大功率整流二极管基片以可伐代钼的研究

岳辰云

摘要：本文从保证产品质量，节约资源，降低成本的角度出发，分析论證了大功率硅整流二极管基片以可伐替代钼的可行性，通过实验得到验证，具有推广价值。

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.

关键词：硅整流；二极管；管芯基片；可伐代钼

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

中图分类号：TN111 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0088-02

0 引言

自20世纪60年代大功率半导体器件研制生产以来，这类器件多以硅单晶为基础材料，利用硅单晶P-N结的单向导电特性而制成[1]。由于硅片材料硬而脆的物理性质，导致在生产过程中无法承受较大的应力，极易在硅片体内形成闷伤或者是产生碎裂现象。为避免这一情况的发生，在硅片上下各增加一块稀有金属钼制成的垫片，这种方法一直沿用至今。钼是一种昂贵的稀有金属，从降低成本、节约资源的角度考虑，人们一直在寻找一种新的金属材料来取代钼片。20世纪80年代初，就有人尝试过用铜材料来做管芯基片，凭借铜片良好的导电导热性能，通过试验取得了成功，并于1985年大批量的用于二极管的生产中。之后也有人做过以铁代钼的探索，通过反复的实践试验，证明以铁代钼的工艺也是可行的，并且还大量的用于汽车整流二极管的生产。但是铜片和铁片的热膨胀系数与硅片相差较大，在二极管工艺中替代钼片的方法，仅在一定的功率范围内是可行的[2]。

随着可伐合金工艺的发展，再加上其热膨胀系数与硅片相接近，以可伐合金代替钼片成了一个新的思路，借助过去的经验以及反复的试验论证，发现整流二极管的双面基片不仅可以用铜、铁来替代钼片，还可以用可伐合金来替代钼。

1 选用钼片做二极管管芯基片的原因

在传统的半导体整流二极管的生产工艺中，选用钼片做二极管管芯基片的原因，主要考虑到以下几个方面的内容：

1.1 金属钼与硅的线性热膨胀系数相接近

如表1所示，相比与其他的金属材料，钼与硅材料的线性热膨胀系数最接近，由于二极管都会存在一定的正向电压降，当整流二极管处于正常工作状态时，正向导通会产生大量的热量，钼片和硅芯片在受热的状态下会产生一定的线性热膨胀，因为两者的线性热膨胀系数相近，钼片给管芯带来的热应力较小，不会引起硅片的碎裂，对半导体器件的电性能影响也不大。

1.2 金属钼的硬度大

从表1可以看出，钼在几种金属中硬度是较大的，机械强度高，在受外力的作用时不容易发生形变，能很好的保护硅芯片。

1.3 良好的导热性能

钼片的热导率较高，导热能力较好，能很好的传递出硅芯片在正常工作中产生的热量，帮助硅芯片散热，防止二极管管芯由于温度过高而损坏。

1.4 优良的导电能力，可用作引出电极

2 可伐片代钼片的可行性分析

可伐合金是铁钴镍三种金属的合金，其中铁的含量为54%，镍28%，钴18%。我们将可伐合金的物理性质与表1中的各材料做个简单的对比，可伐合金的热膨胀系数是几种金属中与硅片最接近的，如果以可伐代钼，在正常工作中产生的线性热膨胀对二极管的电性能的影响是最小的；另外，可伐合金的硬度比钼片高，受力不易产生形变，能比钼片承受更大的应力，可以更好的保护硅片；可伐合金的电阻率比钼高，热导率只有钼的五分之一，导电导热性能没有钼片好，但在以可伐代钼的试验中，电流等级160A以下的整流二极管并未发现管芯过热失效的情况，正向压降也没有太大的变化。

这里我们做一个简单的分析，图1是整流二极管的结构图，图中A和B的大小根据管芯的功率来确定，如图1所示，硅芯片和上下两个基片不是直接夹在一起的，中间有一层铅锡层，将三层紧密的焊接在一起。同时在整流二极管的生产过程中，硅片和上下两个基片表面都会镀上镍层，通过高温退火，在表面形成一层镍的合金层，一方面提高沾锡性能，形成良好的欧姆接触层；另一方面也增加了它的导电能力。因此，可伐合金的较高的电阻率未对整流二极管的导电能力产生较大的影响。

另外，整流二极管这种类似三明治的结构，在硅片与基片间都存在一层铅锡层，在整流二极管正常工作中产生的热应力和热量会被中间的铅锡层吸收释放了一部分；并且随着半导体技术水平的提高，整流二极管的散热方式也有了很大的改善，甚至于还产生了很多专门针对整流二极管的散热装置。

从上面的论证结果来看，整流二极管以可伐片替代钼片的方式是可行的。

3 试验验证以及结果

①试验准备：取一批扩散完成、小样测试合格的硅片，在硅片表面镀上一层镍的合金层，然后再割成电流等级30A大小的圆片。

②试验过程：将割好的圆片平均分成两份，一份用钼片作为基片，一份用可伐片作为基片，按工艺要求进行搪锡、表面处理，然后严格按照整流二极管的测试标准进行室温和高温下的电压测试和正向压降测试。

③试验结果：管芯通过室温、高温测试反向漏电流IR，正向平均电压降VF，其成品率分别为89.1%和89.9%，从测试合格的管芯中随机抽取10只管芯，其测试数据如下：表2为室温反向漏电流IR的测试结果，其测试条件为反向峰值电压VRSM=1600V，要求其漏电流IRSM≤3μA；表3为正向平均电压降VF的测试结果，其测试条件为正向电流I=30A，要求正向平均电压降VF≤1.2V。

上述测试结果均在范围内，对测试合格的管芯经过高温存放、高温反偏和高低温循环试验，试验的结果也全部符合要求。从试验的结果我们可以看出，以可伐片代钼片生产出的大功率整流二极管各项电压特性均能符合要求。

4 经济效益

从经济效益的层面上来看，钼是一种昂贵的稀有金属，其价格每吨达到三十几万元，而可伐合金的每吨价格只有钼的三分之一左右，两者的价格相差较大，其带来的经济效益是不言而喻的，因此，整流二极管以可伐片替代钼片这项工艺从降低成本提高效益的角度来看是值得使用和推广的。

5 结论

通过以上论证和试验验证，大功率整流二极管可伐片替代钼片这项工艺是可行的。在近几年的生产中，使用这项工艺改进生产出来的整流二极管产品性能稳定、质量可靠。在保证产品质量的同时也节约了资源、降低了成本，提高了生产效益。实践证明，在生产过程中，只要敢于探索，就能够发现新的材料、新的方法。

参考文献：

[1]电气传动设计研究院.可控硅整流元件制造工艺[M].北京：科学出版社，1971.

[2]莫党.半导体材料[M].上海：科技出版社，1963.

[3]施敏.现代半导体物理器件[M].北京：科学出版社，2001.