CN102263140A - 一种塑封功率二极管及其制造工艺 - Google Patents

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张录周
赵为涛
武海清
于秀娟
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Abstract

本发明公开了一种塑封功率二极管及其制造工艺，涉及半导体分立器件技术领域。其制造工艺不采用现有技术中用异丙醇、无水乙醇等有机溶剂的清洗和脱水工艺，省掉有机溶剂清洗后的水洗及再脱水工艺；采用将连接导线的芯片放入加热的烘箱中烘焙4-10小时，烘箱温度200-250℃，烘箱中通氢氮混合气体或者洁净的空气；将涂覆液体环氧树脂或液体硅橡胶的芯片放入150±10℃烘箱中胶固化10-60分钟。本发明与现有技术相比产品具有优良的高温特性、一致性和可靠性。

Description

一种塑封功率二极管及其制造工艺
技术领域
本发明涉及半导体分立器件技术领域，尤其是涉及塑封功率二极管技术领域。
背景技术
目前，广泛应用于电视、电脑、节能灯、电子仪器仪表电路中的塑封功率二极管，其封装形式可分为：环氧树脂塑料封装、玻璃封装、金属封装、陶瓷封装等。环氧树脂塑料封装的功率二极管易于大规模生产，成本低廉，是当今封装二极管的主流。功率二极管的芯片有多种制造工艺方法，一类是平面工艺制作的芯片，PN结不裸露在芯片外面，经连接外部导线封装成二极管；另一类是台面制作的二极管，即二极管的芯片采用台面型，PN结有一部分裸露在芯片台面表面，需要经过酸腐蚀或碱腐蚀、水洗、保护台面等处理，以达到二极管的反向电压的设计值和减少反向漏电流的目的。耐高温反向电压的功率二极管大都采用台面型工艺方法制造。
塑封功率二极管的制造方法有多种，主要采用玻璃钝化（GPP）芯片和经酸腐蚀或碱腐蚀芯片。前者（GPP）芯片焊接导线后可进行塑封，而后者是将芯片焊接导线后，再经过酸腐蚀及高纯水的清洗，硅橡胶的保护后，才能注塑封装。
现有技术工艺制造的塑封功率二极管中，硅芯片的台面经过酸腐蚀及高纯水、有机化学试剂的清洗脱水等步骤，需要大量的化学试剂，且有些微量有害杂质很难被清除彻底，导致产品的反向漏电流大，特别是高温时，反向漏电流随温度的升高和时间的延长而增大，导致产品早期失效。
另外，芯片经酸腐蚀、水洗后，在150-200℃的条件下烘烤10-60分钟后，再涂敷有机硅橡胶，再在200-230℃的条件下使液体硅橡胶固化6-8小时，其后进行注塑环氧树脂的外型封装。用这种方法的问题是涂敷液体硅橡胶前烘烤时间短，芯片台面及芯片与导线间的微量水分、残余微量酸、金属盐类化合物、有机化合物等有害杂质不能彻底的清除，芯片台面表面的钝化作用较差，涂覆的硅橡胶固化后封装的产品耐热应力冲击差，二极管的电参数变坏。因此需要设计试验出一种产品可靠性得到提高，且简单易行的清洗二极管芯片台面的新工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种塑封功率二极管及其制造工艺。它比现有技术中的方法容易实施且成本更为低廉，二极管的高温特性、一致性和可靠性更好。
本发明一种塑封功率二极管，其由以下工艺步骤制的：
①工艺焊接：将硅芯片、焊片和无氧铜导线组装到焊接舟中，经焊接炉连接二极管的正负极；
②酸腐蚀：将连接好导线的硅芯片插入酸洗盘中，在含有硝酸、氢氟酸、冰醋酸、硫酸的混合酸作用下，腐蚀掉芯片的划片刀痕、氧化层，使芯片台面表面光滑洁净，裸露在芯片台面表面的PN结得到清洁处理，酸腐蚀液成分（体积比）：HNO3:HF:CH3COOH:H2SO4=9:9:12:4；
③钝化：经含磷酸、双氧水、纯水的混合液，钝化液的成分（体积比）：H2O2:H3PO4:纯水=1:1:3，使芯片台面表面形成一层微薄的磷硅玻璃层或SiO2层，以减少有害杂质的污染，保护裸露在芯片台面表面的PN结；
