全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的名稱為全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，屬于高壓半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】。它主要是解決現(xiàn)有芯片和電極片通過焊料高溫焊結(jié)而存在焊接應(yīng)力和焊接空洞的問題。它的主要特征是：管殼下封接件、下鉬圓片、半導(dǎo)體芯片、上鉬圓片、門極引線組件和管殼上封接件依次為壓接接觸；管殼上封接件中心設(shè)有安裝孔；上鉬圓片中心設(shè)有定位孔，門極引線組件卡入該定位孔內(nèi)。本發(fā)明具有可消除芯片高溫焊接產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，能滿足電壓5000V以上或芯片直徑4吋及以上的高壓半導(dǎo)體器件要求的特點，主要用于高壓軟啟動電源、高壓靜止無功補償電源、高壓脈沖功率電源、高壓直流輸電等領(lǐng)域的高壓半導(dǎo)體器件。
【專利說明】全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高壓半導(dǎo)體器件，具體為全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，主要應(yīng)用于高壓軟啟動電源、高壓靜止無功補償電源、高壓脈沖功率電源、高壓直流輸電等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件芯片制造，采用芯片和電極片通過焊料高溫焊結(jié)而成，存在焊接應(yīng)力和焊接空洞，但隨著半導(dǎo)體器件電壓的不斷提高和芯片直徑的不斷加大，特別是芯片直徑達(dá)到4吋以上、電壓達(dá)到5000V以上時，高溫焊接芯片的形變應(yīng)力使其可靠性已無法滿足高壓產(chǎn)品和大電流產(chǎn)品的要求，急需采用新的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)來滿足新的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對上述不足，提供了全新內(nèi)部結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件一全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，消除了芯片高溫焊接產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，能滿足電壓5000V以上或芯片直徑4吋以上的高壓半導(dǎo)體器件要求。
[0004]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，包括管殼下封接件、下鑰圓片、半導(dǎo)體芯片、上鑰圓片、門極引線組件和管殼上封接件，其特征是:所述管殼上封接件中心設(shè)有安裝孔；所述上鑰圓片中心設(shè)有定位孔，門極引線組件卡入該定位孔內(nèi)；管殼下封接件、下鑰圓片、半導(dǎo)體芯片、上鑰圓片、門極引線組件和管殼上封接件依次為壓接接觸。上述部件在元件裝壓外部電極或散熱器時，管殼下封接件與管殼上封接件之間受外部壓力作用而使內(nèi)部部件實現(xiàn)全壓接接觸。
[0005]本發(fā)明技術(shù)解決方案`中所述的管殼下封接件與管殼上封接件內(nèi)形成密封腔體，該密封腔體內(nèi)充有壓力低于外部大氣壓的惰性氣體，從而既保證各部件相互接觸良好，又防止芯片高壓打火。
[0006]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片的兩個PN結(jié)的邊緣臺面造型采用兩面雙負(fù)角臺面造型；兩面雙負(fù)角臺面造型各面的負(fù)角可以是一個負(fù)角或兩個不同角度的角構(gòu)成的負(fù)角，負(fù)角Θ大小為:0.5° ≤ Θ≤35°。
[0007]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片邊緣兩面雙負(fù)角臺面設(shè)有環(huán)形直角圓柱形絕緣保護(hù)硅膠環(huán)，雙面表面臺面保護(hù)采用多層高純度高絕緣性的有機保護(hù)材料進(jìn)行表面鈍化。
[0008]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的硅膠環(huán)外層表面設(shè)有凹槽，增加爬電距離。
[0009]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的上鑰圓片、下鑰圓片的上下表面和管殼上封接件、管殼下封接件內(nèi)外臺面為研磨面，面平面度和平行度要求小于20 μ m。
