引 言 快恢复二极管（简称FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短的开云棋牌官网在线客服二极管，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开云棋牌官网在线客服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开云棋牌官网在线客服发出，在开云棋牌官网在线客服表面有电力线进入，这等效于开云棋牌官网在线客服表面有正电荷，他对电场的影响可看做是无穷大的开云棋牌官网在线客服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

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。