專利名稱：永磁發(fā)電機(jī)專用高結(jié)溫低壓降可控硅芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器專用的，具有高結(jié)溫低壓降二項(xiàng)優(yōu)良特性的可控硅芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屬半導(dǎo)體技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前市場上，與車用三相交流永磁發(fā)電機(jī)配接的電壓調(diào)節(jié)器，均采用“三相可控硅共陽半控橋整流電路”來控制永磁發(fā)電機(jī)的輸出直流電壓，此技術(shù)方案在1995年11月15 日公開的公告號(hào)CN2212850專利“汽車交流永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器”中已闡明，該電路用三只整流芯片和三只可控硅芯片構(gòu)成可控硅半控整流橋組，直接裝入永磁發(fā)電機(jī)中，形成一體化。整流芯片和可控硅芯片在工作中流過電流時(shí)，由于自身的壓降原因，會(huì)將產(chǎn)生大量的熱量，逐漸提高了芯片的溫度，當(dāng)芯片產(chǎn)生的熱量與芯片通過散熱片發(fā)散出去的熱量平衡時(shí)，芯片的溫度就不再提高。由于永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)散熱條件惡劣，芯片往往工作在很高溫度狀態(tài)中，當(dāng)溫度超過芯片的額定結(jié)溫(即芯片內(nèi)PN結(jié)容許的最高工作溫度)時(shí)，芯片將失去其電特性功能，發(fā)電機(jī)當(dāng)然無法對外正常供電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)釀成意外事故。因此，降低芯片的壓降，以減少其發(fā)熱量，提高芯片的結(jié)溫，以增加其耐溫能力，是保證永磁發(fā)電機(jī)可靠工作的重要技術(shù)課題?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T706-2004《機(jī)動(dòng)車用硅雪崩整流二極管技術(shù)條件》，對車用整流二極管芯片的額定結(jié)溫和峰值壓降已有詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范，按此標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的整流二極管芯片已能滿足永磁發(fā)電機(jī)工作需要，本說明書不贅述。但是，車用可控硅管(或芯片)至今尚無國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，處于空白狀態(tài)。可參照使用的有國家標(biāo)準(zhǔn)GB4940-85《普通晶間管》， 其中，以30安培晶閘管(可控硅)為例，該標(biāo)準(zhǔn)限定其額定結(jié)溫為< 100度，限定其峰值壓降< 2. 4伏。永磁發(fā)電機(jī)一般都是組裝在內(nèi)燃機(jī)附近，工作環(huán)境溫度比室溫高很多，而電壓調(diào)節(jié)器又裝入永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)部的狹小空間中，散熱更加困難。鑒此，現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 774-2006《汽車交流發(fā)電機(jī)用電子電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)條件》，規(guī)定了內(nèi)裝式電壓調(diào)節(jié)器的環(huán)境溫度應(yīng)以105度為考量標(biāo)準(zhǔn)，還規(guī)定電壓調(diào)節(jié)器“外殼溫度在160度時(shí)，工作時(shí)間不小于1 小時(shí)，調(diào)節(jié)器應(yīng)不失效”，可以推得，電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)可控硅芯片的額定結(jié)溫應(yīng)彡160度?，F(xiàn)實(shí)的技術(shù)背景造成了以下的困難用符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB4940《普通晶閘管》的可控硅芯片組裝成永磁發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器后，根本不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 774-2006《汽車交流發(fā)電機(jī)用電子電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)條件》的要求。