Сделать стабилитрон

Когда говорят ?сделать стабилитрон?, многие сразу представляют себе пайку готового корпуса на плату. Но для нас, на производстве, это начинается с кремниевой пластины и глубокого понимания, как именно формируется тот самый резкий пробой p-n перехода. Частая ошибка — считать, что главное — просто достичь нужного напряжения стабилизации. На деле, куда важнее обеспечить его стабильность по температуре и повторяемость параметров от партии к партии. Вот где кроется вся соль технологии.

С чего начинается стабилитрон: не только кремний

Исходный материал — это, конечно, основа. Мы используем кремний с высоким удельным сопротивлением, но ключевой момент — это точное легирование. Недостаточно просто создать область p и n. Концентрация примесей, особенно в той области, где будет формироваться зона пробоя, должна быть рассчитана до атома. Раньше мы сталкивались с проблемой разброса напряжения стабилизации в пределах одной пластины. Оказалось, дело было не в однородности легирования, а в микроскопических отклонениях при фотолитографии. Маска съезжала буквально на доли микрона, и этого хватало, чтобы изменить геометрию перехода.

В нашем процессе мы уделяем особое внимание этапу эпитаксиального наращивания. Именно здесь закладывается будущая ?резкость? ВАХ. Если слой нарастет с дефектами, стабилитрон будет не стабилизировать, а мягко ?плыть? по напряжению. Контроль на этом этапе — постоянный, in situ. Мы не можем позволить себе отправить пластину на следующий этап с надеждой ?авось проскочит?.

И вот здесь стоит упомянуть подход OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий. Их философия, судя по открытым данным и нашему опыту закупки пластин, строится на тотальном контроле технологического процесса. Для них ?сделать стабилитрон? — это не просто выполнить ряд операций, а обеспечить прослеживаемость каждого параметра на каждом этапе. Это близко нашему внутреннему пониманию качества.

Пробой: управляемая катастрофа

Сердце стабилитрона — это пробой. Но пробой бывает лавинный и туннельный. Для низковольтных стабилитронов (3-5 В) преобладает туннельный эффект, для высоковольтных — лавинный. В производстве это означает совершенно разные режимы легирования. Иногда для серии нужно сделать партию стабилитронов на разные напряжения. И вот тут возникает соблазн немного сэкономить, используя одну и ту же фотомаску, просто меняя время диффузии. Практика показала, что это тупиковый путь. Параметры, особенно температурный коэффициент, получаются ?среднемировыми?, никуда не годными.

Мы прошли через это лет семь назад. Заказ требовал стабилитроны на 12В и 27В. Решили унифицировать. В итоге ТКС у 12-вольтовых был как у плохого терморезистора. Пришлось переделывать всю партию с нуля, с отдельными масками. Урок был усвоен: технология не терпит компромиссов в ключевых точках. Сейчас для каждой серии напряжения у нас свой, отлаженный и валидированный техпроцесс.

На сайте wfdz.ru видно, что компания из Жугао предлагает широкий ряд стабилитронов. Это косвенно подтверждает, что у них, скорее всего, отлажены именно такие, раздельные процессы для разных диапазонов напряжения. Иначе такой стабильности параметров в массовом производстве не добиться.

Металлизация и контакты: где теряется мощность

После формирования p-n структур наступает, казалось бы, рутинный этап — нанесение контактов. Вот уж где можно все испортить. Плохая адгезия металла к кремнию приводит к росту переходного сопротивления. А при работе в стабилизации, особенно в импульсных режимах, это место становится источником локального перегрева. Стабилитрон начинает деградировать, напряжение уползает.

Мы перепробовали несколько систем металлизации: алюминий, сплавы алюминия с кремнием, многослойные структуры. Остановились на своем ?рецепте?, который дает минимальное контактное сопротивление и выдерживает термоциклирование. Проверяли на стенде: 1000 циклов от -55 до +150, и дрейф параметров в пределах погрешности измерений. Это и есть надежность.

Глядя на номенклатуру стабилитронов и TVS-диодов от Нантун Ванфэн, можно предположить, что они решают схожие задачи по отводу тепла и обеспечению стабильного контакта, особенно для мощных серий. Без отработанной металлизации такие изделия просто не будут работать заявленные 10-15 лет.

Корпусирование: не просто ?залить в пластик?

Многие недооценивают важность корпуса. А ведь именно он отводит тепло и защищает хрупкий кристалл от влаги и механических воздействий. Для маломощных стабилитронов в DO-35 это одно, для мощных в DO-201 — совсем другое. Мы как-то получили рекламацию: партия стабилитронов в SMD-корпусе выходила из строя на плате. При анализе оказалось — не наш кристалл, а проблема у заказчика: коэффициент теплового расширения платы и корпуса не был согласован, при пайке волной возникали микротрещины в контактах.

Теперь мы всегда даем рекомендации по монтажу. И сами, выбирая тип корпуса, моделируем термические нагрузки. Иногда логичнее сделать стабилитрон в более массивном корпусе, даже если по току он бы прошел и в меньшем. Надежность важнее.

Этот практический опыт, полученный на собственных ошибках, роднит любое реальное производство, будь то наше или OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий. Их ассортимент, включающий и миниатюрные, и силовые корпуса, говорит о понимании, что одно и то же электрическое ядро должно быть по-разному ?упаковано? для разных условий работы.

Контроль: последний рубеж

Финишный тест — это святое. Каждый стабилитрон проверяется на напряжение стабилизации при заданном токе, измеряется дифференциальное сопротивление, проверяется ТКС на выборке из партии. Раньше мы делали выборочный контроль ТКС. Пока не поймали аномалию, которая носила плавающий характер. Пришлось внедрить 100% проверку ключевых параметров на горячем и холодном стенде для всех изделий ответственных серий. Да, это удорожание. Но это гарантия.

Именно на этапе контроля отсеиваются те самые ?неудачные? кристаллы, у которых пробой происходит нестабильно. Их процент — один из ключевых показателей здоровья техпроцесса. Если он растет — нужно искать причину еще на этапе эпитаксии или фотолитографии.

Думаю, для крупного производителя вроде компании из Цзянсу, с их заявленной специализацией на разработке техпроцессов, система контроля и анализа дефектов выведена на очень высокий уровень. Без этого невозможно интегрировать исследования, производство и сбыт, как указано в их описании. Сделать партию — полдела. Сделать так, чтобы миллионная партия вела себя как один, идеальный образец — вот настоящая цель.

Вместо заключения: мысль вслух

Так что, когда в следующий раз будете думать, как сделать стабилитрон, вспомните, что это не просто радиодеталь. Это кусочек кремния, в котором искусственно и контролируемо создана нестабильность — пробой. И вся наша работа как инженеров и технологов — сделать так, чтобы эта нестабильность была предельно стабильной, предсказуемой и надежной. В этом и есть парадокс и красота этой работы. Все остальное — просто следствие.

И наблюдая за рынком, видишь, что компании, которые, как Нантун Ванфэн, делают ставку на глубину разработки технологических процессов, в долгосрочной перспективе оказываются правее. Потому что в конечном счете качество полупроводникового прибора определяется не ценой, а именно тем, насколько глубоко ты понимаешь, что происходит внутри этого маленького кристалла, когда через него течет ток.