專利名稱：微型倒裝晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型倒裝晶體管及其制造方法。屬晶體管封裝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)品如手表手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等的進(jìn)一步微小型化，對晶體管微小型化的要求也越來越高，在保證一定性能及可靠性的前提下，要求晶體管越薄、小、輕，越好。
圖1為現(xiàn)有表面貼裝雙極型晶體管的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。由晶體管芯片1′、引線框架2′和塑封體3′組成。塑封體3′將晶體管芯片1′和引線框架2′包覆住。晶體管芯片1′的集電極、基極、發(fā)射極三個電極是從芯片上、下不同的表面引出。晶體管芯片1′用共晶焊接的方式焊接在引線框架2′(也稱基片)上，連接芯片與引線框架的金線4′有較大的弧高5′，并有相當(dāng)?shù)目缍?寬度)6′。為了保證密封性及可靠性，塑封體3′四周必須有一定的厚度。
如此，整個表面貼裝晶體管由于金線弧高及金線弧寬的影響及限制，而無法達(dá)到薄、小、輕的要求，無法達(dá)到接近芯片尺寸封裝。
傳統(tǒng)的用金絲線作內(nèi)引線互連的工藝已不能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于克服上述不足，提供一種能降低封裝尺寸，以達(dá)到薄、小、輕要求的微型倒裝晶體管。
本發(fā)明的另一目的，在于提供一種可以做到接近芯片尺寸封裝，晶體管芯片可增大，可以在很小尺寸的封裝中做較大電流的微型倒裝晶體管。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種微型倒裝晶體管，包括晶體管芯片、引線框架和塑封體，塑封體將晶體管芯片和引線框架包覆住，晶體管芯片上設(shè)置有集電極、基極、發(fā)射極三個電極，引線框架上設(shè)置有相應(yīng)的三個電極，其特點是晶體管芯片的集電極、基極、發(fā)射極三個電極都是從芯片同一表面引出，三個電極上均設(shè)置有微型凸起，晶體管芯片向下倒裝，其表面的三個微型凸起電極與引線框架上相應(yīng)的電極直接焊接。而不是用金線把兩邊電極連接起來。組裝后三個微型凸起電極的厚度與金線弧高相比，相當(dāng)薄，就沒有金線弧高限制，可以減薄塑封體的厚度，同時由于沒有金線弧寬限制，芯片可以做大，有可能做到接近芯片尺寸封裝，在相同的塑封體內(nèi)，做出電流較大的晶體管，達(dá)到薄、小、輕的要求。而且由于倒裝晶體管芯片與引線框架直接焊接，可靠性更好。
由此可見，與現(xiàn)有金線焊接相比，本發(fā)明的塑封體表面與芯片及電極間有相當(dāng)?shù)目臻g，因此，可以減小塑封體厚度及長度(橫向尺寸)，減薄減小晶體管體積，以接近芯片尺寸封裝，在一定的塑封體之內(nèi)，盡量把芯片做得很大，可以做電流比原來大得多。
倒裝晶體管的難點主要在芯片制造上，芯片制造主要有兩個問題一是改善晶體管的電流特性及散熱特性；二是芯片上凸起的制作。
一般雙極型晶體管的芯片是在一高濃度N+單晶片上，做一層N型外延層，在外延層上先用B離子注入的方法做一個P型基區(qū)B′，同時形成集電結(jié)C″，然后在基區(qū)B′內(nèi)一特定范圍磷擴(kuò)散，形成N+發(fā)射區(qū)E′及發(fā)射結(jié)E″，如圖4所示，然后正面蒸鋁，反刻鋁形成發(fā)射極E，基極B，背面做多層金屬形成集電極C。