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快恢复二极管圆片打火问题的优化设计

作者:海飞乐技术 时间:2018-04-10 14:49

  快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。击穿电压是最重要得参数之一,它和最大电流容量一起决定了电力电子器件的额定功率,其中功率FRD通常是通过大面积PN结保证实现大电流。但是对于高压工作的FRD来说,平面工艺不可避免的存在着结面弯曲效应而影响击穿电压,使得器件实际击穿电压只有理想情况的10%-30%。因此为了保证FRD能工作在高电压下,就需要使用结终端技术来消除结面弯曲带来的影响,提高FRD器件的耐压。在提高耐压采用终端技术的同时,还要兼顾到其它特性的影响和优化。如本文后面将要提到的,在采用金属场板终端提高耐压的同时,还要防止圆片打火问题的发生。
 
  1场限环的基本结构
  场限环的基本结构见图1,图2.。就是在被保护的主结周围间隔一定距离,扩散形成一定大小的同心环。扩散环改变了主结边缘空间电荷分布,减轻了电场集中效应。提高了耐压。单环的作用有限,一般在高压下需要通过多个环来达到预定的电压。

场限环结构示意图 
图1:场限环结构示意图
多个场限环结构示意图 
图2:多个场限环结构示意图
 
  2 场板的基本结构分析
  场板的基本结构见图3,也是常用的提高耐压的方法之一。场板下除边缘部分外,电场分布是一维的,类似于MOS电容。击穿时的击穿电压为击穿时半导体的电压和氧化层的压降之和。在场版的边缘,电力线集中。如果场板长度比内部耗尽层还大,N+P结的场板有电力线从板向半导体发出,在半导体表面有电力线进入,这等效于半导体表面有正电荷,他对电场的影响可看做是无穷大的半导体中间增加了一层电荷,这些正电荷产生垂直于表面的场外,也将产生平行于表面的场,每一正电荷在其左边产生指向左的场,在其右边产生指向右的场。所以在场版下面的多数区域,正电荷产生的横向电场是互相削弱。然而在场板的边缘,所有正电荷产生的横向场是互相加强的,结果在那里造成一个横向场的峰值。如果场板很短或者无场板时,在PN结的边缘就有很强的电场,场板上所有正电荷都是使这点电场减少的,因此场板愈长,电场峰值愈小。
场板结构示意图 
图3:场板结构示意图
 
  3 气隙的击穿特性
  我们知道,影响空气间隙放电电压的因素有很多。主要有电场的情况,比如均匀与不均匀;电压的形式,比如直流,交流还是雷电冲击;大气的条件,比如温度,湿度,气压等。较均匀电场气隙的击穿电压与电压极性无关,直流,工频击穿电压(峰值)以及50%冲击击穿电压都相同,分散性很小。
 
  当S不过于小时(S>1cm), 均匀空气中的电场强度大致等于30KV/cm。稍不均匀的电场气隙的击穿电压,可以看作球与球之间,球与板之间,圆柱与棒之间,同轴圆柱的间隙之间的击穿。它的特点是不能形成稳定的电晕放电,电场不对称时,有极性效应,不很明显,直流,工频下的击穿电压以及50%冲击击穿电压相同,分散性不大,击穿电压和电场均匀程度关系极大,电场越均匀,同样间隙距离下的击穿电压就越高。直流电压下的击穿电压具有极性效应,棒棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒板电极之间,平均击穿场强正棒和负板间约4.5KV/cm,负棒和正板间约10KV/cm,棒和棒之间约4.8-5KV/cm。击穿电压与间隙距离接近正比,在一定范围内,击穿电压与间隙距离呈线性关系。球与球间隙之间存在邻近效应,对电场会有畸变作用,使间隙电场分布不对称,同一距离下,球直径越大,击穿电压也越高。
击穿电压与间隙距离的关系 
图4 击穿电压与间隙距离的关系
 
  4 实验过程
  4.1失效现象与分析
FRD在开发过程中工程批流片出来后测试击穿电压,当电压加到几百伏时,可开始看到有严重的打火现象,测试打火曲线如图5,打火发生后,圆片上可看到终端外围两个金属铝条有明显发黑的迹象,如图6。
FRD 圆片击穿电压测试曲线 
图5 FRD 圆片击穿电压测试曲线
FRD 圆片打火位置图片 
图6 FRD 圆片打火位置图片
 
  其中距离cell区较近的金属是终端的一个金属场板,在最外围的一个是截止环的金属。从失效现象来看,打火应该是最外围的两个金属之间进行的。工艺上,当初为了节省成本,金属完成后没有加钝化层次,因此两个金属之间是没有氧化等介质的。检查版上数据,金属场板到截止环金属之间距离为72um,怀疑可能此距离太小,又没有介质,因此导致金属之间电场过强,引起打火,为了验证,特对原结构进行了模拟。
 
  4.2原结构模拟结果
  如图7所示原始结构进行模拟,结果击穿电压约1500V,最外围的金属场板与最外围截止环金属之间电势差约800V,最外围场板承担了较大的电压,从表面电场分布看,最外围金属场板处表面电场最强,约2.6E5V/cm,前面其它环的电场基本在1.6E5V/cm左右,金属场板处电场较集中。而空气的击穿场强约为30KV/cm,金属场环和截止环之间距离为72um,空气耐压约220V,据此推断失效的原因应该是金属之间距离较近,电压较大引起空气击穿,从而发生打火现象。
 FRD 原版结构
图7:FRD 原版结构
 FRD原版模拟结果电势分布图
图8 FRD原版模拟结果电势分布图
  FRD原版模拟结果表面电场分布图
图9 FRD原版模拟结果表面电场分布图
 
  4.3 新设计模拟
  由以上分析认为,圆片测试打火的主要原因在金属场板和截止环金属之间电势较大,引起金属间打火,下一步主要从考虑降低两者之间的电势,减小金属场板处的表面电场出发,进行了以下模拟。
 
  4.3.1增加两个环
  考虑在金属场板前再增加两个场限环,使得前面的分压增加,以减少金属之间的电势差,模拟结果如下,FRD击穿电压没有改变,仍旧在1500V,金属场板和截止环之间的电势从800V降到约500V,表面电场从2.6E5V/cm降低到1.7E5V/cm。
 FRD增加两个环后结构
图10:FRD增加两个环后结构
 FRD增加两个环后电势分布图
图11 FRD增加两个环后电势分布图
 FRD增加两个环后表面电场分布图
图12 FRD增加两个环后表面电场分布图
 
  4.3.2增加三个环
  从增加两个环的结果看,增加环后电势和电场都有改善,于是考虑增加三个环,模拟结果如下,FRD击穿电压没有改变,仍旧在1500V, 金属场板和截止环之间的电势降为约400V,表面电场由2.6E5V/cm降低到1.2E5V/cm。
增加3个环后结构 
图13 增加3个环后结构
 增加三个环后电势分布图
图14 增加三个环后电势分布图
 增加三个环后表面电场分布图
图15 增加三个环后表面电场分布图
 
  4 结论分析
  从以上模拟结果可以看到,通过优化终端结构,可以有效减少金属之间电势差,改善表面电场分布,从而改善圆片测试打火现象。同时,工艺上可考虑在增加环的同时增加金属后钝化层,以更好的改善产品性能。




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