快速恢復(fù)二極管打火問題的優(yōu)化設(shè)計

引 言 快恢復(fù)二極管(簡稱FRD)是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。擊穿電壓是最重要得參數(shù)之一，它和最大電流容量一起決定了電力電子器件的額定功率，其中功率FRD通常是通過大面積PN結(jié)保證實(shí)現(xiàn)大電流。但是對于高壓工作的FRD來說，平面工藝不可避免的存在著結(jié)面彎曲效應(yīng)而影響擊穿電壓，使得器件實(shí)際擊穿電壓只有理想情況的10%-30%。因此為了保證FRD能工作在高電壓下，就需要使用結(jié)終端技術(shù)來消除結(jié)面彎曲帶來的影響，提高FRD器件的耐壓。在提高耐壓采用終端技術(shù)的同時，還要兼顧到其它特性的影響和優(yōu)化。如本文后面將要提到的，在采用金屬場板終端提高耐壓的同時，還要防止圓片打火問題的發(fā)生。

1場限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

圖1：場限環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：多個場限環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

場限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)見圖1，圖2.。就是在被保護(hù)的主結(jié)周圍間隔一定距離，擴(kuò)散形成一定大小的同心環(huán)。擴(kuò)散環(huán)改變了主結(jié)邊緣空間電荷分布，減輕了電場集中效應(yīng)。提高了耐壓。單環(huán)的作用有限，一般在高壓下需要通過多個環(huán)來達(dá)到預(yù)定的電壓。

2 場板的基本結(jié)構(gòu)分析

圖3：場板結(jié)構(gòu)示意圖

場板的基本結(jié)構(gòu)見圖3，也是常用的提高耐壓的方法之一。場板下除邊緣部分外，電場分布是一維的，類似于MOS電容。擊穿時的擊穿電壓為擊穿時半導(dǎo)體的電壓和氧化層的壓降之和。在場版的邊緣，電力線集中。如果場板長度比內(nèi)部耗盡層還大，N+P結(jié)的場板有電力線從板向半導(dǎo)體發(fā)出，在半導(dǎo)體表面有電力線進(jìn)入，這等效于半導(dǎo)體表面有正電荷，他對電場的影響可看做是無窮大的半導(dǎo)體中間增加了一層電荷，這些正電荷產(chǎn)生垂直于表面的場外，也將產(chǎn)生平行于表面的場，每一正電荷在其左邊產(chǎn)生指向左的場，在其右邊產(chǎn)生指向右的場。所以在場版下面的多數(shù)區(qū)域，正電荷產(chǎn)生的橫向電場是互相削弱。然而在場板的邊緣，所有正電荷產(chǎn)生的橫向場是互相加強(qiáng)的，結(jié)果在那里造成一個橫向場的峰值。如果場板很短或者無場板時，在PN結(jié)的邊緣就有很強(qiáng)的電場，場板上所有正電荷都是使這點(diǎn)電場減少的，因此場板愈長，電場峰值愈小。

3 氣隙的擊穿特性

我們知道，影響空氣間隙放電電壓的因素有很多。主要有電場的情況，比如均勻與不均勻;電壓的形式，比如直流，交流還是雷電沖擊;大氣的條件，比如溫度，濕度，氣壓等。較均勻電場氣隙的擊穿電壓與電壓極性無關(guān)，直流，工頻擊穿電壓(峰值)以及50%沖擊擊穿電壓都相同，分散性很小。

當(dāng)S不過于小時(S>1cm)， 均勻空氣中的電場強(qiáng)度大致等于30KV/cm。稍不均勻的電場氣隙的擊穿電壓，可以看作球與球之間，球與板之間，圓柱與棒之間，同軸圓柱的間隙之間的擊穿。它的特點(diǎn)是不能形成穩(wěn)定的電暈放電，電場不對稱時，有極性效應(yīng)，不很明顯，直流，工頻下的擊穿電壓以及50%沖擊擊穿電壓相同，分散性不大，擊穿電壓和電場均勻程度關(guān)系極大，電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高。直流電壓下的擊穿電壓具有極性效應(yīng)，棒棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒板電極之間，平均擊穿場強(qiáng)正棒和負(fù)板間約4.5KV/cm，負(fù)棒和正板間約10KV/cm，棒和棒之間約4.8-5KV/cm。擊穿電壓與間隙距離接近正比，在一定范圍內(nèi)，擊穿電壓與間隙距離呈線性關(guān)系。球與球間隙之間存在鄰近效應(yīng)，對電場會有畸變作用，使間隙電場分布不對稱，同一距離下，球直徑越大，擊穿電壓也越高。

圖4 擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)過程

4.1失效現(xiàn)象與分析

FRD在開發(fā)過程中工程批流片出來后測試擊穿電壓，當(dāng)電壓加到幾百伏時，可開始看到有嚴(yán)重的打火現(xiàn)象，測試打火曲線如圖5，打火發(fā)生后，圓片上可看到終端外圍兩個金屬鋁條有明顯發(fā)黑的跡象，如圖6。

圖5 FRD 圓片擊穿電壓測試曲線

圖6 FRD 圓片打火位置圖片

其中距離cell區(qū)較近的金屬是終端的一個金屬場板，在最外圍的一個是截止環(huán)的金屬。從失效現(xiàn)象來看，打火應(yīng)該是最外圍的兩個金屬之間進(jìn)行的。工藝上，當(dāng)初為了節(jié)省成本，金屬完成后沒有加鈍化層次，因此兩個金屬之間是沒有氧化等介質(zhì)的。檢查版上數(shù)據(jù)，金屬場板到截止環(huán)金屬之間距離為72um，懷疑可能此距離太小，又沒有介質(zhì)，因此導(dǎo)致金屬之間電場過強(qiáng)，引起打火，為了驗(yàn)證，特對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬。

4.2原結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

如圖7所示原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)果擊穿電壓約1500V,最外圍的金屬場板與最外圍截止環(huán)金屬之間電勢差約800V，最外圍場板承擔(dān)了較大的電壓，從表面電場分布看，最外圍金屬場板處表面電場最強(qiáng)，約2.6E5V/cm，前面其它環(huán)的電場基本在1.6E5V/cm左右，金屬場板處電場較集中。而空氣的擊穿場強(qiáng)約為30KV/cm，金屬場環(huán)和截止環(huán)之間距離為72um，空氣耐壓約220V，據(jù)此推斷失效的原因應(yīng)該是金屬之間距離較近，電壓較大引起空氣擊穿，從而發(fā)生打火現(xiàn)象。

圖7：FRD 原版結(jié)構(gòu)

圖8 FRD原版模擬結(jié)果電勢分布圖