高压晶闸管的设计与制造

1、.高压晶闸管的设计与制造 西安永电公司元件分厂范晓飞摘 要：本文主要介绍了一种高压晶闸管的设计方法和生产工艺，并对部分主要工艺进行了详细说明。关键词：放大门极短路发射极 全压接 1引言 市场上的电力半导体器件现已有几十种，它们各有其特点和应用领域。但在特大功率的工频应用中，晶闸管以其耐压高，通态压降小，是其它电力半导体器件所不能代替的。在大功率工频可控整流装置、高压直流输电、机车牵引、动态无功功率补偿等应用场合，晶闸管都占有一定优势，有着广阔的应用前景。 随着变流设备的容量不断增大，特别是直流输电的迅猛发展，要求单只晶闸管的输出功率大幅度提高，以减少装置中晶闸管的串、并联数目，这样不但可以使装

2、置的体积变小、重量减轻、制造成本下降，而且有利于装置中各桥臂之间的均流、均压，从而提高运行可靠性，获得最高的经济效益。因而，在今后的一段时间内，大容量、高电压仍是晶闸管发展的一个主要方向。近年来我们在晶闸管生产中，取得了成功。现将其主要设计方法和生产工艺进行介绍。 扩散工艺 普通晶闸管的区一般采用开管硼铝或闭管镓铝扩散形成，这种方法的优点是通过一次扩散就获得较深的结深和较高的表面浓度，而且设备简单、操作简便易行，对于以下的晶闸管非常实用。但是当电压大于以后，尤其是电压5000V以上，用这种工艺制造出来的管芯就很难达到设计电压。这就必须改进扩散工艺。由理论分析可以知道，降低一扩的前沿浓度可以使结

3、加反向电压时在型区的扩展宽度加宽，从而降低了电场强度，提高结的击穿电压。在实际生产中我们首先选用了固溶度低、扩散速率快的杂质源进行一次扩散，这样就很容易在硅中形成一个深结深、低浓度的型层。这种扩散方法形成的结前沿浓度较低，且浓度分布比较平缓，有利于空间电荷区在区的扩展。由于一次扩散形成的浓度分布比较平缓，浓度随结深的变化幅度小，所以在二次扩散时，短基区的横向电阻容易控制，门极参数比较集中，这对晶闸管的触发特性和动态特性都非常有利。一次扩散形成的型区表面浓度较低，烧结时形成的欧姆接触电阻大，为了降低晶闸管的通态压降，在一次扩散的基础上还必须进行一次高浓度的扩散。扩散后的杂质浓度分布曲线如图。图

4、扩散后的杂质浓度分布曲线光刻版的设计考虑光刻版设计的好坏除对晶闸管的触发特性有很大的影响以外，对晶闸管的动态特性（如、等）也尤为关键。一次扩散采用低浓度的杂质源后，区的薄层电阻将会很大，在其它条件不变的情况下，放大门极的横向电阻相应的变大，这就使得门极需要提供的触发电流变小。如果门极触发电流过小，晶闸管容易被误触发，这就需要对晶闸管的门极参数做出调整。通常对晶闸管的门极触发电流进行调整只需要改变扩磷结深就可以实现，但是由于一次扩散的浓度分布比较平缓，单纯的改变扩磷结深对门极触发电流影响不大，还需要对光刻板尺寸进行调整，这样才能将门极参数调整到合适的范围内。关于/一般采用放大门极结构，设计较为复

5、杂的放大门极图形，延长门极对阴极的作用线长度，并合理设置放大门极和阴极第一圈短路点，使放大门极起作用。在加门极触发电流时，放大门极首先导通，从阳极流过来的电流经过放大门极与门极触发电流叠加去触发阴极。只要放大门极结构设计合理，就可以使耐量得到显著提高。提高最显著的方法就是采用短路发射极结构，通过在阴极面设置短路点，使得由所产生的位移电流横向流过2基区后，经短路点流到阴极，从而a2，不受位移电流的影响。采用短路发射极结构能使的耐量从每微秒几十伏增大到每微秒几千伏。但要注意的是一次扩散的2区薄层电阻很大，为降低位移电流在2区所产生的横向压降，就必须减小短路点之间的距离，在阴极面设置小而密的短路点，

6、增加阴极面短路点密度，使得位移电流在2区所产生的横向压降小于3结的开放电压。烧结高电压、大容量的晶闸管芯片直径较大，如果采用传统的烧结方式，则硅片和钼片之间由于热膨胀系数不同而产生的热应力对晶闸管的性能将有很大的影响，因此我们采用两面蒸铝、不烧结钼片的单片结构。 台面造型如图所示，采用单片结构后，如果台面还磨正、负斜角，由于正角要磨过1结，磨的很深，硅片边缘很薄，容易产生崩边，对晶闸管的反向电压会造成很大的影响。而采用双负角结构后，阴、阳极的负角都只需要磨过一扩结深即可，硅片边缘的厚度还很厚，不容易造成崩边。双负角还有一个好处就是可以减少磨角对阴极面造成的损失。图2 正负斜角和双负角台面造型比较 封装结构因芯片采用单片结构，没有烧结钼片，芯片的强度较低，所以封装采用全压接封装结构。如图所示，芯片的 阴、阳极面各压一片钼片，钼片的平行度、平面度，表面粗糙度都要达到一定的要求，否则可能因为钼片表面不平而将芯片压碎。再将芯片和钼片一块装入管壳，引出电极。另外，管壳的平行度、平面度、表面粗糙度在设计时也有严格的要求。图全压接管壳封装示意图结束语采用先扩低浓度杂质，再扩高浓度杂质的扩散方法、加之双负角造型工艺，可以很容易使晶闸管的电压达到 ，再通过合理的光刻版设计，可以使其具有优良的静态特性和动态特性。参考文献【】孟庆宗，