晶體管在工作時，發(fā)射結(jié)E″加正向電壓，集電結(jié)C″加反向電壓，發(fā)射區(qū)E′的電子擴(kuò)散到基區(qū)B′，然后受集電結(jié)C″反向強(qiáng)電場吸引，進(jìn)入集電區(qū)C′，垂直流過只有10個微米左右厚的外延層，便到高濃度低電阻率的襯底N+區(qū)，從集電極C流出(電流方向同圖中電子流方向相反)，因此有良好的電流特性及散熱特性。而倒裝晶體管，發(fā)射極E、基極B、集電極C三個電極都是從芯片同一表面引出的，如圖5所示，倒裝晶體管發(fā)射的電子，按箭頭方向流動(電流方向相反)，大部份越過集電結(jié)后，要通過長距離的橫向流動，然后再流向表面集電極，由于集電區(qū)外延層是高阻的，比襯底電阻率高1000倍，電流通過時阻力比較大，因此電流性能比較差，同時集電結(jié)的熱量也必須從表面集電極引出，且集電極接觸面積比圖4芯片背面集電極小得多，因此散熱性能也比較差。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種電流特性及散熱特性良好的倒裝晶體管芯片的制造方法。
本發(fā)明的再一目的是這樣實現(xiàn)的在一高濃度N+單晶片上，做一層N型外延層，在集電極C引出部位下面，先進(jìn)行高濃度N+磷預(yù)擴(kuò)散，把N型外延層擴(kuò)穿，使集電極C與N+襯底連通起來，形成形狀近似于一個無蓋長方體容器全部內(nèi)壁的N+等電位層，在這個等電位層到處都是集電極，電子流動可以認(rèn)為是沒有阻力，不需要時間的，再在外延層上先用B離子注入的方法做一個P型基區(qū)，同時形成集電結(jié)，然后在基區(qū)內(nèi)一特定范圍磷擴(kuò)散，形成N+發(fā)射區(qū)及發(fā)射結(jié)，然后正面蒸鋁，反刻鋁形成發(fā)射極E，基極B。這樣，電子可以同原先一樣，先就近到達(dá)基區(qū)底部襯底，然后迅速流到表面集電極流出。因此有良好的電流特性及散熱特性。


圖1為現(xiàn)有表面貼裝晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明微型倒裝晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明微型倒裝晶體管接近芯片封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為現(xiàn)有雙極型晶體管的電流性能示意圖。
圖5為采用傳統(tǒng)工藝制造的倒裝晶體管電流性能示意圖。
圖6為采用本發(fā)明新工藝制造的倒裝晶體管電流性能示意圖。
圖7為本發(fā)明倒裝晶體管芯片示意圖。
圖8為本發(fā)明倒裝晶體管管腳排列圖。
具體實施例方式如圖2～3，本發(fā)明為一種微型倒裝晶體管，主要由晶體管芯片1、引線框架2和塑封體3組成。塑封體3將晶體管芯片1和引線框架2包覆住。
晶體管芯片1設(shè)置有集電極、基極、發(fā)射極三個電極，引線框架2上設(shè)置有相應(yīng)的三個鍍銀的電極，晶體管芯片1的集電極、基極、發(fā)射極三個電極都是從芯片1同一表面11引出，三個電極上均設(shè)置有鉛錫微型凸起12、13、14，晶體管芯片1向下倒裝，其表面11的三個微型凸起電極12、13、14與引線框架2上相應(yīng)的電極直接焊接。
本發(fā)明的倒裝晶體管芯片的制造方法為在一高濃度N+單晶片上，做一層N型外延層，在集電極C引出部位下面，先進(jìn)行高濃度N+磷預(yù)擴(kuò)散，把N型外延層擴(kuò)穿，使集電極C與N+襯底連通起來，形成形狀近似于一個無蓋長方體容器全部內(nèi)壁的N+等電位層，在這個等電位層到處都是集電極，電子流動可以認(rèn)為是沒有阻力，不需要時間的，再在外延層上先用B離子注入的方法做一個P型基區(qū)，同時形成集電結(jié)，然后在基區(qū)內(nèi)一特定范圍磷擴(kuò)散，形成N+發(fā)射區(qū)及發(fā)射結(jié)，如圖6所示，然后正面蒸鋁，反刻鋁形成發(fā)射極E，基極B。這樣，電子可以同原先一樣，先就近到達(dá)基區(qū)底部襯底，然后迅速流到表面集電極流出(參見圖6中箭頭流動方向)。
