專利名稱：一種瞬態(tài)電壓抑制二極管的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到一種瞬態(tài)電壓抑制二極管，屬于半導體二極管技術領域。
背景技術：
瞬態(tài)電壓抑制二極管是在穩(wěn)壓管的基礎上發(fā)展起來的一種特殊二極管，是一種高效能的電路保護器件。具有體積小、響應快、瞬間吸收功率大、無噪聲等優(yōu)點。隨著近年來航空、航天對瞬態(tài)電壓抑制二極管的瞬態(tài)功率提出了更高的要求，目前的1.5KW硅瞬態(tài)電壓抑制二極管系列產(chǎn)品已遠遠不能滿足要求。為此需要研制瞬態(tài)功率更大的硅瞬態(tài)電壓抑
制二極管。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種瞬態(tài)電壓抑制二極管，以瞬態(tài)功率為3KW和5KW 的瞬態(tài)電壓抑制二極管來滿足航空、航天對瞬態(tài)電壓抑制二極管的瞬態(tài)功率的特殊要求， 從而滿足生產(chǎn)和使用的需求，克服現(xiàn)有技術的不足。本實用新型的技術方案是這樣實現(xiàn)的本實用新型的一種瞬態(tài)電壓抑制二極管包括與引線連接的管座，管座經(jīng)銅片與管芯焊接，管芯另一面經(jīng)銅片與內(nèi)引線焊接，管芯外設有保護膠；管座上設有管殼，管殼與內(nèi)引線之間設有絕緣層。前述的瞬態(tài)電壓抑制二極管中，所述焊接采用高溫冶金熔焊；包括管芯與銅片之間的軟焊料冶金熔焊；管殼與管座之間的激光焊接；管座與引線及銅片與內(nèi)引線之間的電阻焊；高溫冶金熔焊時，焊接空洞面積控制在連接面積的5%以內(nèi)，最大限度地增加連接處的接觸面積，減小連接熱阻。前述的瞬態(tài)電壓抑制二極管中，所述管芯是在芯片上劃出的正六邊形，正六邊形的厚度為220士 10 μ m,對角邊長為4. 7 6. 7mm ；所述芯片是在無位錯單晶硅材料上采用長時間深結高濃度摻雜擴散工藝、并且表面濃度在1021/cm3以上形成的PN結。前述的瞬態(tài)電壓抑制二極管中，所述PN結是在P型襯底上擴散N+型層的PN結， 同時再在P型襯底上擴散有P+型層的歐姆結而形成的N+PP+結構；PN結的結構或是在N 型襯底上擴散N+型層的歐姆結，同時再在N型襯底擴散P+型層作PN結而形成的P+NN+結構。與現(xiàn)有技術相比，現(xiàn)有瞬態(tài)電壓抑制二極管的瞬態(tài)功率較小，不能滿足電子產(chǎn)品越來越高的要求。本實用新型解決了產(chǎn)品瞬態(tài)脈沖功率、反向漏電流、反向擊穿電壓之間的矛盾，滿足了生產(chǎn)和使用的需求。通過關鍵工序的工藝攻關，使產(chǎn)品具有結構設計合理、工藝穩(wěn)定、瞬態(tài)脈沖功率大、反向漏電流小、可靠性高等特點。本實用新型采用長時間深結高濃度摻雜擴散工藝，表面濃度控制在1021/cm3以上制成的PN結。為了比較深、淺結擴散的效果，進行了對比試驗，以下為5KP200產(chǎn)品試驗結果(擴散后分別抽取3片打點測電壓，打點位置如圖5所示，試驗結果如表一所示。表一，深、淺結擴散對比試驗記錄[0011]
