快速恢復(fù)二極管打火問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言 快恢復(fù)二極管(簡(jiǎn)稱FRD)是一種具有開(kāi)關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。擊穿電壓是最重要得參數(shù)之一，它和最大電流容量一起決定了電力電子器件的額定功率，其中功率FRD通常是通過(guò)大面積PN結(jié)保證實(shí)現(xiàn)大電流。但是對(duì)于高壓工作的FRD來(lái)說(shuō)，平面工藝不可避免的存在著結(jié)面彎曲效應(yīng)而影響擊穿電壓，使得器件實(shí)際擊穿電壓只有理想情況的10%-30%。因此為了保證FRD能工作在高電壓下，就需要使用結(jié)終端技術(shù)來(lái)消除結(jié)面彎曲帶來(lái)的影響，提高FRD器件的耐壓。在提高耐壓采用終端技術(shù)的同時(shí)，還要兼顧到其它特性的影響和優(yōu)化。如本文后面將要提到的，在采用金屬場(chǎng)板終端提高耐壓的同時(shí)，還要防止圓片打火問(wèn)題的發(fā)生。

1場(chǎng)限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

圖1：場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：多個(gè)場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

場(chǎng)限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，圖2.。就是在被保護(hù)的主結(jié)周圍間隔一定距離，擴(kuò)散形成一定大小的同心環(huán)。擴(kuò)散環(huán)改變了主結(jié)邊緣空間電荷分布，減輕了電場(chǎng)集中效應(yīng)。提高了耐壓。單環(huán)的作用有限，一般在高壓下需要通過(guò)多個(gè)環(huán)來(lái)達(dá)到預(yù)定的電壓。

2 場(chǎng)板的基本結(jié)構(gòu)分析

圖3：場(chǎng)板結(jié)構(gòu)示意圖

場(chǎng)板的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，也是常用的提高耐壓的方法之一。場(chǎng)板下除邊緣部分外，電場(chǎng)分布是一維的，類似于MOS電容。擊穿時(shí)的擊穿電壓為擊穿時(shí)半導(dǎo)體的電壓和氧化層的壓降之和。在場(chǎng)版的邊緣，電力線集中。如果場(chǎng)板長(zhǎng)度比內(nèi)部耗盡層還大，N+P結(jié)的場(chǎng)板有電力線從板向半導(dǎo)體發(fā)出，在半導(dǎo)體表面有電力線進(jìn)入，這等效于半導(dǎo)體表面有正電荷，他對(duì)電場(chǎng)的影響可看做是無(wú)窮大的半導(dǎo)體中間增加了一層電荷，這些正電荷產(chǎn)生垂直于表面的場(chǎng)外，也將產(chǎn)生平行于表面的場(chǎng)，每一正電荷在其左邊產(chǎn)生指向左的場(chǎng)，在其右邊產(chǎn)生指向右的場(chǎng)。所以在場(chǎng)版下面的多數(shù)區(qū)域，正電荷產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)是互相削弱。然而在場(chǎng)板的邊緣，所有正電荷產(chǎn)生的橫向場(chǎng)是互相加強(qiáng)的，結(jié)果在那里造成一個(gè)橫向場(chǎng)的峰值。如果場(chǎng)板很短或者無(wú)場(chǎng)板時(shí)，在PN結(jié)的邊緣就有很強(qiáng)的電場(chǎng)，場(chǎng)板上所有正電荷都是使這點(diǎn)電場(chǎng)減少的，因此場(chǎng)板愈長(zhǎng)，電場(chǎng)峰值愈小。

3 氣隙的擊穿特性

我們知道，影響空氣間隙放電電壓的因素有很多。主要有電場(chǎng)的情況，比如均勻與不均勻;電壓的形式，比如直流，交流還是雷電沖擊;大氣的條件，比如溫度，濕度，氣壓等。較均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿電壓與電壓極性無(wú)關(guān)，直流，工頻擊穿電壓(峰值)以及50%沖擊擊穿電壓都相同，分散性很小。

當(dāng)S不過(guò)于小時(shí)(S>1cm)， 均勻空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度大致等于30KV/cm。稍不均勻的電場(chǎng)氣隙的擊穿電壓，可以看作球與球之間，球與板之間，圓柱與棒之間，同軸圓柱的間隙之間的擊穿。它的特點(diǎn)是不能形成穩(wěn)定的電暈放電，電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)，有極性效應(yīng)，不很明顯，直流，工頻下的擊穿電壓以及50%沖擊擊穿電壓相同，分散性不大，擊穿電壓和電場(chǎng)均勻程度關(guān)系極大，電場(chǎng)越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高。直流電壓下的擊穿電壓具有極性效應(yīng)，棒棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒板電極之間，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)正棒和負(fù)板間約4.5KV/cm，負(fù)棒和正板間約10KV/cm，棒和棒之間約4.8-5KV/cm。擊穿電壓與間隙距離接近正比，在一定范圍內(nèi)，擊穿電壓與間隙距離呈線性關(guān)系。球與球間隙之間存在鄰近效應(yīng)，對(duì)電場(chǎng)會(huì)有畸變作用，使間隙電場(chǎng)分布不對(duì)稱，同一距離下，球直徑越大，擊穿電壓也越高。

