CN102361009A - 整流二极管制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整流二极管制造方法，改进现有技术的生产工艺，提高器件性能。本发明的整流二极管制造方法在管芯制作的扩散工序中，在进行P区杂质扩散时采用二次扩散工艺，在N-型单晶硅片上形成四层结构，即N+层、N-层、P-层和P+层，得到四层结构的管芯，提高了P区载流子有效浓度，并且改善了表面欧姆接触层的合金质量，降低了接触电阻，有效载流面积有所提高。本发明调整了工序流程，在焊接引线之前进行管芯腐蚀，有利于得到合适的晶粒形状，在焊接引线前先形成PN结台面，减少化学药剂使用量，大大的降低了二极管行业的污染。

Description

整流二极管制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件，特别涉及一种整流二极管制造方法。

背景技术

半导体整流二极管(简称整流二极管、二极管)是一种应用非常普遍的电子器件。整流二极管通常由管芯(又称为晶粒)、引线和包覆层构成，其中具有相应功能作用的是管芯，确切地说是PN结。

传统的制造整流二极管的方法包括：芯片扩散、镀镍、切割裂片、焊接引线、台面腐蚀、涂覆保护层，塑封包装等工序。工艺流程如下：

1、芯片选型

一般硅基整流二极管都是以N-型单晶硅作为基础材料。

2、芯片扩散

在N-型单晶硅片上通过纸源或水源涂覆在硅片的两面分别扩散5价杂质和3价杂质，形成Open Junction(一种PN结结构形式)。

3、制作欧姆接触层

完成芯片扩散后，在硅片两面进行金属化处理，如镀镍等，形成欧姆接触层。

4、切割裂片

在硅片原有的基准面(111面)按规定角度划基准切割线，即定向基准线；通过划片机按定向基准线进行切割成晶粒，并通过机械分离方式把晶粒分离出来。

5、引线焊接

对晶粒进行清洁后，在晶粒两端的欧姆接触层焊接引线。

6、台面腐蚀

对焊接了引线的晶粒进行台面腐蚀，去除切割裂片时的损伤层(约50μm)，形成晶粒形状。

7、涂覆保护层

进行多次纯水清洗并使用化学脱水方式脱水后，在晶粒台面涂覆一层保护层，如硅橡胶等，对PN结进行保护。

8、塑封包装。

采用注塑工艺等，在保护层外面再包覆一层环氧树脂等。

这种传统的整流二极管制造方法有以下缺点：

1、传统方法制造的整流二极管，管芯是三层结构，管芯N区1由N+层101和N-层102组成，P区2由一层P+层201构成，N-层102与P+层201交界处为管芯PN结12，如图1所示。由于扩散原理P+层201杂质会往内部继续迁移，影响欧姆接触层200表面合金效果，这样的合金层欧姆接触不好，影响器件电性能。

2、传统方法制造的整流二极管晶粒形状为正四棱台形，N区与P之间的夹角为180°，PN结正好处于正四棱台靠近下底面的位置，在涂覆保护层时，该处包覆层厚度小，容易造成电压击穿故障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种整流二极管制造方法，改进现有技术的生产工艺，提高器件性能。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，整流二极管制造方法，包括如下步骤：

a、在N-型单晶硅片一面扩散5价元素，形成N+层；

b、在所述单晶硅片另一面扩散3价元素，经过2次扩散分别形成P-层和P+层；

c、在所述N+层和P+层表面形成欧姆接触层；

d、对上述加工完成的硅片进行切割，得到管芯；

e、对所述管芯进行腐蚀，消除切割伤痕并形成管芯形状；

f、对管芯进行清洗后，在N+层和P+层表面形成的欧姆接触层上焊接引线；

g、涂覆保护层；

h、塑封成型。

本发明在管芯制作的扩散工序中，在进行P区杂质扩散时采用二次扩散工艺，在N-型单晶硅片上形成四层结构，即N+层、N-层、P-层和P+层，得到四层结构的管芯，提高了P区载流子有效浓度，并且改善了表面欧姆接触层的合金质量，降低了接触电阻，有效载流面积有所提高。这些对于提高器件电性能，如电流密度、耐压、功率等均有很大的助益。本发明调整了工序流程，在焊接引线之前进行管芯腐蚀，有利于得到合适的晶粒形状，在焊接引线前先形成PN结台面，减少化学药剂使用量，大大的降低了二极管行业的污染。由于晶粒制作过程中就形成了台面，晶粒焊接面积相对与传统二极管晶粒小，大大降低了封装尺寸，有利于器件的小型化。由于晶粒结构改变和焊接面积减小，所以器件制造时，工装制作材料消耗降低，降低了器件制造成本。