本發(fā)明的具體制造方法依次包括下列步驟1)硅外延片準(zhǔn)備采用N/N+摻砷外延片，在一高濃度N+單晶片上，做一層N型外延層；2)硅外延片預(yù)氧化因預(yù)擴(kuò)散要把外延層擴(kuò)穿，深度深，因此作為擴(kuò)散掩蔽膜的氧化層應(yīng)比較厚，采用水汽氧化，濕氧+干氧；3)預(yù)光刻刻出集電極環(huán)狀區(qū)域。
4)預(yù)擴(kuò)散在集電極環(huán)狀區(qū)域范圍內(nèi)，高濃度磷擴(kuò)散，擴(kuò)穿外延片外延層的厚度，使環(huán)狀區(qū)域的N+與集電區(qū)襯底N+連通起來，形成一個近似于無蓋長方體容器內(nèi)表面的N+高濃度等電位區(qū)域。
主要工藝條件為1100～1150℃磷擴(kuò)散，時間6～8小時，結(jié)深15～18μm。
5)一次光刻刻基區(qū)，圖7、8中虛線框范圍內(nèi)為基區(qū)。
6)硼離子注入用離子注入的方法，形成P型基區(qū)及集電結(jié)。
主要工藝條件，注入能量為50kev～100kev，劑量為5～10×1015/cm2時間6～8小時，結(jié)深2.5～3μm。
7)二次光刻刻發(fā)射區(qū)窗，圖6、7中采用6條發(fā)射極條狀結(jié)構(gòu)。
8)發(fā)射區(qū)擴(kuò)散采用POCl3液態(tài)源作發(fā)射區(qū)磷擴(kuò)散，形成發(fā)射區(qū)及發(fā)射結(jié)。
主要工藝條件為1050℃～1100℃磷擴(kuò)散，t＝(15～35)分通源+(15～35)分推進(jìn)，結(jié)深1.5～2μm。
9)化學(xué)氣相淀積為了提高晶體管的可靠性及穩(wěn)定性，在做金屬化層之前進(jìn)行鈍化工藝，一般采用等離子體化學(xué)氣相淀積的方法制備的氮化硅保護(hù)層。
10)刻引線孔(電極孔)，用等離子刻蝕的方法，同時刻出發(fā)射極、基極、集電極引線孔；11)蒸鋁蒸發(fā)一層厚度為1.2～1.5μm鋁層，準(zhǔn)備作金屬電極用。
12)電極反刻把集電極、基極、發(fā)射極三個鋁電極刻蝕出來。
13)微型凸起制作(1)園片芯片涂光刻膠；(2)園片光刻刻出Al焊區(qū)窗口；(3)園片第一次浸鋅，鋁與鍍層金屬錫鉛形成的鍍層金屬是疏松的，必須先浸鋅，浸鋅是在強(qiáng)堿性的鋅酸鹽溶液中進(jìn)行的，在去除Al焊區(qū)金屬表面的氧化層的同時化學(xué)沉積一層鋅，既可以防止氧化層的再生成，又可以作為粘附層，在其上化學(xué)鍍其他金屬。
(4)芯片二次浸鋅，第一次浸鋅形成的結(jié)晶較粗大而疏松，應(yīng)局部去除，以使Al表面呈現(xiàn)均勻細(xì)致的活化狀態(tài)，裸露的顆粒就成為再次浸鋅的晶核，故所得二次浸鋅層更加致密、均勻，從而增強(qiáng)了與Al的結(jié)合力，第一次浸Zn層可用硝酸退除，經(jīng)去離子水沖洗后在二次浸Zn液中再次浸Zn。
(5)化學(xué)鍍Ni先化學(xué)鍍Ni，厚度為15～20μm作為中間過渡層，化學(xué)鍍時Ni沉積在電極處鋅層上面。
(6)化學(xué)鍍Pb-Sn，用60％Pb-40％Sn的鉛錫溶液，沉積在Ni電極之上，厚度為15～20μm。
(7)園片去膠，因電極以外的區(qū)域，是光刻膠保護(hù)著的，去膠時，除電極處外所沉積的金屬全部去掉，只有電極處形成Al-Zn-Ni-PbSn的微型凸起。
(8)園片凸起形成。
14)硅片減薄因制作凸起，園片不能過薄，因此減薄只能放在凸起制作后進(jìn)行，要求硅片厚度減薄到0.15mm。
15)劃片把一個個管芯分割開來，并綁到蘭膜上。
