采用钨电极材料制造抗大浪涌电流冲击玻璃钝化高压硅堆的工艺研究

古 进 杨彦闻

（中国振华集团永光电子有限公司（国营第八七三厂），贵州 贵阳 550000）

采用钨电极材料制造抗大浪涌电流冲击玻璃钝化高压硅堆的工艺研究

古 进 杨彦闻

（中国振华集团永光电子有限公司（国营第八七三厂），贵州 贵阳 550000）

本文通过介绍采用钨电极代替传统钼电极材料运用于高压硅堆的制造，并使用与钨电极热匹配性能更好、机械强度更高的钝化玻璃粉进行器件的封装，提高了玻璃钝化实体封装结构的高压硅堆抗大浪涌电流能力，同时提升了器件的抗温度冲击能力。

钨电极；玻璃钝化实体封装；高压硅堆

1　概述

目前，国内生产的高压硅堆封装形式大部分为塑封，而涉及可靠性较高的玻璃钝化封装高压硅堆却很少见，生产玻璃钝化高压硅堆的主要制造工艺路线为：制造反向击穿电压在1000V左右的单颗管芯，将管芯分极后装模烧焊，芯片腐蚀涂粉成型实现电参数性能，管芯叠加数量根据要求的反向工作电压而定［1］，其产品结构图见图1。

图1　产品结构图

目前我厂生产的玻璃钝化快恢复整流硅堆反向工作电压最高仅达到5000V，而未涉到反向耐压更高、抗更大浪涌电流冲击的硅堆器件，下面我们将研究反向工作电压VRWM为7500V，反向不重复峰值电压VRSM达到10000V，反向恢复时间trr小于60ns，正向浪涌电流IFSM达到25A的玻璃钝化高压硅堆器件的制造工艺。

该产品的研制主要有三个难点：①实现25A正向浪涌电流指标；②实现7500V反向电压下产品漏电流小于1μA指标，③满足-55℃～175℃下500次温度循环试验，即解决玻璃钝化高压硅堆各组件之间的热匹配问题。

产品研制初期，主要的问题有：a、25A正向浪涌电流后产品玻球出现裂纹。b、500次温度循环后玻球出现裂纹，温度循环试验考核项目产品淘汰不收敛。c、7500V下测试反向漏电流成品率很低，只有10%左右。

对于快恢复玻璃钝化高压硅堆而言，由于产品采用数颗PN结叠加实现高反向电压要求，产品正向压降VF通常较大，一般在10～15V左右，25A浪涌电流下瞬时功率非常大，要实现7500V的反向工作电压同时还需满足25A的正向浪涌电流能力，目前国内还没厂家生产类似的产品。产品在研制初期，我们对试制的产品进行正向浪涌电流试验，试验后产品管体发热严重，淘汰率很高，失效模式为玻球出现裂纹，将失效样管进行电参数测试，产品反向漏电流IR超差。

我们将失效样管解剖，发现产品玻璃钝化层由内向外出现裂纹，我们分析产品失效的原因，由于硅堆器件产品多颗管芯叠加烧焊的方式，焊接材料为铝，铝的热膨胀系数（22.5×10-6/℃）与器件组件中的电极、硅、玻璃钝化层的热膨胀系数相差较大，而玻璃钝化层本身是一种刚性材料，抗压强度远大于抗张强度，玻球宜受压应力而不宜承受过大的张应力，器件在经过较大的瞬时正向电流后，瞬时温升很高，由于各组件中材料的热膨胀系数存在的差异导致玻球出现裂纹。