④络合：经含双氧水、氨水、纯水的混合液，络合液的成分（体积比）：H2O2:NH3H2O:纯水=1:10:40，使硅芯片台面吸附的铜等有害金属杂质形成可溶入水的络合物，使硅芯片表面上的金属杂质得到解吸；
⑤超声纯水清洗：在超声的纯水中，用纯水冲洗硅芯片台面，将金属杂质去除；
⑥梳料：将耐酸塑料盘中的半成品放到耐高温的铝制品的工装上，以便后工序的高温处理；
⑦干洗：将连接导线的芯片放入加热的烘箱中烘焙4-10小时，优选6-8小时，最优选7小时，烘箱温度200-250℃，优选220-240℃，最优选230℃，烘箱中通氢氮混合气体或者洁净的空气；
⑧涂覆液体环氧树脂或液体硅橡胶；
⑨胶固化：放入150±10℃烘箱中固化10-60分钟，烘箱温度优选150±5℃，最优选150℃，固化时间优选20-50分钟，最优选30分钟；
⑩注塑封装：上注塑机注塑，形成二极管的非空腔塑封体外形，即获得塑封功率二极管成品。
本发明一种塑封功率二极管的制造工艺，其包括如下工艺步骤：
①工艺焊接：将硅芯片、焊片和无氧铜导线组装到焊接舟中，经焊接炉连接二极管的正负极；
②酸腐蚀：将连接好导线的硅芯片插入酸洗盘中，在含有硝酸、氢氟酸、冰醋酸、硫酸的混合酸作用下，腐蚀掉芯片的划片刀痕、氧化层，使芯片台面表面光滑洁净，裸露在芯片台面表面的PN结得到清洁处理，酸腐蚀液成分（体积比）：HNO3:HF:CH3COOH:H2SO4=9:9:12:4；
③钝化：经含磷酸、双氧水、纯水的混合液，钝化液的成分（体积比）：H2O2:H3PO4:纯水=1:1:3，使芯片台面表面形成一层微薄的磷硅玻璃层或SiO2层，以减少有害杂质的污染，保护裸露在芯片台面表面的PN结；
④络合：经含双氧水、氨水、纯水的混合液，络合液的成分（体积比）：H2O2:NH3H2O:纯水=1:10:40，使硅芯片台面吸附的铜等有害金属杂质形成可溶入水的络合物，使硅芯片表面上的金属杂质得到解吸；
⑤超声纯水清洗：在超声的纯水中，用纯水冲洗硅芯片台面，将金属杂质去除；
⑥梳料：将耐酸塑料盘中的半成品放到耐高温的铝制品的工装上，以便后工序的高温处理；
⑦干洗：将连接导线的芯片放入加热的烘箱中烘焙4-10小时，优选6-8小时，最优选7小时，烘箱温度200-250℃，优选220-240℃，最优选230℃，烘箱中通氢氮混合气体或者洁净的空气；
⑧涂覆液体环氧树脂或液体硅橡胶；
⑨胶固化：放入150±10℃烘箱中固化10-60分钟，烘箱温度优选150±5℃，最优选150℃，固化时间优选20-50分钟，最优选30分钟；
⑩注塑封装：上注塑机注塑，形成二极管的非空腔塑封体外形，即获得塑封功率二极管成品。
本发明的工艺方法中芯片台面的清洗,不采用常规的异丙醇、无水乙醇等有机溶剂的清洗和脱水，省掉有机溶剂清洗后的水洗及再脱水步骤。而是将连接导线的芯片经酸腐蚀、钝化、络合、一道水冲的半成品放入加热的烘箱中烘焙。其作用是将残留在硅芯片表面及硅芯片导线狭缝中的水分、残留的无机酸、低蒸发点的盐类化合物等得到充分的挥发，起到了比用水洗、有机溶剂清洗更好的效果。其另一作用使硅芯片台面表面钝化生成的SiO2层致密且增厚，由原来的40-50Å埃增加到100-200Å。增厚的SiO2层进一步的保护裸露在台面表面的PN结，台面表面更加稳定，降低了二极管的高温反向漏电流，反向电压一致性好，二极管的高温特性好。干洗机理：混合腐蚀液中的氢氟酸具有较强的钻蚀作用，它能钻蚀到硅芯片与铜导线的焊接层中微缝隙，硝酸、硫酸等也能侵蚀到硅芯片与铜导线间的焊料的微空洞中，在腐蚀中腐蚀液接触铜导线，铅锡银焊料，可生成硝酸铜、硫酸铜、硝酸银等金属盐类粘附在硅芯片表面或进入到硅芯片与铜导线间的焊料的微空洞中，这些酸和金属盐类在湿法清洗中大都清除，但钻蚀到硅芯片与铜导线的焊接层中微缝隙的氢氟酸及侵蚀到硅芯片与铜导线间的焊料的微空洞中的金属盐类、水分等物质，难以用湿法清洗干净，但上述的酸、盐类等物质大都具有较低的沸点，如氢氟酸的沸点是112.2℃、硝酸的沸点是86℃、醋酸的沸点是118℃、水硝酸铜的沸点是170℃。当加温到沸点以上的高温并经过一定时间的高温过程，这些酸和盐类都蒸发清除，彻底清除了硅芯片表面及硅芯片与铜导线之间的有害杂质。使二极管的反向漏电流更小和获得更佳的硬击穿特性。