因?yàn)橐陨隙€(gè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于可控硅芯片額定結(jié)溫規(guī)定之相差為60度。理論計(jì)算和模擬試驗(yàn)都表明，只有可控硅芯片峰值壓降< 1.0V 時(shí)，才能確保電壓調(diào)節(jié)器橋組散熱殼體溫度低于標(biāo)準(zhǔn)QC/T 774-2006《汽車交流發(fā)電機(jī)用電子電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)條件》所要求的160度，此條件下，國家標(biāo)準(zhǔn)GB4940《普通晶閘管》規(guī)定的峰值壓降與實(shí)用可控硅芯片的峰值壓降二者之差多達(dá)1. 4伏。申請人遍查國內(nèi)所有可控硅芯片生產(chǎn)商，至今無一家能承諾可以生產(chǎn)額定結(jié)溫高于160度，峰值壓降低于1. 0伏的可控硅芯片！所以，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)車用高結(jié)溫低壓降可控硅芯片已成為高效、節(jié)能、廉價(jià)、輕便的永磁發(fā)電機(jī)生產(chǎn)和普及的瓶頸工程。從另一角度看，也只有在生產(chǎn)出高結(jié)溫低壓降的可控硅管芯后，才能參考制定我國關(guān)于車用可控硅的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 發(fā)明內(nèi)容為了能生產(chǎn)出額定結(jié)溫高于160度，峰值壓降低于1. 0伏的可控硅芯片，本實(shí)用新型提供一套永磁發(fā)電機(jī)專用的高結(jié)溫低壓降可控硅芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方案，能生產(chǎn)出滿足永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器裝配可控硅半控整流橋組所用的合格產(chǎn)品。本實(shí)用新型解決以上問題的技術(shù)方案是1，根據(jù)單晶硅中硅原子本征激發(fā)規(guī)律，即溫度越高本征激發(fā)濃度越高，選用較高摻雜濃度的N型硅片，對應(yīng)提高極限本征激發(fā)溫度， 來提高可控硅芯片的額定結(jié)溫；2，改變傳統(tǒng)的“一正一負(fù)”成角工藝，為“雙負(fù)角”成角工藝，減小了高溫漏電流，降低了陰極電流密度；3，根椐可控硅芯片峰值壓降與芯片基區(qū)厚度的平方成反比的規(guī)律，選用超薄硅片，減少基區(qū)厚度來降低峰值壓降。以下就三點(diǎn)技術(shù)方案作詳細(xì)說明1，根據(jù)單晶硅中硅原子本征激發(fā)規(guī)律，即溫度越高本征激發(fā)濃度越高，選用較高摻雜濃度N型硅片，對應(yīng)提高極限本征激發(fā)溫度，來提高可控硅芯片的額定結(jié)溫。制作永磁發(fā)電機(jī)專用可控硅芯片必須采用較高摻雜的N型硅單晶材料，原因是其對應(yīng)的本征激發(fā)溫度可以更高。理論指出，純凈硅溫度達(dá)到200 260度時(shí)，其本征激發(fā)濃度為10的(14 15次方)，相當(dāng)于N型電阻率30 4歐姆厘米的雜質(zhì)濃度。換言之，可控硅芯片溫度達(dá)到一定溫度時(shí)，由于高溫本征激發(fā)形成的電子空穴對，已將芯片內(nèi)的形成PN 結(jié)的各種雜質(zhì)濃度湮沒，產(chǎn)品電性能蕩然無存。制造芯片的材料雜質(zhì)濃度越低，湮沒時(shí)對應(yīng)的溫度也越低。所以，要制造高結(jié)溫的可控硅芯片，其N型硅片材料電阻率應(yīng)遠(yuǎn)低于30 (歐姆厘米)，且越低越好。另一方面，選用過低電阻率的硅片材料，可控硅芯片的耐壓必然降低。N型硅片基區(qū)耗盡層中電阻率P關(guān)于耐壓V有以下的關(guān)系ν = 94 P (0.75次方)……式(1)(引自美國通用電氣公司資料)車用永磁發(fā)電機(jī)通過電壓調(diào)節(jié)器后，輸出電壓值一般為14 觀伏，但發(fā)電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，發(fā)電機(jī)對電壓調(diào)節(jié)器輸入電壓調(diào)節(jié)器壓> 80伏，另考慮到反峰脈沖因素，國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T706-2004《機(jī)動(dòng)車用硅雪崩整流二極管技術(shù)條件》中，規(guī)定整流二極管的最高耐壓為45伏，不能延用于車用永磁發(fā)電機(jī)專用可控硅芯片，應(yīng)設(shè)計(jì)可控硅芯片耐壓為彡150伏較妥，又因可控硅芯片中P區(qū)擴(kuò)散層能承擔(dān)一定的電壓，可控硅芯片中N基區(qū)耗盡層耐壓設(shè)計(jì)為耐壓100伏時(shí)完全能滿足可控硅芯片耐壓> 150伏要求。