16)倒裝焊接倒裝焊接機(jī)是由光學(xué)攝像對位系統(tǒng)，檢拾熱壓超聲焊頭，精確定位承片臺及顯示屏等組成的精密設(shè)備，封裝時，將欲倒裝的引線框架放在承片臺上，用檢拾焊頭檢拾帶有凸起的芯片，面朝下對著框架，一路光學(xué)攝像頭對著凸起芯片面，一路光學(xué)攝像頭對著框架上焊區(qū)，分別進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)對位，并顯示在屏上，待調(diào)準(zhǔn)對位達(dá)到要求精度后，即可落下壓焊頭進(jìn)行壓焊，壓焊頭可加熱，并帶有超聲，同時承片臺對框架加熱，在加熱、加壓、超聲到設(shè)定的時間后就同時完成所有凸起與引線框架焊區(qū)的焊接。
17)封裝用包封壓機(jī)注入塑料樹脂把組裝好的管子包封起來。
18)切筋把封裝好的管子一只只分離開。
19)測試用自動測試機(jī)測試管子的電參數(shù)，合格品編帶，淘汰不合格品。
為了更有效利用芯片面積，倒裝晶體管，管腳排列與一般管腳排列有些不同，集電極C在芯片的一側(cè)引出，如圖8所示。
權(quán)利要求
1.一種微型倒裝晶體管，包括晶體管芯片(1)、引線框架(2)和塑封體(3)，塑封體(3)將晶體管芯片(1)和引線框架(2)包覆住，晶體管芯片(1)上設(shè)置有集電極、基極、發(fā)射極三個電極，引線框架(2)上設(shè)置有相應(yīng)的三個電極，其特征在于晶體管芯片(1)的集電極、基極、發(fā)射極三個電極都是從芯片(1)同一表面(11)引出，三個電極上均設(shè)置有微型凸起(12、13、14)，晶體管芯片(1)向下倒裝，其表面(11)的三個微型凸起電極(12、13、14)與引線框架(2)上相應(yīng)的電極直接焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型倒裝晶體管，其特征在于引線框架(2)上三個電極為鍍銀電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型倒裝晶體管，其特征在于晶體管芯片1上三個微型凸起電極(12、13、14)為鉛錫電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型倒裝晶體管的制備方法，其特征在于在一高濃度N+單晶片上，做一層N型外延層，在集電極C引出部位下面，先進(jìn)行高濃度N+磷預(yù)擴(kuò)散，把N型外延層擴(kuò)穿，使集電極C與N+襯底連通起來，形成形狀近似于一個無蓋長方體容器全部內(nèi)壁的N+等電位層，再在外延層上先用B離子注入的方法做一個P型基區(qū)，同時形成集電結(jié)，然后在基區(qū)內(nèi)一特定范圍磷擴(kuò)散，形成N+發(fā)射區(qū)及發(fā)射結(jié)，然后正面蒸鋁，反刻鋁形成發(fā)射極E，基極B。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型倒裝晶體管的制備方法，其特征在于其具體工藝步驟依次包括1)硅外延片準(zhǔn)備采用N/N+摻砷外延片，在一高濃度N+單晶片上，做一層N型外延層；2)硅外延片預(yù)氧化；3)預(yù)光刻刻出集電極環(huán)狀區(qū)域；4)預(yù)擴(kuò)散在集電極環(huán)狀區(qū)域范圍內(nèi)，高濃度磷擴(kuò)散，擴(kuò)穿外延片外延層的厚度，使環(huán)狀區(qū)域的N+與集電區(qū)襯底N+連通起來，形成一個近似于無蓋長方體容器內(nèi)表面的N+高濃度等電位區(qū)域；5)一次光刻刻基區(qū)；6)硼離子注入用離子注入的方法，形成P型基區(qū)及集電結(jié)；7)二次光刻刻發(fā)射區(qū)窗；8)發(fā)射區(qū)擴(kuò)散采用POCl3液態(tài)源作發(fā)射區(qū)磷擴(kuò)散，形成發(fā)射區(qū)及發(fā)射結(jié)；9)制備的氮化硅保護(hù)層；10)刻引線孔用等離子刻蝕的方法，同時刻出發(fā)射極、基極、集電極引線孔；11)蒸鋁蒸發(fā)一層鋁層；12)電極反刻把集電極、基極、發(fā)射極三個鋁電極刻蝕出來；13)微型凸起制作；14)硅片減??