位罝播結擴散淺結擴散擊穿電.壓Vm擊穿電壓V 1#2#3ft1#2#3#1231. 1236. 5239. 5248, 3242. 3237. 52231. 6236. 8239. 9248. 1242 . 6236. 83231. 5236. 6η on f^ Δ \J\J U247 . 3^ m237. 44231. 7236. 4239 S247. 6243 5236 · 95231 > 5237. 12 39 5248 % 52 43 & 9236. 46231. 3236. 5239. 4247 , 9242 . 6236. 87231. 1237 - 21240. 1248, 4243. 8237. 98231. 3236. 723d 6248. 6242 . 7237. 49231. 6236 ‘ 9240, 1248. 2242 . 2237. 610231. 5236. 8239. 5248. 7242 . 6236. 9厶Vn0. 60. 80. 71. 4X ι 71. 5 由上表可以看出采用深結高濃度擴散工藝管芯的擊穿電壓一致性明顯優(yōu)于采用淺結擴散工藝生產(chǎn)的管芯，從而保證了器件的可靠性。

圖1是本實用新型的封裝結構示意圖圖2是用P型襯底制作的芯片結構示意圖；圖3是用N型襯底制作的芯片結構示意圖；圖4是焊接時，產(chǎn)生和空洞位置示意圖；圖5是作深、淺結擴散效果時，在芯片上打點的位置圖。附圖中的標記為:1-引線，2-管座，3-銅片，4-管芯，5-內(nèi)引線，6_管殼，7_絕緣層，8-保護膠。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明，但不作為對本實用新型的任何限制。本實用新型的實施例本實用新型的封裝結構示意圖如圖1所示，本實用新型的一種瞬態(tài)電壓抑制二極管，包括與引線1連接的管座2，管座2經(jīng)銅片3與管芯4焊接，管芯4另一面經(jīng)銅片3與內(nèi)引線5焊接，管芯4外設有保護膠8 ；管座2上設有管殼6，管殼6與內(nèi)引線5之間設有絕緣層7 ；所述焊接采用高溫冶金熔焊；包括管芯4與銅片3之間的軟焊料冶金熔焊；管殼6與管座2之間的激光焊接；管座2與引線1及銅片3與內(nèi)引線5之間的電阻焊；高溫冶金熔焊時，焊接空洞面積控制在連接面積的5%以內(nèi)，最大限度地增加連接處的接觸面積，減小連接熱阻。所述管芯4是在芯片上劃出的正六邊形，正六邊形的厚度為220士 10 μ m,對角邊長為4. 7 6. 7mm ；所述芯片是在無位錯單晶硅材料上采用長時間深結高濃度摻雜擴散工藝，表面濃度控制在1021/cm3以上制成的PN結；所述PN結是在P型襯底上擴散N+型層作PN結，再在P型襯底上擴散P+型層作歐姆結，形成N+PP+結構；PN結的結構或是在N型襯底上擴散N+型層作歐姆結，再在N型襯底擴散P+型層作PN結，形成 P+NN+結構。具體實施過程如下在芯片的設計方面。對于瞬態(tài)抑制器件，并不要求其長時間工作在大功率狀態(tài)，而只要求在一個瞬時狀態(tài)能夠吸收一個大的功率，因此在設計中要著重考慮瞬時大功率吸收的問題。而瞬態(tài)脈沖功率的吸收與瞬態(tài)熱阻密切相關。合理的選取管芯的厚度和體積可減小瞬態(tài)熱阻，借鑒相似器件的制作經(jīng)驗，本實用新型將3KP系列產(chǎn)品管芯設計為對角邊長4. 7mm正六邊形、厚度220士 10 μ m,將5KP系列產(chǎn)品管芯設計為對角邊長6. 7mm正六邊形、厚度220士 10 μ m。用擴散法制備PN結，選用P型襯底材料時，首先在P型襯底上擴散N+型層作PN 結，再擴散P+型層作歐姆結，形成N+PP+結構。選用N型襯底材料時，首先在N型襯底上擴散N+型層作歐姆結，再擴散P+型層作 PN結，形成P+NN+結構。