圖4 擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.1失效現(xiàn)象與分析

FRD在開(kāi)發(fā)過(guò)程中工程批流片出來(lái)后測(cè)試擊穿電壓，當(dāng)電壓加到幾百伏時(shí)，可開(kāi)始看到有嚴(yán)重的打火現(xiàn)象，測(cè)試打火曲線如圖5，打火發(fā)生后，圓片上可看到終端外圍兩個(gè)金屬鋁條有明顯發(fā)黑的跡象，如圖6。

圖5 FRD 圓片擊穿電壓測(cè)試曲線

圖6 FRD 圓片打火位置圖片

其中距離cell區(qū)較近的金屬是終端的一個(gè)金屬場(chǎng)板，在最外圍的一個(gè)是截止環(huán)的金屬。從失效現(xiàn)象來(lái)看，打火應(yīng)該是最外圍的兩個(gè)金屬之間進(jìn)行的。工藝上，當(dāng)初為了節(jié)省成本，金屬完成后沒(méi)有加鈍化層次，因此兩個(gè)金屬之間是沒(méi)有氧化等介質(zhì)的。檢查版上數(shù)據(jù)，金屬場(chǎng)板到截止環(huán)金屬之間距離為72um，懷疑可能此距離太小，又沒(méi)有介質(zhì)，因此導(dǎo)致金屬之間電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，引起打火，為了驗(yàn)證，特對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬。

4.2原結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

如圖7所示原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)果擊穿電壓約1500V,最外圍的金屬場(chǎng)板與最外圍截止環(huán)金屬之間電勢(shì)差約800V，最外圍場(chǎng)板承擔(dān)了較大的電壓，從表面電場(chǎng)分布看，最外圍金屬場(chǎng)板處表面電場(chǎng)最強(qiáng)，約2.6E5V/cm，前面其它環(huán)的電場(chǎng)基本在1.6E5V/cm左右，金屬場(chǎng)板處電場(chǎng)較集中。而空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為30KV/cm，金屬場(chǎng)環(huán)和截止環(huán)之間距離為72um，空氣耐壓約220V，據(jù)此推斷失效的原因應(yīng)該是金屬之間距離較近，電壓較大引起空氣擊穿，從而發(fā)生打火現(xiàn)象。

圖7：FRD 原版結(jié)構(gòu)

圖8 FRD原版模擬結(jié)果電勢(shì)分布圖[!--empirenews.page--]

圖9 FRD原版模擬結(jié)果表面電場(chǎng)分布圖

4.3 新設(shè)計(jì)模擬

由以上分析認(rèn)為，圓片測(cè)試打火的主要原因在金屬場(chǎng)板和截止環(huán)金屬之間電勢(shì)較大，引起金屬間打火，下一步主要從考慮降低兩者之間的電勢(shì)，減小金屬場(chǎng)板處的表面電場(chǎng)出發(fā)，進(jìn)行了以下模擬。

4.3.1增加兩個(gè)環(huán)

考慮在金屬場(chǎng)板前再增加兩個(gè)場(chǎng)限環(huán)，使得前面的分壓增加，以減少金屬之間的電勢(shì)差，模擬結(jié)果如下，F(xiàn)RD擊穿電壓沒(méi)有改變，仍舊在1500V,金屬場(chǎng)板和截止環(huán)之間的電勢(shì)從800V降到約500V,表面電場(chǎng)從2.6E5V/cm降低到1.7E5V/cm。

圖10：FRD增加兩個(gè)環(huán)后結(jié)構(gòu)

圖11 FRD增加兩個(gè)環(huán)后電勢(shì)分布圖

圖12 FRD增加兩個(gè)環(huán)后表面電場(chǎng)分布圖

4.3.2增加三個(gè)環(huán)

從增加兩個(gè)環(huán)的結(jié)果看，增加環(huán)后電勢(shì)和電場(chǎng)都有改善，于是考慮增加三個(gè)環(huán)，模擬結(jié)果如下，F(xiàn)RD擊穿電壓沒(méi)有改變，仍舊在1500V, 金屬場(chǎng)板和截止環(huán)之間的電勢(shì)降為約400V,表面電場(chǎng)由2.6E5V/cm降低到1.2E5V/cm。

圖13 增加3個(gè)環(huán)后結(jié)構(gòu)

圖14 增加三個(gè)環(huán)后電勢(shì)分布圖

圖15 增加三個(gè)環(huán)后表面電場(chǎng)分布圖

4 結(jié)論分析

從以上模擬結(jié)果可以看到，通過(guò)優(yōu)化終端結(jié)構(gòu)，可以有效減少金屬之間電勢(shì)差，改善表面電場(chǎng)分布，從而改善圓片測(cè)試打火現(xiàn)象。同時(shí)，工藝上可考慮在增加環(huán)的同時(shí)增加金屬后鈍化層，以更好的改善產(chǎn)品性能。