另外，本发明工艺方法中将干洗好且有SiO2保护的硅芯片台面涂敷具有高弹性的液体环氧树脂或液体硅橡胶，放入烘箱中固化，进一步地保护了连接导线的硅芯片台面不受注塑时高压力的塑封料的冲击，更重要的作用是缓解了塑封料的热应力的作用，降低了产品高温漏电流，二极管的高温特性得到了大幅度的提高。
附图说明
图1为塑封功率二极管的结构示意图；
图2是传统技术工艺流程图；
图3是新工艺流程图；
图 4 是传统工艺方法制作的产品高温漏电流曲线；
图 5新工艺方法制作的产品高温漏电流曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图中：1、钉子头铜导线，2、铅锡银焊片，3、硅芯片，4、二氧化硅层，5、环氧树脂胶，6、非空腔塑封体。
①焊接：将硅芯片、焊片和无氧铜导线组装到焊接舟中，经焊接炉连接二极管的正负极；
②酸腐蚀：将连接好导线的硅芯片插入酸洗盘中，在含有氢氟酸、硝酸、硫酸、冰醋酸的混合酸作用下，腐蚀掉芯片的划片刀痕、氧化层，使芯片台面表面光滑洁净，裸露在芯片台面表面的PN结得到清洁处理，酸腐蚀液成分（体积比）：HNO3:HF:CH3COOH:H2SO4=9:9:12:4；
③钝化：经含磷酸、双氧水、纯水的混合液，使芯片台面表面形成一层微薄的SiO2层，以减少有害杂质的污染，保护裸露在芯片台面表面的PN结，钝化液的成分（体积比）：H2O2:H3PO4:纯水=1:1:3；
④络合：经含氨水、双氧水、纯水的混合液，使硅芯片台面吸附的铜等有害金属杂质形成可溶入水的络合物，使硅芯片表面上的金属杂质得到解吸，络合液的成分（体积比）：H2O2:NH3H2O:纯水=1:10:40；
⑤超声纯水清洗：在超声的纯水中，用纯水冲洗硅芯片台面，将金属杂质去除；
⑥梳料：将耐酸塑料盘中的半成品放到耐高温的铝制品的工装上，以便后工序的高温处理；
⑦干洗：将连接导线的芯片放入加热的烘箱中烘焙7小时，烘箱温度230℃，烘箱中通氢氮混合气体；
所谓干洗是属于物理清洗，是通过加温的方法，将钻蚀到硅芯片与铜导线之间的微量氢氟酸、硝酸等及其在腐蚀过程中生成的硝酸铜、硫酸铜等蒸发，去除湿法清洗难以去除的残留酸和金属盐类有害杂质；同时，使化学形成的钝化膜更加致密并在芯片台面表面形成热氧化膜；
⑧涂覆液体环氧树脂胶：经干洗后的二极管，其硅芯片台面裸露的PN结已得到了保护，二极管的反向特性显现出来，但硅芯片台面形成的钝化膜及氧化层很薄（100-200Å），二极管加高的反向电压时，易发生表面击穿，另一方面很薄的钝化膜及氧化层在后工序――注塑封装时，经受不了注塑压力的冲击，易损坏，所以在干洗后涂覆液体环氧树脂胶加以保护；
⑨胶固化：放入150℃烘箱中固化30分钟,涂覆的液体环氧树脂要经过一定的温度和时间，使胶发生一定的固化并具有良好的粘附性和弹性，抵抗注塑压力的冲击并防止了表面击穿，也防止后工序高温老化热应力的作用；
⑩注塑封装：将涂覆液体环氧树脂并经过适当固化涂覆胶的半成品，上注塑机注塑，形成二极管的非空腔塑封体外形，即得塑封功率二极管成品。
本发明工艺方法中改变的台面型塑封功率二极管的干洗方法和环氧树脂胶保护台面的方法，与传统的完全湿法清洗相比，其工艺方法简单易行，成本更加低廉，适合大规模生产，塑封功率二极管的高温漏电流小，高档率高，可靠性好。
与传统工艺方法对比试验结果如下：见附图4、5。
表1：高温漏电流对比数据
Figure 260708DEST_PATH_IMAGE001

Claims (6)

1.一种塑封功率二极管，其特征在于：其由以下工艺步骤制的：
①工艺焊接：将硅芯片、焊片和无氧铜导线组装到焊接舟中，经焊接炉连接二极管的正负极；