[0010]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的上鑰圓片、下鑰圓片的表面涂鍍鈍化層，防止上、下鑰圓片熱氧化。
[0011]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片陰陽極表面涂覆厚度為ΙΟμ-- W 50μπ?的金屬導(dǎo)電層。
[0012]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的下鑰圓片中心設(shè)有定位盲孔；所述管殼下封接件中心設(shè)有安裝盲孔；安裝盲孔內(nèi)安裝有定位柱，并與定位盲孔配合。
[0013]本發(fā)明技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片的晶片原始材料為N型〈100〉晶向高阻單晶硅片或N型〈111〉晶向高阻單晶硅片，并采用三氯氧磷吸收工藝技術(shù)對原始單晶片進(jìn)行預(yù)吸收處理；半導(dǎo)體芯片晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中，P1區(qū)、P2區(qū)為雙層Al擴散形成的P1區(qū)、P2區(qū)。
[0014]本發(fā)明由于采用由管殼下封接件、下鑰圓片、半導(dǎo)體芯片、上鑰圓片、門極引線組件和管殼上封接件構(gòu)成的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，因而半導(dǎo)體芯片與上、下鑰圓片直接壓接而不用再高溫焊結(jié)，這樣就消除了芯片高溫焊結(jié)而產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，進(jìn)而保證了器件特性的穩(wěn)定性和可靠性，有利于半導(dǎo)體器件向更大直徑、更高電壓發(fā)展；加上半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)用原始硅片優(yōu)選〈100〉晶向高阻硅片，與常規(guī)的〈111〉晶向硅片相比壓接強度更高，也就保證了半導(dǎo)體芯片具有更好的抗壓強度而不易破碎。
[0015]本發(fā)明由于在半導(dǎo)體芯片的兩個PN結(jié)邊緣采用臺面造型，并采用兩面雙負(fù)角臺面造型工藝，降低了表面電場強度，有利于半導(dǎo)體芯片擊穿電壓的提高，其臺面造型角度Θ大小為:0.5° < Θ <35° ;與的單面臺面造型相比，在工藝上既簡單易行容易實現(xiàn)，又有利于臺面表面保護(hù)，同時減少了陰極面、陽極面導(dǎo)電面積的損失，利于芯片通流能力提高；雙負(fù)角造型與雙正角造型相比，擊穿電壓增加慢，相對穩(wěn)定性好，不易擊穿。
[0016]本發(fā)明由于在半導(dǎo)體芯片晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)，且P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)采用AL-AL-P-B每種雜質(zhì)源分別沉積、分別推進(jìn)擴散、多次氧化光刻形成，P1區(qū)、P2區(qū)通過采用較高表面濃度的雙層Al擴散技術(shù)，分別進(jìn)行兩次高真空Al預(yù)沉積和兩次高溫Al推進(jìn)擴散，形成一次低濃度深結(jié)Al和二次高濃度淺結(jié)Al，進(jìn)而解決了元件耐壓與其他特性間的矛盾，不但實現(xiàn)了具有超高阻斷電壓，同時兼顧提高元件的dv/dt耐量、導(dǎo)通特性、高溫特性。與以往的芯片制造擴散工藝相比，可以制造更高阻斷電壓、更優(yōu)器件特性的半導(dǎo)體芯片。
[0017]本發(fā)明由于在半導(dǎo)體芯片邊緣的臺面造型保護(hù)上采用強電場絕緣保護(hù)技術(shù)，使半導(dǎo)體芯片能承擔(dān)較大的雪崩擊穿電壓而不易擊穿；強電場絕緣保護(hù)技術(shù)具體為:雙面臺面保護(hù)，采用多層高純度高絕緣性的有機保護(hù)材料進(jìn)行表面鈍化，提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。半導(dǎo)體芯片外層雙面臺面保護(hù)硅膠環(huán)采用硅橡膠成型技術(shù)進(jìn)行加工，其外觀為環(huán)形直角圓柱形，增加了表面爬電距離，更有利于半導(dǎo)體芯片承受更高的表面擊穿電壓；同時也有利于半導(dǎo)體芯片雙面中心放置上、下鑰圓片，利用硅膠環(huán)內(nèi)園對上、下鑰圓片進(jìn)行定位。
