关于一种新型高可靠超高压快恢复整流硅堆研制方法的研究

关于一种新型高可靠超高压快恢复整流硅堆研制方法的研究

杨俊

关键词：超高压快恢复整流硅堆；技术比较

引言

随着武器装备不断向大功率、高频、小型化方向发展，航天、航空用户对军用高压硅堆的需求从常规的2kV～4kV向5kV以上延伸，甚至部分达到了10kV，同时对产品提出了“小”—封装形式小型化、“精”—产品性能精细化、“高”—高质量等级等明确要求。目前国内超高压快恢复整流硅堆产品虽然比较多，但是封装外形均采用塑料封装，一是产品可靠性不高，不能满足军用整机需求；二是产品封装体积较大，不能满足整机小型化要求。三是工作频率较低，不能满足整机高频化工作需求。虽然市面上也有极少部分玻璃钝化实体封装产品，但由于质量等级较低，产品抗温度冲击及浪涌电流冲击能力差，在装备使用中容易出现烧毁或断裂，存在安全隐患，无法较好地满足装备应用需求。因此，目前大部分超高压快恢复整流硅堆器件仍需要进口，严重制约了我国整机厂家对超高压快恢复整流硅堆的使用需求，武器装备国产化进程的不断推进，急需开展小体积高可靠超高压快恢复整流硅堆的研制。

由于该类器件以其独立性和特殊性，现有的集成电路无法实现其功能和特性，受国外禁运或存在较大禁运风险，近几年的国产化研制及使用需求愈加明显。产品的成功研制不仅能够满足工程使用要求，还能替代国外同类产品，打破国外禁运及受制于人的局面，实现高端元器件的自主研制和配套，对提高我国电子装备的可靠性具有十分重要的意义。

1、产品性能指标及封装

中国振华集团永光电子有限公司（国营第八七三厂）（以下简称“我厂”）以科研任务为牵引，自2011年起，就开始了高可靠玻璃钝化实体封装高压硅堆产品的研制。以10000V产品为例，产品技术指标见表1。

1：铜引线2：电极3：管芯4：玻粉

图1产品结构图

2、与国外同类产品的技术比较

国外同类产品大多采用的是塑料封装结构，从产品指标及市场份额来看，塑封硅堆以日本大昌电子（SIYU）公司产品为典型代表，但由于塑封结构可靠性较低，产品质量等级为工业级。目前能够查询到的生产研制玻璃钝化实体封装的高压快恢复整流硅堆国外厂家极少，产品技术水平较高的以SSDI公司为典型代表。

2.1国外玻钝产品技术比较

对于玻璃钝化实体封装的高压硅堆产品，以SSDI公司为典型研制厂家，以相似产品为例，电参数性能指标及可靠性水平对比情况如下：

从表3中的对比数据可以看出，我厂产品质量等级、机械性能及封装外形、抗温度循环能力方面均与国外对标产品保持一致；且我厂能够在产品管体尺寸设计更小的情况下，使产品抗浪涌冲击、抗电应力试验等性能均优于国外产品。

从上述对比情况可以看出，我厂研制的高压快恢复整流硅堆产品无论在电参数指标还是在可靠性方面，都具有较大的优势，能够完全替代国外同类器件。

2.2国外塑封产品技术比较

从产品指标及市场份额来看，塑封硅堆以日本大昌电子（SIYU）公司产品为典型代表，但由于塑封结构可靠性较低，产品质量等级为工业级。

电参数性能指标及可靠性水平对比情况如下：

从表4、表5中的对比数据可以看出，我厂研制产品从封装结构来说，比国外塑封结构设计更加合理，外形尺寸更小，更加符合装备小型化的需求；从产品额定指标、使用温度范围、电特性实测情况及可靠性方面均优于国外同类塑封产品。

3、成果的创造性和先进性

该类产品最大的研制难点也是研制重点，就是实现产品高压的同时，如何保证产品抗浪涌电流及温度冲击能力（IF=0.4A，IFSM=25A，10次大电流浪涌冲击和-55℃～175℃下，500次温度循环试验）。

一般情况下产品的浪涌电流IFSM约为平均整流电流IO的20倍（产品IO为0.4A），而该产品的浪涌电流为25A，远远超过了产品的平均整流电流，约为IO的62.5倍，如何保障产品能够承受大电流浪涌冲击的能力是该产品研制的重要技术之一。对于硅堆类产品，一般正向均在10V左右，在25A下的正向降压约为30V左右，由此可以计算出在25A浪涌下器件承受的瞬时功率约为25×30=750W。但受封装结构限制，原有的同类产品瞬时功率最高在300W左右。考虑到该产品在抗浪涌电流、温度冲击的指标远大于其他相似结构的玻璃钝化器件，当产品瞬时通过很大的功率时，玻璃球内部能量不能及时传递出来，导致玻璃球出现裂纹，甚至断裂。因此，产品研制难度极大。

为解决产品抗大电流浪涌冲击和温度冲击问题，保障产品的电参数及可靠性满足装备使用需求，我厂摒弃了以往常规产品的设计及制造经验，从电极设计及加工、玻粉与电极的匹配、钝化成型等关键技术入手，成功解决了传统玻钝硅堆存在的问题，提升了器件的质量可靠性。

通过该类器件的研制，确定了新型电极材料的性能优势，首次提出了采用与硅的膨胀系数更加相近的电极材料，并应用到了玻璃钝化实体封装的高压快恢复整流硅堆产品研制中，大大地提高了产品的热匹配性，改善了产品抗热冲击性能和抗大电流冲击能力，实现了产品25A大浪涌电流冲击和-55℃~175℃下500次温度循环零失效。

目前该种高压硅堆制作方法已成功申请1项发明专利和1项实用新型专利，发明专利已授权（授权号：ZL201510193603.2），实用新型专利已授权（授权号：ZL201520247306.7）。经查新，除本项目外，国内外未见具有相同特征的高压快恢复整流硅堆的文献报道（国内、国际科技查新报告号：20175100901583）；经国防成果鉴定，该技术填补了国内、国际相关研制领域空白。

4、意义及前景

高压快恢复整流硅堆的成功研制，较好地满足了装备急需，填补了国内0.5A以下的小体积封装高压硅堆抗浪涌电流冲击能力大于25A的空白，开拓了玻璃钝化实体封装超高压整流硅堆研制领域，还形成了一套较为完善的多管芯叠加玻璃钝化封装高压硅堆制作工艺规范，扩展研制了高压硅堆系列产品，并应用到了航天、航空等领域中，成功替代国外同类产品，实现了高精尖器件国产化，对打破国外同类器件的禁运起到了促进作用。

随着装备不断向高压、大功率方向发展，装备及市场对高可靠、小体积的高压器件提出了进一步的要求，高压快恢复整流硅堆作为高压电子线路中必不可少的重要器件之一，高压系统及整机仍旧是军、民用领域重要的发展趋势，该类产品使用量将逐年增加，通过对该类产品不断的型号扩展及性能提升，产品应用领域将会不断拓展，前景十分看好。

参考文献

[1]玻璃钝化台面二极管的芯柱腐蚀及其对钝化效果的影响[J].胡宪泽.电子工艺技术.1986(08)

[2]汽车硅整流二极管△U_F的探讨[J].樊晓玲,周立敬,樊守庭.汽车电器.2005(12)

[3]玻璃钝化技术在高压硅堆上的应用[J].刘万万,许澄嘉,王国栋.半导体技术.1981(02)