②酸腐蚀：将连接好导线的硅芯片插入酸洗盘中，在含有硝酸、氢氟酸、冰醋酸、硫酸的混合酸作用下，腐蚀掉芯片的划片刀痕、氧化层，使芯片台面表面光滑洁净，裸露在芯片台面表面的PN结得到清洁处理，腐蚀液成分（体积比）：HNO3:HF:CH3COOH:H2SO4=9:9:12:4；
③钝化：经含磷酸、双氧水、纯水的混合液，钝化液的成分（体积比）：H2O2:H3PO4:纯水=1:1:3，使芯片台面表面形成一层微薄的磷硅玻璃层或SiO2层，以减少有害杂质的污染，保护裸露在芯片台面表面的PN结；
④络合：经含双氧水、氨水、纯水的混合液，络合液的成分（体积比）：H2O2:NH3H2O:纯水=1:10:40，使硅芯片台面吸附的铜等有害金属杂质形成可溶入水的络合物，使硅芯片表面上的金属杂质得到解吸；
⑤超声纯水清洗：在超声的纯水中，用纯水冲洗硅芯片台面，将金属杂质去除；
⑥梳料：将耐酸塑料盘中的半成品放到耐高温的铝制品的工装上，以便后工序的高温处理；
⑦干洗：将连接导线的芯片放入加热的烘箱中烘焙4-10小时，烘箱温度200-250℃，烘箱中通氢氮混合气体或者洁净的空气；
⑧涂覆液体环氧树脂或液体硅橡胶；
⑨胶固化：放入150±10℃烘箱中固化10-60分钟；
⑩注塑封装：上注塑机注塑，形成二极管的非空腔塑封体外形，即获得塑封功率二极管成品。
2.根据权利要求1所述的一种塑封功率二极管，其特征在于：所述工艺⑦干洗中烘焙时间优选6-8小时，最优选7小时；烘箱温度优选220-240℃，最优选230℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种塑封功率二极管，其特征在于：所述工艺⑨胶固化中放入烘箱中固化，烘箱温度优选150±5℃，最优选150℃；固化时间优选20-50分钟，最优选30分钟。
4.一种塑封功率二极管的制造工艺，其特征在于：其包括如下工艺步骤：
①工艺焊接：将硅芯片、焊片和无氧铜导线组装到焊接舟中，经焊接炉连接二极管的正负极；
②酸腐蚀：将连接好导线的硅芯片插入酸洗盘中，在含有硝酸、氢氟酸、冰醋酸、硫酸的混合酸作用下，腐蚀掉芯片的划片刀痕、氧化层，使芯片台面表面光滑洁净，裸露在芯片台面表面的PN结得到清洁处理，腐蚀液成分（体积比）：HNO3:HF:CH3COOH:H2SO4=9:9:12:4；
③钝化：经含磷酸、双氧水、纯水的混合液，钝化液的成分（体积比）：H2O2:H3PO4:纯水=1:1:3，使芯片台面表面形成一层微薄的磷硅玻璃层或SiO2层，以减少有害杂质的污染，保护裸露在芯片台面表面的PN结；
④络合：经含双氧水、氨水、纯水的混合液，络合液的成分（体积比）：H2O2:NH3H2O:纯水=1:10:40，使硅芯片台面吸附的铜等有害金属杂质形成可溶入水的络合物，使硅芯片表面上的金属杂质得到解吸；
⑤超声纯水清洗：在超声的纯水中，用纯水冲洗硅芯片台面，将金属杂质去除；
⑥梳料：将耐酸塑料盘中的半成品放到耐高温的铝制品的工装上，以便后工序的高温处理；
⑦干洗：将连接导线的芯片放入加热的烘箱中烘焙4-10小时，烘箱温度200-250℃，烘箱中通氢氮混合气体或者洁净的空气；
⑧涂覆液体环氧树脂或液体硅橡胶；
⑨胶固化：放入150±10℃烘箱中固化10-60分钟；
⑩注塑封装：上注塑机注塑，形成二极管的非空腔塑封体外形，即获得塑封功率二极管成品。
5.根据权利要求4所述的一种塑封功率二极管的制造工艺，其特征在于：所述工艺⑦干洗中烘焙时间优选6-8小时，最优选7小时；烘箱温度优选220-240℃，最优选230℃。
6.根据权利要求4或5所述的一种塑封功率二极管的制造工艺，其特征在于：所述工艺⑨胶固化中放入烘箱中固化，烘箱温度优选150±5℃，最优选150℃；固化时间优选20-50分钟，最优选30分钟。
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