn= 65。

由耐壓與結(jié)溫的計算結(jié)果可知，采用電阻率為（55～65）Ω·cm的硅片可滿足要求。

3.1.3 芯片厚度

硅片厚度主要由P+結(jié)擴散深度XjP、N+結(jié)擴散深度XjN及基區(qū)寬度W確定。

最大耗盡區(qū)寬度與電阻率、電壓的關(guān)系為[5]：

根據(jù)選定的電阻率ρn=（55～65）Ω·cm，取最大值65代入式（7），可求得W=170 μm

根據(jù)現(xiàn)有典型工藝，P+結(jié)深為XjP=60～80 μm，N+結(jié)深為XjN=50～60 μm，因此，硅片的總厚度至少為H=XjP+ XjN+W=80 μm+60 μm+170 μm=310 μm=0.31 mm。

綜上，選擇厚度為（0.32±0.01）mm的芯片，可滿足設計要求。

3.1.4 反向恢復時間

半導體中載流子的遷移率、擴散系數(shù)、擴散長度等關(guān)系如下[6]：

在式（8）～（11）中，μn、μp、Dn、Dp分別為電子與空穴的遷移率和擴散系數(shù)，Da為雙極擴散系數(shù)，τHL為雙極大注入下少子壽命，La為雙極擴散長度。

在反向恢復中，恢復時間trr為[7]：

由（12）與（13）可得恢復時間與少子壽命的關(guān)系為：

從式（15）可看出，反向恢復時間主要與少子壽命、基區(qū)寬度有關(guān)。圖4顯示了恢復時間與少子壽命和基區(qū)寬度的關(guān)系。

若trr≤1.0 μs，基區(qū)寬度W=170 μm，則要少子壽命τHL≤0.045 μs才能達到滿足反向恢復時間trr≤1.0 μs的要求。

3.2 芯片工藝方案

選定材料參數(shù)后，根據(jù)用戶需求及現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，芯片制造工藝流程如圖5所示。

3.2.1 大片擴散

紙源擴散工藝是一種簡單、高效、適合大批量生產(chǎn)的擴散工藝，可經(jīng)過一次擴散形成管芯所需PN結(jié)及高濃度N+層、P+層，管芯表面濃度高且一致性好，管芯質(zhì)量穩(wěn)定。

3.2.2 大片噴砂

噴砂的目的在于去除擴散形成的硼硅玻璃，是合金工序的一個重要步驟，若噴砂時部分點未噴到，則容易形成焊接空洞，直接影響管芯合金層的結(jié)合力及焊接質(zhì)量。

3.2.3 激光落圓

將大片擴散片用激光劃片機劃成直徑為26 mm的圓片。

壓接式整流管一般采用陽極面（P+面）燒鋁、陰極面（N+面）蒸鋁方式形成外接電極[8]。該方式的工藝流程如圖6所示。

若P+面燒鋁在本單位做，則采用之前的工藝?？紤]到現(xiàn)有生產(chǎn)條件有限，N+面蒸鋁外委877廠加工，以便引出整流管陰極。

3.2.4 噴射腐蝕

噴射腐蝕能夠定點腐蝕，以避免腐蝕無需腐蝕的部分，以及因腐蝕引入的金屬雜質(zhì)玷污，提高了芯片反向峰值電壓水平[9]。因現(xiàn)有生產(chǎn)條件的限制，考慮外委加工。

3.2.5 電子輻照

電子輻照壽命控制技術(shù)利用電子輻照在半導體內(nèi)部的感生缺陷作為復合中心，達到控制少子壽命的目的[10]。需外委加工，要求達到少子壽命≤0.045 μs。

4結(jié) 語

本文通過對燒鋁工藝的研究，得出了適合現(xiàn)有生產(chǎn)條件的鋁箔清洗減薄工藝和鋁硅鉬合金工藝參數(shù)，包括鋁箔清洗、鉬片清洗腐蝕、鋁箔減薄和鋁硅鉬合金。按照用戶提出的平板壓接式整流管的電性能參數(shù)要求，對所選硅片的材料參數(shù)進行驗證，驗證材料參數(shù)能夠滿足設計要求。將燒鋁工藝應用在壓接式整流管芯片中，開拓了一條新思路，對后續(xù)大功率快恢復平板壓接式整流管的研制奠定了工藝基礎(chǔ)。

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