將V = 100 伏代入式⑴，得:P 1(歐姆厘米)電阻率為1歐姆厘米的N型硅材料，對應(yīng)雜質(zhì)濃度約為切10(15次方)，對應(yīng)本征激發(fā)溫度約為300度。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 774-2006《汽車交流發(fā)電機(jī)用電子電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)條件》對可控硅芯片的結(jié)溫要求。所以，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出高于180度額定結(jié)溫的可控硅芯片在理論上是可行的。本實(shí)用新型選用電阻率為為1 3歐姆厘米的N型硅材料，已生產(chǎn)出最高額定結(jié)溫為200度，耐壓彡200伏的優(yōu)良可控硅芯片樣品，屬國內(nèi)領(lǐng)先水平。考慮到工藝變量，生產(chǎn)成本，市場習(xí)慣等諸多因素，實(shí)際生產(chǎn)中，可選用電阻率為1 5歐姆厘米。2，改變傳統(tǒng)的“一正一負(fù)”成角工藝，為“雙負(fù)角”成角工藝，減小了高溫漏電流， 降低了陰極電流密度。可控硅芯片在工作中要承受正向、反向二種電壓，為保證芯片邊緣臺(tái)面電場強(qiáng)度的降低，高溫漏電流減小，傳統(tǒng)工藝采用磨一個(gè)“正角，，來承受反向電壓；磨一個(gè)“負(fù)角”來承受正向電壓，這“一正一負(fù)”角，全都設(shè)在陰極面上，二角總寬度約在1.5 2毫米之間。 永磁發(fā)電機(jī)專用可控硅芯片，要求芯片額定工作電流為20 50安培范圍。以園形芯片為例，對應(yīng)其直徑約在7 12毫米之間，假如在其陰極面上磨出“一正一負(fù)”二個(gè)角度，將損失直徑3 4毫米，減少大量的陰極面積，使陰極電流密度大幅增加，使可控硅芯片的峰值壓降大幅度增加，熱阻也急劇增大。這是國內(nèi)永磁發(fā)電機(jī)專用可控硅芯片難以制作的重要原因。在本實(shí)用新型中，設(shè)計(jì)在可控硅芯片的陰極面上磨制一個(gè)負(fù)角，承受正向電壓；在其陽極面上對應(yīng)磨制一個(gè)負(fù)角，承受反向電壓。二角相互對應(yīng)，角邊寬0. 8 1. 0毫米，損失陰極面積較少，不但提高了原材料的利用率，峰值壓降和熱阻二項(xiàng)性能也得到了改善。3，根椐可控硅芯片峰值壓降與芯片基區(qū)厚度的平方成反比的規(guī)律，選用超薄硅片，減少基區(qū)厚度來降低峰值壓降?？煽毓栊酒鶇^(qū)中耗盡區(qū)厚度d，與電阻率P存在下列關(guān)系 d = 4. 95 P (0. 875 次方)(微米)……式⑵(引自《高壓硅半導(dǎo)體器件耐壓與表面絕緣技術(shù)》)代入電阻率P = 3 (歐姆厘米)，得d = 12. 9微米?？煽毓栊酒鶇^(qū)寬厚度，等于耗盡區(qū)厚度d和隔離基區(qū)(又稱有效基區(qū))厚度L 之和，隔離區(qū)越厚，內(nèi)部PN結(jié)之間影響越小，產(chǎn)品的高溫漏電流越小。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)隔離區(qū)厚度結(jié)構(gòu)是國N區(qū)少子空穴擴(kuò)散長度的2倍，此條件下，可控硅芯片內(nèi)部PN結(jié)之間影響較小，電流輸運(yùn)系數(shù)約為0. 266倍，產(chǎn)品高溫漏電較小。溫度180度、空穴壽命5微秒時(shí)，空穴擴(kuò)散長度等于43微米，故隔離區(qū)厚度取86微米。可控硅芯片基區(qū)寬度則為d+L ^ 13+86 = 99 (微米)在本實(shí)用新型中，設(shè)計(jì)可控硅芯片雙面對稱擴(kuò)散P型雜質(zhì)的厚度P為50微米。則可控硅芯片產(chǎn)品的硅片總厚度為D = d+L+P+P = 99+50+50 = 199 (微米)比起傳統(tǒng)的可控硅芯片生產(chǎn)工藝，采用厚度450 550微米總厚度的硅片，不但節(jié)省大量原材料，更重要的是產(chǎn)品的峰值壓降大幅度降低。試用厚度為200微米的普通N型硅片生產(chǎn)出的可控硅芯片樣品，最低峰值壓降等于0. 90伏，也達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。綜上所述，本實(shí)用新型提供了一種永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器專用的高結(jié)溫低壓降可控硅芯片。采用1 5歐姆厘米的N型硅材料和二倍空穴擴(kuò)散長度的隔離基區(qū)結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的額定結(jié)溫達(dá)到彡180度；采用厚度為200士20微米的硅片和雙負(fù)角臺(tái)面工藝結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的峰值壓降達(dá)到< 1.0伏。其額定結(jié)溫和峰值壓降二項(xiàng)重要特性指標(biāo)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
