大功率整流二極管基片以可伐代鉬的研究

岳辰云

摘要：本文從保證產品質量，節約資源，降低成本的角度出發，分析論證了大功率硅整流二極管基片以可伐替代鉬的可行性，通過實驗得到驗證，具有推廣價值。

Abstract： From the point of guaranteeing product quality， saving resources and reducing cost， this paper analyzes and demonstrates the feasibility of using Kovar to replace molybdenum in high power silicon rectifier diode substrate. Verified by experiment， it is worth promoting.

關鍵詞：硅整流；二極管；管芯基片；可伐代鉬

Key words： Silicon rectifier；diode；core chip；replacing molybdenum with Kovar

中圖分類號：TN111 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）04-0088-02

0 引言

自20世紀60年代大功率半導體器件研制生產以來，這類器件多以硅單晶為基礎材料，利用硅單晶P-N結的單向導電特性而制成[1]。由于硅片材料硬而脆的物理性質，導致在生產過程中無法承受較大的應力，極易在硅片體內形成悶傷或者是產生碎裂現象。為避免這一情況的發生，在硅片上下各增加一塊稀有金屬鉬制成的墊片，這種方法一直沿用至今。鉬是一種昂貴的稀有金屬，從降低成本、節約資源的角度考慮，人們一直在尋找一種新的金屬材料來取代鉬片。20世紀80年代初，就有人嘗試過用銅材料來做管芯基片，憑借銅片良好的導電導熱性能，通過試驗取得了成功，并于1985年大批量的用于二極管的生產中。之后也有人做過以鐵代鉬的探索，通過反復的實踐試驗，證明以鐵代鉬的工藝也是可行的，并且還大量的用于汽車整流二極管的生產。但是銅片和鐵片的熱膨脹系數與硅片相差較大，在二極管工藝中替代鉬片的方法，僅在一定的功率范圍內是可行的[2]。

隨著可伐合金工藝的發展，再加上其熱膨脹系數與硅片相接近，以可伐合金代替鉬片成了一個新的思路，借助過去的經驗以及反復的試驗論證，發現整流二極管的雙面基片不僅可以用銅、鐵來替代鉬片，還可以用可伐合金來替代鉬。

1 選用鉬片做二極管管芯基片的原因

在傳統的半導體整流二極管的生產工藝中，選用鉬片做二極管管芯基片的原因，主要考慮到以下幾個方面的內容：

1.1 金屬鉬與硅的線性熱膨脹系數相接近

如表1所示，相比與其他的金屬材料，鉬與硅材料的線性熱膨脹系數最接近，由于二極管都會存在一定的正向電壓降，當整流二極管處于正常工作狀態時，正向導通會產生大量的熱量，鉬片和硅芯片在受熱的狀態下會產生一定的線性熱膨脹，因為兩者的線性熱膨脹系數相近，鉬片給管芯帶來的熱應力較小，不會引起硅片的碎裂，對半導體器件的電性能影響也不大。

1.2 金屬鉬的硬度大

從表1可以看出，鉬在幾種金屬中硬度是較大的，機械強度高，在受外力的作用時不容易發生形變，能很好的保護硅芯片。

1.3 良好的導熱性能

鉬片的熱導率較高，導熱能力較好，能很好的傳遞出硅芯片在正常工作中產生的熱量，幫助硅芯片散熱，防止二極管管芯由于溫度過高而損壞。

1.4 優良的導電能力，可用作引出電極

2 可伐片代鉬片的可行性分析

可伐合金是鐵鈷鎳三種金屬的合金，其中鐵的含量為54%，鎳28%，鈷18%。我們將可伐合金的物理性質與表1中的各材料做個簡單的對比，可伐合金的熱膨脹系數是幾種金屬中與硅片最接近的，如果以可伐代鉬，在正常工作中產生的線性熱膨脹對二極管的電性能的影響是最小的；另外，可伐合金的硬度比鉬片高，受力不易產生形變，能比鉬片承受更大的應力，可以更好的保護硅片；可伐合金的電阻率比鉬高，熱導率只有鉬的五分之一，導電導熱性能沒有鉬片好，但在以可伐代鉬的試驗中，電流等級160A以下的整流二極管并未發現管芯過熱失效的情況，正向壓降也沒有太大的變化。

這里我們做一個簡單的分析，圖1是整流二極管的結構圖，圖中A和B的大小根據管芯的功率來確定，如圖1所示，硅芯片和上下兩個基片不是直接夾在一起的，中間有一層鉛錫層，將三層緊密的焊接在一起。同時在整流二極管的生產過程中，硅片和上下兩個基片表面都會鍍上鎳層，通過高溫退火，在表面形成一層鎳的合金層，一方面提高沾錫性能，形成良好的歐姆接觸層；另一方面也增加了它的導電能力。因此，可伐合金的較高的電阻率未對整流二極管的導電能力產生較大的影響。

另外，整流二極管這種類似三明治的結構，在硅片與基片間都存在一層鉛錫層，在整流二極管正常工作中產生的熱應力和熱量會被中間的鉛錫層吸收釋放了一部分；并且隨著半導體技術水平的提高，整流二極管的散熱方式也有了很大的改善，甚至于還產生了很多專門針對整流二極管的散熱裝置。

從上面的論證結果來看，整流二極管以可伐片替代鉬片的方式是可行的。

3 試驗驗證以及結果

①試驗準備：取一批擴散完成、小樣測試合格的硅片，在硅片表面鍍上一層鎳的合金層，然后再割成電流等級30A大小的圓片。

②試驗過程：將割好的圓片平均分成兩份，一份用鉬片作為基片，一份用可伐片作為基片，按工藝要求進行搪錫、表面處理，然后嚴格按照整流二極管的測試標準進行室溫和高溫下的電壓測試和正向壓降測試。

③試驗結果：管芯通過室溫、高溫測試反向漏電流IR，正向平均電壓降VF，其成品率分別為89.1%和89.9%，從測試合格的管芯中隨機抽取10只管芯，其測試數據如下：表2為室溫反向漏電流IR的測試結果，其測試條件為反向峰值電壓VRSM=1600V，要求其漏電流IRSM≤3μA；表3為正向平均電壓降VF的測試結果，其測試條件為正向電流I=30A，要求正向平均電壓降VF≤1.2V。

上述測試結果均在范圍內，對測試合格的管芯經過高溫存放、高溫反偏和高低溫循環試驗，試驗的結果也全部符合要求。從試驗的結果我們可以看出，以可伐片代鉬片生產出的大功率整流二極管各項電壓特性均能符合要求。

4 經濟效益

從經濟效益的層面上來看，鉬是一種昂貴的稀有金屬，其價格每噸達到三十幾萬元，而可伐合金的每噸價格只有鉬的三分之一左右，兩者的價格相差較大，其帶來的經濟效益是不言而喻的，因此，整流二極管以可伐片替代鉬片這項工藝從降低成本提高效益的角度來看是值得使用和推廣的。

5 結論

通過以上論證和試驗驗證，大功率整流二極管可伐片替代鉬片這項工藝是可行的。在近幾年的生產中，使用這項工藝改進生產出來的整流二極管產品性能穩定、質量可靠。在保證產品質量的同時也節約了資源、降低了成本，提高了生產效益。實踐證明，在生產過程中，只要敢于探索，就能夠發現新的材料、新的方法。

參考文獻：

[1]電氣傳動設計研究院.可控硅整流元件制造工藝[M].北京：科學出版社，1971.

[2]莫黨.半導體材料[M].上海：科技出版社，1963.

[3]施敏.現代半導體物理器件[M].北京：科學出版社，2001.