[0018]本發(fā)明具有可消除芯片高溫焊接產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，能滿足電壓5000V以上或芯片直徑4吋以上的高壓半導(dǎo)體器件要求的特點。本發(fā)明主要用于高壓軟啟動電源、高壓靜止無功補償電源、高壓脈沖功率電源、高壓直流輸電等領(lǐng)域的高壓半導(dǎo)體器件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明半導(dǎo)體芯片邊緣及硅膠環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明半導(dǎo)體芯片邊緣及帶凹槽硅膠環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。[0022]圖4為本發(fā)明半導(dǎo)體芯片兩個PN結(jié)邊緣臺面造型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5為本發(fā)明半導(dǎo)體芯片晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合圖1至圖5對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025]如圖1所示。全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，由管殼下封接件1、下鑰圓片2、半導(dǎo)體芯片3、上鑰圓片4、門極引線組件6、管殼上封接件5采用冷壓封裝而成。管殼上封接件5中心開孔安裝門極引線組件6，門極引線組件6高出管殼上封接件5表面，卡入上鑰圓片4中心通孔，對上鑰圓片定位。器件臺面直徑D為:23mm≤D≤140mm，管殼厚度H為:23mm ^ 40mm。器件內(nèi)部半導(dǎo)體芯片3與上、下鑰圓片2、4和管殼上、下封接件1、5之間在外部壓力作用下實現(xiàn)全壓接接觸，上、下鑰圓片2、4上下表面和管殼上下封接件1、5內(nèi)外臺面采用研磨工藝加工,表面平面度和平行度要求小于20 μ m。上、下鑰圓片2、4表面涂鍍鈍化材料，防止鑰圓片熱氧化；半導(dǎo)體芯片3陰陽極表面涂覆厚度為ΙΟμπ?Μ 50μπι的金屬導(dǎo)電層。器件內(nèi)部先抽真空，再充惰性氣體，通過對器件內(nèi)充氣量和內(nèi)部氣壓的精確控制，使內(nèi)部氣壓低于外部氣壓，從而既保證各部件相互接觸良好，又防止芯片高壓打火。下鑰圓片2和管殼下封接件I中心也可以開盲孔，安裝定位柱進(jìn)行定位。
[0026]采用全壓接封裝工藝后，半導(dǎo)體芯片3與上、下鑰圓片2、4直接壓接而不用燒結(jié)，消除了芯片因燒結(jié)變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，更利于芯片向更大直徑和更高電壓發(fā)展。半導(dǎo)體芯片3生產(chǎn)用原始硅片優(yōu)選〈100〉晶向高阻硅片，與常規(guī)的〈111〉晶向硅片相比，壓接強度更聞。
[0027]如圖2、圖3所 示。半導(dǎo)體芯片3邊緣雙面臺面表面保護(hù)，采用多層高純度高絕緣性的有機保護(hù)材料進(jìn)行表面鈍化，使芯片能承擔(dān)較大的雪崩擊穿電壓而不易擊穿。內(nèi)外雙層臺面鈍化保護(hù)，提高了元件的穩(wěn)定性和可靠性。第一層臺面保護(hù)層，采用較稀的高純度高絕緣性的有機保護(hù)材料，利用自制的專用設(shè)備——硅片雙面自動涂膠甩膠機(實用新型專利號:201120482060.3)，對晶片3進(jìn)行臺面雙面涂膠保護(hù)；第二層臺面保護(hù)層，采用較厚的高純度高絕緣性的硅橡膠對臺面雙面及邊緣進(jìn)行模具注膠成型保護(hù)，硅膠環(huán)7、8外觀為環(huán)形直角圓柱形；半導(dǎo)體芯片3雙面中心放置上、下鑰圓片4、2，并利用保護(hù)膠內(nèi)園對上、下鑰圓片4、2進(jìn)行定位。硅膠環(huán)8上下表面，也可以有凹槽9增加爬電距離。
[0028]如圖4所示。半導(dǎo)體芯片3的兩個PN結(jié)邊緣的臺面造型，采用兩面雙負(fù)角臺面造型工藝，既降低了表面電場強度，有利于芯片擊穿電壓的提高，又減少了陰極面、陽極面導(dǎo)電面積的損失；其臺面造型角度Θ大小為:0.5°≤Θ≤35°。在工藝上，利用自制的專用設(shè)備一晶片大角磨角機，對晶片兩面分別采用機械控制、單面自動磨角進(jìn)行臺面造型，既簡單易行，又易于臺面保護(hù)。負(fù)角還可以是兩個角Θ1、Θ2。