下面以說明書附圖中園形結(jié)構(gòu)的可控硅芯片為例，對本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。其它外型結(jié)構(gòu)形狀(方、長方、橢園等)的可控硅芯片附圖，未能一一例舉，但可以沿用同樣的技術(shù)說明。圖1是可控硅芯片平面圖。，Φ為園型可控硅芯片外園直徑，其值對應(yīng)設(shè)計(jì)為7 18毫米，其它外型結(jié)構(gòu)形狀的可控硅芯片可以用相同面積類推。K為陰極電極直徑，其值比 Φ小二個(gè)負(fù)角邊寬，一個(gè)負(fù)角邊寬為0.8 1.0毫米。陰極與門極之間的空隙處稱“門極環(huán)槽”，用光刻方法形成，其寬度為0. 3 0. 5毫米。圖2是可控硅芯片剖面圖。門電極位于圖左上部，陰電極位于圖右上部，陽電極位于圖的下部，以上三電極可選用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能較好而熱膨脹系數(shù)較小的金屬或合金。各電極與硅片的歐姆接觸和機(jī)械連接可采用二者均鍍鎳，然后用鉛錫爐釬焊方法焊結(jié)合。門極環(huán)槽中和硅片邊緣負(fù)角處，填入絕緣能力好、與硅片和電極粘附力強(qiáng)的絕緣膠。圖2的局部放大圖，給出了可控硅芯片園周邊緣處雙負(fù)角的成角形狀。陰極面和陽極面上的二個(gè)負(fù)角大小相等且相互對應(yīng)，角度α選用3. 5 4. 5度，角邊寬選用0.8 0. 1毫米。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型技術(shù)方案屬于半導(dǎo)體技術(shù)范疇，所以工藝實(shí)施較為復(fù)雜，以下按工藝程序(工序)先后分別敘述如下1，選取N型，<111>晶向，電阻率1 5歐姆厘米，磨厚200士20微米，直徑3英寸或4英寸硅單晶片，為主要原材料。2，雙面擴(kuò)散硼、鋁等三價(jià)元素雜質(zhì)形成雙P層，要求P層表面雜質(zhì)原子濃度為 10 (18次方)，單面P層深度為50士5微米。3，硅片在高溫條件下，雙面用“干氧-濕氧-干氧”方法氧化，生成氧化層，要求每面氧化層厚度為1. 5士0. 2微米，用光干涉法檢查時(shí)，其干涉條紋不少于7條。4，選定假設(shè)的陰極面，在其上涂、甩負(fù)性光刻膠，并實(shí)施前光刻膠烘工藝；用設(shè)計(jì)有可控硅芯片圖形的光刻板在光刻機(jī)上對陰極面爆光；再用顯影液把陰極面上圖形顯露出來，后用漂洗液洗凈硅片及圖形；實(shí)施后烘光刻膠工藝。5，將假設(shè)的陽極面用保護(hù)膠涂敷均勻，保護(hù)膠干透后，硅片放入氟化鹽的溶液中， 將硅片陰極面上可控硅芯片圖形中陰極部分的氧化層去除。6，對沒有氧化層覆蓋的部位擴(kuò)散五價(jià)磷元素，形成N+薄層，要求N+層表面雜質(zhì)原子濃度為10 (20次方)，N+層深度為10士2微米。7，將可控硅芯片圖形中，門極上、短路點(diǎn)上的氧化層去除，雙面擴(kuò)散硼、鋁等三價(jià)元素雜質(zhì)，在陽極上、門極上、短路點(diǎn)上形成P+層，要求P+層表面雜質(zhì)原子濃度為10 (19次方)，P層深度為10 士 2微米。8，重復(fù)上述第4道工序，但使用光刻板的圖形是為可控硅芯片鍍鎳設(shè)計(jì)的光刻板，光刻時(shí)必須與原陰極面上的圖形對準(zhǔn)。9，用化學(xué)鍍鎳法對硅片雙面鍍鎳，然后用真空燒結(jié)爐或氫氣燒結(jié)爐對已鍍鎳硅片進(jìn)行燒滲，以增加金屬與半導(dǎo)體的結(jié)合力，減小歐姆接觸電阻。[0044]10，重復(fù)上述第8道工序后，對硅片進(jìn)行第二次化學(xué)鍍鎳，大園片硅片工藝結(jié)束。11，用對準(zhǔn)模具將鍍鎳硅片逐片對準(zhǔn)，逐一用錫焊成一疊，高度約100 200片；裝入線切割機(jī)的模板中，開動(dòng)線切割機(jī)，將每一大園硅片垂直切割成若干小粒具有獨(dú)立電特性的可控硅芯片。線切割機(jī)受電腦內(nèi)存圖形控制，可以將可控硅芯片割成園形，也可以是正方形、長方形、橢圓形等任意形狀，以適應(yīng)不同永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)部的安裝要求。 