为了确认产品在浪涌电流下的瞬时功率，我们采用计算机测试系统进行试验，由于浪涌电流试验条件为一个正弦半波，脉冲宽度为10ms，而计算机测试系统的测试脉冲为方波，通过积分方式进行换算可得出峰值25A、脉冲宽度10ms的正弦半波与峰值25A、脉冲宽度6.3ms的方波能量相同，于是我们采用测试正向压降的方法进行摸底，设置正向电流25A，脉冲宽度6.3ms，测试产品在25A、6.3ms的正向压降，测试结果为，该条件下，产品正向水平为20V～25V，可估算出产品的瞬时功率为：P=UI=20×25W=500W左右，产品在25A浪涌电流下的瞬时功率达到了500W，为了提高器件的瞬时散热能力，我们通过增加芯片面积提高器件的抗浪涌能力，分别将Φ1.5、Φ2、Φ3、Φ3.5的管芯尺寸进行工艺对比试验，采用Φ3.5芯片面积试制的高压硅堆在进行25A浪涌电流后产品淘汰率仍然很高，产品合格率只有10%左右。同时增大管芯面积后将带来一系列的工艺难题，如：产品腐蚀工艺变得更加困难；较大的管芯尺寸使产品的抗温度循环能力变差，无法满足研制需求。

目前国内外生产玻璃钝化二极管常用的电极材料为钼或钨，在多次采用钼电极运用于玻璃钝化高压硅堆的试制均未取得成功后我们分析了钼与钨电极的主要物理参数。如表1所示。

表1　

通过分析两种电极材料的物理参数，钨在各个温度点的热传导率均优于钼电极，同时钨的热膨胀系数相对钼与硅材料和钝化玻璃粉的的热膨胀系数更接近，为此我们加工生产了部分钨电极引线用于高压硅堆的试制，涂玻璃粉成型后进行正向浪涌电流测试，测试结果为：相同管芯面积和相同叠片结构不同电极材料的产品，在正向浪涌电流后产品合格率有明显差异，其中采用钨电极引线的制造的高压硅堆抗浪涌电流能力明显优于钼电极引线制造的产品，表2是统计情况。

表2　

在解决产品的浪涌电流后，我们着手解决产品7500V反向电压漏电流小于1μA成品率较低的问题，由于该器件的芯片采用台面型结构，如何去除芯片台面的机械损伤层和重金属杂质离子从而得到理想清洁的台面，是实现常温、高温下低漏电的关键。结合我厂现有的腐蚀工艺技术基础，我们采用酸腐蚀工艺对管芯进行腐蚀清洗，由于器件由多颗管芯串联组合而成，要使每颗管芯的台面造型良好，产品的腐蚀工艺非常关键，采用钨电极引线代替钼电极引线后，不仅能解决产品正向浪涌电流问题，在硅堆产品的腐蚀工艺方面，钨电极相对于钼电极还具有很多优点。

2　结语

采用钨电极代替我厂原来一直使用的钼电极，现已成功研制出7500V下反向漏电流小于1μA，反向恢复时间小于60ns，正向浪涌电流25A的玻钝高压硅堆，在研制过程中确定的工艺方案可以运用于我厂类似高压硅堆的研制生产中。

［1］朱冉庆，王栩生，章灵军.单晶硅太阳能电池的背场钝化技术研究［J］.阳光能源，2011（6）：60-62.

Using Tungsten ElectrodeMaterialstoSustain SurgeCurrent Shock Glass Passivation High-VoltageSilicon Stack Technology Research

Gu Jin Yang Yanwen
（China zhenhua group and optoelectronics co.，LTD.（State No.873 factory），Guiyang Guizhou 550000）

This article uses the tungsten electrode through the introduction to replace the traditional molybdenum electrode material to utilize the manufacture which piles in the high-pressured silicon，and uses and the tungsten electrode hot match performance is better，the mechanical strength higher deactivation glass dust carries on the component the seal，enhanced the glass deactivation entity seal structure high-pressured silicon to pile the anti-big surge current ability，simultaneously has promoted the component anti-temperature impact ability.

tungsten electrode；glass passivation entity；high voltage silicon pile

TN303

A

1003-5168（2015）12-0143-2

2015-12-9

古进（1988.9-），男，工程师，研究方向：硅器件研发，台面成型工艺研究等。