在產(chǎn)品結構設計時，除零件選材充分考慮熱匹配、熱傳導、熱容量問題，還著重考慮整個產(chǎn)品機械強度設計。我廠已具備1. 5KW系列大功率硅瞬態(tài)電壓抑制二極管的零件設計技術和生產(chǎn)技術，積累了大量的經(jīng)驗和基礎，有著充分的技術保證。產(chǎn)品組件中所有材料的連接全部是采用高溫冶金熔焊燒制而成；芯片與電極連接使用軟焊料冶金熔焊；管殼與底座采用激光焊接；管殼與內(nèi)引線連接采用電阻焊。所有這些工藝都與1. 5KW系列大功率硅瞬態(tài)電壓抑制二極管的一致，經(jīng)過長期的實踐檢驗，證明完全可以滿足器件機械強度設計的。在熱設計時，由于大功率瞬態(tài)電壓抑制二極管在工作時將產(chǎn)生大量的耗散熱量， 因此在設計中必須考慮以下三個問題1、器件產(chǎn)生的熱量吸收；2、管芯產(chǎn)生的熱量是否均勻分布；3、器件內(nèi)部之間的熱匹配。器件的散熱方式主要為熱傳導，散熱的好壞由熱阻的大小決定。因此，要考慮到熱量傳導途徑上的熱阻大小一即硅片和管座。針對瞬態(tài)電壓抑制二極管的特點，雖然該兩個系列型譜產(chǎn)品的瞬態(tài)脈沖功率都很大，但是它是瞬時的，通過產(chǎn)品的電流很大但持續(xù)的時間較短，器件工作時管芯瞬間會產(chǎn)生很大的熱量，熱量必須快速被管芯兩面的電極所吸收， 這是設計時必須著重考慮的。從瞬態(tài)熱阻公式=(L)1"可知，當材料確定后，熱時間常數(shù)τ增大，瞬態(tài)熱阻RTS就減小，器件工作時所能吸收的能量相應就增大，也就是說，它的瞬態(tài)吸
5收功率高，而從熱時間常數(shù)公式又可見材料的選擇非常關鍵，增加材料厚度W，選擇比熱CP 和密度ρ大的材料能大大減小瞬態(tài)熱阻RTS，使器件能夠承受大的瞬時脈沖功率。對于大功率硅瞬態(tài)電壓抑制二極管，僅靠硅管芯，遠遠不能滿足瞬態(tài)電壓抑制二極管對瞬時大能量的吸收，為此，必須增加其器件內(nèi)部結構的熱時間常數(shù)τ，考慮到銅具有足夠的熱容量、良好的熱傳導性能和在加工工藝上的可行性，所以采用銅作為提高熱時間常數(shù)τ的材料，以滿足瞬時高能量的沖擊。該系列產(chǎn)品執(zhí)行GJB33A-97《半導體分立器件總規(guī)范》，質(zhì)量保證等級為JP(普軍)、 JT (特軍)和JCT (超特軍)三個等級。我們是按照使用壽命20年，貯存壽命20年來設計的，相應地在封裝結構、工藝實施中是必須考慮的。該產(chǎn)品采用金屬封裝結構，具有體積小、 重量輕、可靠性高的特點。采用該種封裝，完全能滿足器件的電參數(shù)指標要求(特別是瞬態(tài)脈沖峰值功率)，以及相應的機械應力、環(huán)境試驗的考核要求。在制造過程中有以下幾個方面的措施1)、采用銅材料做電極片，解決了器件內(nèi)部熱傳導、熱匹配的問題；2)、燒結時選擇合適的燒結溫度和保護氣體，以保證管芯與底座浸潤良好。通過改進工藝，消除了管芯、焊料、底座之間的空洞，保證管芯與底座粘結良好，最大限度地增加了管芯與底座之間的接觸面積；3)、產(chǎn)品封裝前，必須經(jīng)過嚴格的清潔處理并采用階梯升、降溫烘干方法，驅(qū)除表面吸附的水汽和可移動粒子。通過實驗找出激光環(huán)焊工藝最優(yōu)化的參數(shù)，較好地控制了器件氣密性和水汽含量；4)、對于該種封裝結構，采用激光封焊技術，徹底解決了器件多余物的問題。芯片質(zhì)量的好壞直接影響到器件的可靠性，由于材料的不均勻或結構和工藝缺陷，會導致工作電流局部集中，即熱量不能在管芯上均勻分布，形成熱點。