快速恢复二极管打火问题的优化设计

引 言 快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。击穿电压是最重要得参数之一，它和最大电流容量一起决定了电力电子器件的额定功率，其中功率FRD通常是通过大面积PN结保证实现大电流。但是对于高压工作的FRD来说，平面工艺不可避免的存在着结面弯曲效应而影响击穿电压，使得器件实际击穿电压只有理想情况的10%-30%。因此为了保证FRD能工作在高电压下，就需要使用结终端技术来消除结面弯曲带来的影响，提高FRD器件的耐压。在提高耐压采用终端技术的同时，还要兼顾到其它特性的影响和优化。如本文后面将要提到的，在采用金属场板终端提高耐压的同时，还要防止圆片打火问题的发生。

1场限环的基本结构

图1：场限环结构示意图

图2：多个场限环结构示意图

场限环的基本结构见图1，图2.。就是在被保护的主结周围间隔一定距离，扩散形成一定大小的同心环。扩散环改变了主结边缘空间电荷分布，减轻了电场集中效应。提高了耐压。单环的作用有限，一般在高压下需要通过多个环来达到预定的电压。

2 场板的基本结构分析

图3：场板结构示意图

场板的基本结构见图3，也是常用的提高耐压的方法之一。场板下除边缘部分外，电场分布是一维的，类似于MOS电容。击穿时的击穿电压为击穿时半导体的电压和氧化层的压降之和。在场版的边缘，电力线集中。如果场板长度比内部耗尽层还大，N+P结的场板有电力线从板向半导体发出，在半导体表面有电力线进入，这等效于半导体表面有正电荷，他对电场的影响可看做是无穷大的半导体中间增加了一层电荷，这些正电荷产生垂直于表面的场外，也将产生平行于表面的场，每一正电荷在其左边产生指向左的场，在其右边产生指向右的场。所以在场版下面的多数区域，正电荷产生的横向电场是互相削弱。然而在场板的边缘，所有正电荷产生的横向场是互相加强的，结果在那里造成一个横向场的峰值。如果场板很短或者无场板时，在PN结的边缘就有很强的电场，场板上所有正电荷都是使这点电场减少的，因此场板愈长，电场峰值愈小。

3 气隙的击穿特性

我们知道，影响空气间隙放电电压的因素有很多。主要有电场的情况，比如均匀与不均匀;电压的形式，比如直流，交流还是雷电冲击;大气的条件，比如温度，湿度，气压等。较均匀电场气隙的击穿电压与电压极性无关，直流，工频击穿电压(峰值)以及50%冲击击穿电压都相同，分散性很小。

当S不过于小时(S>1cm)， 均匀空气中的电场强度大致等于30KV/cm。稍不均匀的电场气隙的击穿电压，可以看作球与球之间，球与板之间，圆柱与棒之间，同轴圆柱的间隙之间的击穿。它的特点是不能形成稳定的电晕放电，电场不对称时，有极性效应，不很明显，直流，工频下的击穿电压以及50%冲击击穿电压相同，分散性不大，击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高。直流电压下的击穿电压具有极性效应，棒棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒板电极之间，平均击穿场强正棒和负板间约4.5KV/cm，负棒和正板间约10KV/cm，棒和棒之间约4.8-5KV/cm。击穿电压与间隙距离接近正比，在一定范围内，击穿电压与间隙距离呈线性关系。球与球间隙之间存在邻近效应，对电场会有畸变作用，使间隙电场分布不对称，同一距离下，球直径越大，击穿电压也越高。

图4 击穿电压与间隙距离的关系

4 实验过程

4.1失效现象与分析

FRD在开发过程中工程批流片出来后测试击穿电压，当电压加到几百伏时，可开始看到有严重的打火现象，测试打火曲线如图5，打火发生后，圆片上可看到终端外围两个金属铝条有明显发黑的迹象，如图6。

图5 FRD 圆片击穿电压测试曲线

图6 FRD 圆片打火位置图片

其中距离cell区较近的金属是终端的一个金属场板，在最外围的一个是截止环的金属。从失效现象来看，打火应该是最外围的两个金属之间进行的。工艺上，当初为了节省成本，金属完成后没有加钝化层次，因此两个金属之间是没有氧化等介质的。检查版上数据，金属场板到截止环金属之间距离为72um，怀疑可能此距离太小，又没有介质，因此导致金属之间电场过强，引起打火，为了验证，特对原结构进行了模拟。

4.2原结构模拟结果

如图7所示原始结构进行模拟，结果击穿电压约1500V,最外围的金属场板与最外围截止环金属之间电势差约800V，最外围场板承担了较大的电压，从表面电场分布看，最外围金属场板处表面电场最强，约2.6E5V/cm，前面其它环的电场基本在1.6E5V/cm左右，金属场板处电场较集中。而空气的击穿场强约为30KV/cm，金属场环和截止环之间距离为72um，空气耐压约220V，据此推断失效的原因应该是金属之间距离较近，电压较大引起空气击穿，从而发生打火现象。

图7：FRD 原版结构

图8 FRD原版模拟结果电势分布图[!--empirenews.page--]

图9 FRD原版模拟结果表面电场分布图

4.3 新设计模拟

由以上分析认为，圆片测试打火的主要原因在金属场板和截止环金属之间电势较大，引起金属间打火，下一步主要从考虑降低两者之间的电势，减小金属场板处的表面电场出发，进行了以下模拟。

4.3.1增加两个环

考虑在金属场板前再增加两个场限环，使得前面的分压增加，以减少金属之间的电势差，模拟结果如下，FRD击穿电压没有改变，仍旧在1500V,金属场板和截止环之间的电势从800V降到约500V,表面电场从2.6E5V/cm降低到1.7E5V/cm。

图10：FRD增加两个环后结构

图11 FRD增加两个环后电势分布图

图12 FRD增加两个环后表面电场分布图

4.3.2增加三个环

从增加两个环的结果看，增加环后电势和电场都有改善，于是考虑增加三个环，模拟结果如下，FRD击穿电压没有改变，仍旧在1500V, 金属场板和截止环之间的电势降为约400V,表面电场由2.6E5V/cm降低到1.2E5V/cm。

图13 增加3个环后结构

图14 增加三个环后电势分布图

图15 增加三个环后表面电场分布图

4 结论分析

从以上模拟结果可以看到，通过优化终端结构，可以有效减少金属之间电势差，改善表面电场分布，从而改善圆片测试打火现象。同时，工艺上可考虑在增加环的同时增加金属后钝化层，以更好的改善产品性能。