；15)劃片把一個個管芯分割開來，并綁到蘭膜上；16)倒裝焊接；17)封裝用包封壓機(jī)注入塑料樹脂把組裝好的管子包封起來。18)切筋把封裝好的管子一只只分離開。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型倒裝晶體管的制備方法，其特征在于微型凸起制作依次包括下列步驟(1)園片芯片涂光刻膠；(2)園片光刻刻出Al焊區(qū)窗口；(3)園片第一次浸鋅，浸鋅是在強(qiáng)堿性的鋅酸鹽溶液中進(jìn)行的，在去除Al焊區(qū)金屬表面的氧化層的同時化學(xué)沉積一層鋅；(4)芯片二次浸鋅，第一次浸Zn層用硝酸退除，經(jīng)去離子水沖洗后在二次浸Zn液中再次浸Zn；(5)化學(xué)鍍Ni化學(xué)鍍時Ni沉積在電極處鋅層上面；(6)化學(xué)鍍Pb-Sn，用鉛錫溶液，鉛錫沉積在Ni電極之上；(7)園片去膠，去膠時，除電極處外所沉積的金屬全部去掉，只有電極處形成Al-Zn-Ni-PbSn的微型凸起。(8)園片凸起形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型倒裝晶體管的制備方法，其特征在于倒裝焊接，即采用封裝時，將欲倒裝的引線框架放在倒裝焊接機(jī)的承片臺上，用檢拾焊頭檢拾帶有凸起的芯片，面朝下對著框架，一路光學(xué)攝像頭對著凸起芯片面，一路光學(xué)攝像頭對著框架上焊區(qū)，分別進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)對位，并顯示在屏上，待調(diào)準(zhǔn)對位達(dá)到要求精度后，即可落下壓焊頭進(jìn)行壓焊，壓焊頭加熱，并帶有超聲，同時承片臺對框架加熱，在加熱、加壓、超聲到設(shè)定的時間后就同時完成所有凸起與引線框架焊區(qū)的焊接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型倒裝晶體管的制備方法，其特征在于硅外延片預(yù)氧化采用水汽氧化，濕氧+干氧。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型倒裝晶體管的制備方法，其特征在于在集電極C引出部位下面，進(jìn)行高濃度N+磷預(yù)擴(kuò)散的工藝條件為1100～1150℃磷擴(kuò)散，時間6～8小時，結(jié)深15～18μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型倒裝晶體管的制備方法，其特征在于硼離子注入工藝條件注入能量為50kev～100kev，劑量為5～10×1015/cm2時間6～8小時，結(jié)深2.5～3μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型倒裝晶體管及其制備方法，包括晶體管芯片1、引線框架2和塑封體3，其特點是晶體管芯片的集電極、基極、發(fā)射極三個電極都是從芯片同一表面引出，三個電極上均設(shè)置有微型凸起，晶體管芯片向下倒裝，其表面的三個微型凸起電極與引線框架上相應(yīng)的電極直接焊接。其制備方法為在一高濃度N
文檔編號H01L21/331GK1571150SQ20041001483
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月1日
發(fā)明者王新潮, 吳振江 申請人:江蘇長電科技股份有限公司