對于大功率、大電流器件，熱點效應更為突出。為解決該問題，我們主要進行兩方面的工作，第一采用無位錯單晶硅材料；第二 采用長時間深結高濃度摻雜擴散工藝，表面濃度控制在1021/cm3以上。 采用無位錯單晶硅材料可以避免材料自身缺陷引起的電流集中。采用長時間深結高濃度摻雜擴散工藝相對于短時間淺結擴散工藝可以獲得缺陷更少、更平整的PN結，這是由于在芯片生產(chǎn)過程中由于雜質(zhì)和熱應力等原因不可避免的會在管芯中引入缺陷，這些缺陷主要集中在芯片的表層區(qū)域，深結擴散工藝可以避開缺陷較多的表層區(qū)域；其次，深結擴散工藝的擊穿電壓一致性更高，這是由于深結擴散工藝所選取的襯底硅材料的電阻率更低，而隨著選取的襯底硅材料電阻率的降低，其硅片上各區(qū)域的電阻率一致性更高，從而在材料上保證了擴散后PN結的平整，使得器件工作時，電流可以更均勻的流過整顆管芯。燒焊工藝。燒焊降低熱阻，減少空洞。燒焊的目的是在保護氣體下，通過高溫加熱， 使管芯和管座焊接在一起，形成良好的歐姆接觸，是器件制作過程中的關鍵工序。其工藝控制的好壞直接關系到器件的抗浪涌能力，就是器件所能承受的瞬時脈沖功率。這就要求燒焊時，管芯與銅片之間，銅片與底座之間鍵合牢固，沾潤平整，消除燒焊縫隙，減小空洞，最大限度地保證芯片有效面積，減小熱阻，及時將管芯產(chǎn)生的熱量吸收。熱阻是表征半導體器件散熱能力大小的參數(shù)，在限定半導體結溫下，器件所能承受的耗散功率由熱阻決定。對于大電流、大功率半導體器件來講熱阻是非常重要的參數(shù)。熱阻包括以下部分(1)管芯的熱阻；(2)管芯和管殼接觸焊料層的熱阻；(3)管殼本身的熱阻。一般地講，管芯和管殼本身的熱阻是由制作材料和制作工藝決定了的，在后部組裝時基本不變，而管芯和管殼接觸焊料層的熱阻是由燒焊工序的工藝質(zhì)量所決定的。燒焊工藝效果的優(yōu)劣取決于浸潤程度，即熔融的焊料在焊接表面的流動擴散情況。在燒焊過程中會有大量的氣體產(chǎn)生，焊料中的焊劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體、裝架時裹帶的空氣和焊料熔化時產(chǎn)生的氣體。如果這些氣體不能排放出去，就會存在于熔化的焊料層中，影響焊料在焊接表面的流動擴散，當焊料冷卻時就形成了空洞(也有人稱為氣泡的)。如圖2所示。圖中A類空洞會使通過芯片的電流不均勻，容易形成局部“熱斑”;B類和C類空洞降低了焊料層的導熱能力?？斩吹拇嬖谑沟霉苄竞偷鬃行д礉櫭娣e減少，當產(chǎn)品經(jīng)過高溫壽命、溫度循環(huán)、 功率老練等篩選試驗之后，因為芯片、底座和焊料層的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應力，會加速器件的熱疲勞失效，輕則熱阻增加，重則焊料層出現(xiàn)裂紋，嚴重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性?？梢姡瑹嶙鑼τ诖箅娏?、大功率半導體器件是多么重要，要降低熱阻，就必須減少空洞。我廠現(xiàn)有1.5KW硅瞬態(tài)電壓抑制二極管其管芯焊接空洞面積控制在5%以內(nèi)，對于我廠目前的工藝狀況而言，要解決好3KW、5KW硅瞬態(tài)電壓抑制二極管大面積管芯燒焊空洞問題，必須將管芯焊接空洞面積同樣控制在5%以內(nèi)。