[0029]如圖5所示。半導(dǎo)體芯片3晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)成。P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)采用Al-Al-P-B每種雜質(zhì)源分別沉積、分別擴散推進(jìn)、多次氧化光刻形成。P1區(qū)、P2區(qū)通過采用雙層Al擴散技術(shù)，分別進(jìn)行兩次高真空Al預(yù)沉積和兩次高溫Al推進(jìn)擴散，形成的一次低濃度深結(jié)Al和二次高濃度淺結(jié)Al，進(jìn)而解決了元件耐壓與其他特性間的矛盾，不但實現(xiàn)了具有超高阻斷電壓，同時兼顧提高元件的dv/dt耐量、導(dǎo)通特性、高溫特性。N2區(qū)擴散通過采用磷預(yù)沉積和高溫推進(jìn)氧化兩次擴散完成；P+區(qū)擴散通過采用噴B涂源和高溫推進(jìn)擴散完成，利于與導(dǎo)電層形成良好的歐姆接觸。
[0030]晶片擴散采用長少子壽命吸收技術(shù)。在晶片擴散中，引入三氯氧磷吸收工藝對原始硅單晶片進(jìn)行η+層雜質(zhì)吸收處理；同時，在擴散氧化過程中摻入三氯乙烷氧化清洗管道吸收雜質(zhì)，并在陽極面噴硼作P+擴散雜質(zhì)吸收。通過采用多次雜質(zhì)吸收工藝，減少了硅片原始少子壽命的降低，大大提高了半導(dǎo)體芯片的少子壽命和參數(shù)均勻性，進(jìn)而保證了元件參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，包括管殼下封接件(I)、下鑰圓片(2)、半導(dǎo)體芯片(3)、上鑰圓片(4)、門極引線組件(6)和管殼上封接件(5)，其特征是:所述管殼上封接件(5)中心設(shè)有安裝孔；所述上鑰圓片(4)中心設(shè)有定位孔，門極引線組件(6)卡入該定位孔內(nèi)；管殼下封接件(I)、下鑰圓片(2)、半導(dǎo)體芯片(3)、上鑰圓片(4)、門極引線組件(6)和管殼上封接件(5)依次為壓接接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述管殼下封接件(I)與管殼上封接件(5)內(nèi)形成密封腔體，該密封腔體內(nèi)充有低于外部大氣壓的惰性氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述半導(dǎo)體芯片(3)的兩個PN結(jié)的邊緣臺面造型采用兩面雙負(fù)角臺面造型；兩面雙負(fù)角臺面造型,各面的負(fù)角是一個負(fù)角或兩個不同角度的角構(gòu)成的負(fù)角，負(fù)角Θ大小為:0.5° < Θ < 35°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述半導(dǎo)體芯片(3 )邊緣兩面雙負(fù)角臺面設(shè)有環(huán)形直角圓柱形絕緣保護(hù)硅膠環(huán)(7、8 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述硅膠環(huán)(8)夕卜層表面設(shè)有凹槽(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述上鑰圓片(4)、下鑰圓片(2)的上下表面和管殼上封接件(5)、管殼下封接件(I)內(nèi)外臺面為研磨面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述上鑰圓片(4)、下鑰圓片(2)的表面涂鍍鈍化層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述半導(dǎo)體芯片(3)陰陽極表面涂覆厚度為IOym w 50μπι的金屬導(dǎo)電層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述下鑰圓片(2)中心設(shè)有定位孔；所述管殼下封接件(I)中心設(shè)有安裝盲孔；定位孔內(nèi)安裝有定位柱。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于:所述半導(dǎo)體芯片(3)的晶片原始材料為N型〈100〉晶向高阻單晶硅片或N型〈111〉晶向高阻單晶硅片，并采用三氯氧磷吸收工藝技術(shù)對原始單晶片進(jìn)行預(yù)吸收處理；半導(dǎo)體芯片(3)晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中，P1區(qū)、P2區(qū)為雙層Al擴散形成的P1區(qū)、P2區(qū)。
【文檔編號】H01L29/04GK103811424SQ201210448143
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月12日
【發(fā)明者】劉鵬, 張橋, 顏家圣, 吳擁軍, 孫亞男, 楊寧, 林煜風(fēng), 張明輝, 李嫻, 任麗, 劉小俐 申請人:湖北臺基半導(dǎo)體股份有限公司