這是本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)之一。用線切割方法從大硅片上切割下小可控硅芯片，屬目前國內(nèi)空白工藝，不但速度快、工效高，而且特別準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是，用線切割方法割下的小可控硅芯片垂直邊緣比較粗糙， 且在后面的工藝中得不到平復(fù)，但這并不影響產(chǎn)品的耐壓或其它電特性。其原因是，無論產(chǎn)品工作狀態(tài)中承受的是正向電壓還是反向電壓，可控硅芯片的垂直邊緣始終處于承受電壓的“耗盡區(qū)”外的“中性區(qū)”中。這是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)可控硅芯片雙負(fù)角臺(tái)面結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)ο12，用磨角機(jī)將每只可控硅芯片的陰極面和陽極面的邊緣研各磨出一個(gè)負(fù)角，即所謂“雙負(fù)角”，角度為3. 5 4. 5度，角邊寬為0. 8 1. 0毫米。邊緣外形園形結(jié)構(gòu)的可控硅芯片，使用帶球形磨角頭的普通旋轉(zhuǎn)式的磨角機(jī)成角，由于磨削量小，所以工效高且還不會(huì)對可控硅芯片造成應(yīng)力；外形特殊的可控硅芯片需使用配套的磨角機(jī)成角。13，磨角后的可控硅芯片、鍍鎳后的陽極電極、陰極電極、門極電極各一，配好各自方位，用夾具夾持，浸入高溫鉛錫爐中，輔以助焊劑，進(jìn)行釬焊。14，用氫氟酸配加硝酸的混合液腐蝕雙負(fù)角臺(tái)面，去除機(jī)械受傷層及污染物；烘干后，立即涂敷上絕緣膠保護(hù)雙負(fù)角臺(tái)面和門極環(huán)槽處。15，產(chǎn)品存入烘箱，從低溫逐步升到高溫，直至額定結(jié)溫，老化一定時(shí)間，用以鈍化雙負(fù)角臺(tái)面和強(qiáng)化絕緣保護(hù)膠，穩(wěn)定產(chǎn)品電特性。16，測量可控硅芯片額定結(jié)溫、峰值壓降這二項(xiàng)重要特性的具體數(shù)據(jù)，以及耐壓、 觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流、維持電流的具體數(shù)據(jù)，剔除不良品。17，可控硅芯片的產(chǎn)品周期檢驗(yàn)及抽樣方法，參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
權(quán)利要求1.一種永磁發(fā)電機(jī)專用高結(jié)溫低壓降可控硅芯片，其特征在于所述可控硅芯片采用電阻率1 5歐姆厘米、厚度200士20微米的N型硅片，芯片邊緣采用雙負(fù)角臺(tái)面結(jié)構(gòu)，由陽電極、陰電極、門電極和絕緣保護(hù)膠共同組成產(chǎn)品實(shí)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁發(fā)電機(jī)專用高結(jié)溫低壓降可控硅芯片，其特征在于所述可控硅芯片，其外邊緣形狀可以是園形、正方形、長方形或橢園形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁發(fā)電機(jī)專用高結(jié)溫低壓降可控硅芯片，其特征在于所述可控硅芯片邊緣雙負(fù)角臺(tái)面結(jié)構(gòu)，陰極面上負(fù)角與陽極面上負(fù)角，角度和角邊寬對應(yīng)相同，角度為3. 5 4. 5度，角邊寬為0. 8 1. 0毫米。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器專用的高結(jié)溫低壓降可控硅芯片。采用1～5歐姆厘米的N型硅材料和二倍空穴擴(kuò)散長度的隔離基區(qū)結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的額定結(jié)溫達(dá)到≥180度；采用厚度為200±20微米的硅片和雙負(fù)角臺(tái)面工藝結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的峰值壓降達(dá)到≤1.0伏。其額定結(jié)溫和峰值壓降二項(xiàng)重要特性指標(biāo)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
文檔編號(hào)H01L29/74GK202150460SQ20112011293
公開日2012年2月22日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者程德明 申請人:程德明