對于大功率瞬態(tài)電壓抑制二極管必須減少空洞，降低燒焊熱阻，燒焊所用焊料、助焊劑的質(zhì)量好壞對于大面積焊接工藝非常重要，在工藝實施中，需要質(zhì)量等級高的焊料及助焊劑。進一步優(yōu)化燒焊工藝，采用合適的燒焊保護氣體(氣體的純度、氣體流量大小等)， 燒焊溫度、燒焊時間等，確保消除管芯、焊料、底座之間的空洞，保證管芯與底座粘結良好， 最大限度地增加了管芯與底座之間的接觸面積。臺面造型、腐蝕工藝。對于大功率瞬態(tài)電壓抑制二極管我們所希望的芯片造型為正斜角造型，使PN結擊穿盡可能發(fā)生于體內(nèi)，提高器件承受瞬態(tài)脈沖功率能力和可靠性。在研制時，我們把傳統(tǒng)的芯片超聲切割工藝改為劃片工藝。這是因為超聲切割會造成管芯崩邊、缺角、裂紋等缺陷，影響成品率。采用劃片工藝后能大幅減少此類缺陷的產(chǎn)生。采用腐蝕的辦法，去除PN結表面氧化層及其他離子及機械損傷，減弱表面電場， 使PN結擊穿發(fā)生于體內(nèi)，獲得理想的臺面造型。造型的好壞直接關系到器件可靠性和抗浪涌能力，該采用何種腐蝕工藝(如腐蝕的配方、腐蝕的溫度、腐蝕的時間等等)，才能較好地控制腐蝕速度，使芯片臺面平整、光滑，獲得理想的臺面造型是關鍵工藝技術。硅片表面因加工應力而形成一層損傷層及污染，這層損傷層必須予以去除。通常是采用化學腐蝕的方式。而依據(jù)所使用的腐蝕液的不同，化學腐蝕又分為酸性腐蝕及堿性腐蝕兩種。1)酸性腐蝕酸性腐蝕是各向同性的過程，就是說硅晶的各晶向受到均勻的化學腐蝕，常用的酸性腐蝕液，由不同配比的硝酸(HN03)、氫氟酸(HF)及緩沖酸等組成。酸性腐蝕的反應的機制包含兩個步驟首先，是利用HN03來氧化表面，如式(1)和式(2)所示；接下來硅晶表面形成的氧化物，可被HF絡合成可溶性絡合物而去除，如式(3) 所示。因此，HN03是一種氧化劑，而HF則為絡合劑。[0050]步驟I Si + 2HN03 — SiO2 + 2HN02 (1)2HN02 ^ NO + NO2 + H2O(2)步驟II SiO2 + 6HF — H2SiF6 + 2H20 (3)腐蝕液的配方比例對反應過程控制具有頭等重要性。氧化速率和溶解速率匹配時腐蝕速率最高。但是對腐蝕工藝的要求不是腐蝕速率的高低，而是腐蝕速率的可控性。在生產(chǎn)中，通常采用硝酸含量較高的腐蝕液。如果腐蝕液中HF含量較多，則腐蝕過程受氧化反應控制。因為氧化反應對硅片晶向、摻雜濃度和晶體缺陷比較敏感，所以HF含量較多的腐蝕液中硅片表面腐蝕速率是不均勻的，硅片腐蝕表面粗糙并有凹坑，角和棱變得尖銳(兩表面夾角小于90〇)，HN03的濃度大約增至25%時，硅表面變得無光澤，角和棱呈方形，HN03的濃度超過35%時，腐蝕表面呈鏡面，角和棱變成圓弧狀。若腐蝕液中HN03含量較多，則腐蝕過程受反應生成物溶解速率的限制。反應生成物離開硅片表面進行腐蝕液必須穿過硅片表面的液相邊界層，而邊界層厚度受液體對流速度的影響。因此，如果用HN03含量較高的酸性腐蝕液，可以通過超聲或腐蝕液攪拌控制腐蝕速率。超聲和攪拌可以加快物質(zhì)傳遞速度，使反應物及時輸運到固體表面使反應產(chǎn)物及時離開，有利于反應的進行。在腐蝕過程中往往會在腐蝕面析出氣體，妨礙反應進行，并使局部過熱。為此，可以采用超聲和攪拌處理加快氣體析出，以改善腐蝕表面質(zhì)量。超聲和攪拌還能改變腐蝕液的擇優(yōu)性。腐蝕溫度越高，腐蝕速率越快，為了改善腐蝕表面質(zhì)量而把腐蝕溫度定得低一些。緩沖酸液不僅具有緩沖腐蝕速率的作用，而且作為改善硅片表面的濕化程度的界面活化劑，良好的濕化條件可以促進均勻，避免硅片表面出現(xiàn)不規(guī)則的腐蝕結構。醋酸 (CH3COOH)及磷酸(H3PO4)為最普遍被使用的緩沖酸液，其中CH3COOH具有較高的蒸氣壓，所以在腐蝕液中的濃度較不穩(wěn)定。磷酸H3PO4雖可以改善硅片表面的反射度，但卻會降低腐蝕速率。2)堿性腐蝕硅片在堿性腐蝕液中的腐蝕過程是反應控制過程，反應速度取決于表面懸掛鍵密度，因而與晶向有關，堿性腐蝕是各向異性的過程，也就是說腐蝕速率與結晶方向有關。這是由于(111)表面具有較少的自由鍵，所以比(100)或(110)不易被OH —腐蝕反應掉。堿性腐蝕最常用的化學品為KOH或NaOH，而腐蝕的反應機制可寫為Si + 2K0H + H2O — K2SiO3 + 2H2通常腐蝕速率隨KOH濃度增加到一最大值后，會隨著濃度進一步增加反而減小。 較高的KOH濃度，在控制腐蝕去除量上較為容易。通常，愈高的溫度，硅片表面越不會遺留斑點，但造成金屬污染的機會卻反而增加，堿性腐蝕速率也與硅片表面的機械損傷有關，一旦損傷層完成去除后，腐蝕速率會變得比較緩慢。堿性腐蝕后的硅片，同樣必須達到一定的表面特性。一般而言，堿性腐蝕硅片的粗糙度比酸性腐蝕硅片有粗糙度大，因此硅片表面較容易吸附一些不必要的微粒。表二對酸性腐蝕及堿性腐蝕的特性進行了比較，由表二可知，堿性腐蝕就表面平坦度、成本與環(huán)保而言優(yōu)于酸性腐蝕，但腐蝕后的表面性質(zhì)(表面粗糙度和腐蝕深度)尚不理想。[0064]表二酸性腐蝕與堿性腐蝕的比較
權利要求1.一種瞬態(tài)電壓抑制二極管，其特征在于包括與引線(1)連接的管座O)，管座(2) 經(jīng)銅片⑶與管芯⑷焊接，管芯⑷另一面經(jīng)銅片⑶與內(nèi)引線(5)焊接，管芯⑷外設有保護膠⑶；管座⑵上設有管殼(6)，管殼(6)與內(nèi)引線(5)之間設有絕緣層(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的瞬態(tài)電壓抑制二極管，其特征在于所述焊接采用高溫冶金熔焊；包括管芯⑷與銅片⑶之間的軟焊料冶金熔焊；管殼(6)與管座(2)之間的激光焊接；管座(2)與引線(1)及銅片(3)與內(nèi)引線(5)之間的電阻焊；高溫冶金熔焊時，焊接空洞面積控制在連接面積的5 %以內(nèi)，最大限度地增加連接處的接觸面積，減小連接熱阻。
3.根據(jù)權利要求2所述的瞬態(tài)電壓抑制二極管，其特征在于所述管芯(4)是在芯片上劃出的正六邊形，正六邊形的厚度為220士 10 μ m，對角邊長為4. 7 6. 7mm。
專利摘要本實用新型公開了一種瞬態(tài)電壓抑制二極管，其特征在于包括與引線(1)連接的管座(2)，管座(2)經(jīng)銅片(3)與管芯(4)焊接，管芯(4)另一面經(jīng)銅片(3)與內(nèi)引線(5)焊接，管芯(4)外設有保護膠(8)；管座(2)上設有管殼(6)，管殼(6)與內(nèi)引線(5)之間設有絕緣層(7)。本實用新型解決了產(chǎn)品瞬態(tài)脈沖功率、反向漏電流、反向擊穿電壓之間的矛盾，滿足了生產(chǎn)和使用的需求。通過關鍵結構的改進，使產(chǎn)品具有結構設計合理、工藝穩(wěn)定、瞬態(tài)脈沖功率大、反向漏電流小、可靠性高等特點。
文檔編號H01L21/22GK201956357SQ20102064401
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日2010年12月7日
發(fā)明者吳貴松, 周廷榮, 周鵬 申請人:中國振華集團永光電子有限公司