进一步的，所述管芯形状为直棱柱和直棱台的组合体，所述直棱柱底面和直棱台上底面连接，并具有相同形状和大小，其棱相互对接，所述直棱柱自上而下由N+层和N-层构成，所述直棱台自上而下由P-层和P+层构成。

在晶粒制作过程中形成的这种台面结构，完全不同于现有技术在焊接引线后使用酸蚀获得的正锥台形状的晶粒结构，传统的晶粒结构PN结处N区与P区交界处夹角α＝180°，参见图1。该处是器件工作时电场梯度最大的地方，在进行涂覆保护时，该处涂覆胶的厚度是整个包覆层比较薄的地方，并且很容易形成晶粒边缘尖角，导致晶粒表面产生尖峰电场，这些都大大降低器件耐压。本发明晶粒结构N区与P区交界处(即直棱柱和直棱台交界处)夹角α＜180°，形成一个凹陷区，参见图2。涂覆保护层时，涂覆胶流动集中在凹陷区，在此处包覆厚度是整个包覆层比较厚的地方，并且完全杜绝晶粒表面尖峰电场现象。这种结构的保护层抗电强度大大优于传统制作的晶粒。

具体的，所述直棱柱和直棱台分别为正四棱柱和正四棱台。

这种结构更符合硅的结晶形状，有利于降低晶粒表面尖峰电场，提高器件耐压。

具体的，所述5价元素为磷。

采用磷作N型参杂，工艺成熟，成本低。

具体的，所述3价元素为硼。

采用硼作P型参杂，工艺简单、成熟。

具体的，所述欧姆接触层由镀镍层构成。

欧姆接触层采用镍材料，制作工艺简单，与硅基材料兼容性好，较之金、银等贵金属成本更低。

进一步的，所述镀镍层采用2次镀镍工艺形成，第一次镀镍后在氢气氛下进行合金化，生成一层镍硅合金，第二次在镍硅合金上再镀一层镍。

这是一种比较成熟的欧姆接触层制造工艺，制作的欧姆接触层与硅基材料结合紧密，接触电阻小。

具体的，所述引线为铜线。

采用铜或铜合金作为引线，与镀镍欧姆接触层焊接工艺简单，焊接牢固接触紧密，并且成本低。

具体的，所述保护层由聚酰亚胺构成。

采用聚酰亚胺(俗称PI胶)包覆PN结，高温性能和电介强度都优于传统的硅橡胶。硅橡胶在125℃高温，反偏800V～1000V的情况下漏电流在70～100μA，而采用聚酰亚胺包覆，在相同情况下漏电流低于50μA，高温性能大大提高，所以这种保护层抗电介强度和高温电性能、可靠性都优越于硅橡胶，能满足超高压整流二极管的要求。

具体的，步骤h中，塑封成型采用熔融性硅微粉作为环氧树脂塑封填料进行塑封成型。

采用熔融性硅微粉作为环氧树脂塑封填料，成型后塑料密度和密封性能都有所提高。常规采用的是一定目数的硅微粉成型后始终是有缝隙的，使用熔融性硅微粉作为填料，在模压温度下硅微粉熔融和环氧树脂结合成复合材料，塑封层与引线结合更好，热膨胀系数小，应力小，介电强度很高，密封性能很好，完全能满足超高压二极管的耐压要求。

本发明的有益效果是，在P区扩散时采用二次扩散工艺，形成四层结构的PN结，改善了表面欧姆接触层的合金质量，降低了接触电阻，提高了可焊性，增加了有效载流面积和P区载流子浓度，二极管电流密度、耐压、功率等均有很大的提高。本发明调整了工序流程，在焊接引线之前进行管芯腐蚀，有利于得到合适的晶粒形状。在焊接引线前先形成PN结台面，减少二极管生产的化学药剂使用量，大大降低了二极管行业的污染。由于晶粒制作过程中就形成了台面，晶粒焊接面积相对于传统晶粒更小，降低了封装尺寸，有利于器件的小型化。由于晶粒结构改变和焊接面积减小，后续工装制作材料消耗降低，降低了器件制造成本。

附图说明

图1是现有技术管芯结构示意图；

图2是本发明管芯结构示意图；

图3是本发明的管芯制造的二极管结构示意图；

图4是实施例的工艺流程图。

图中：1为N区；2为P区；100为N+层表面的欧姆接触层；101为N+层；102为N-层；12为PN结；202为P-层；201为P+层；200为P+层表面的欧姆接触层；3为保护层；4为塑封层；5为引线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的整流二极管制造方法在P区杂质扩散时采用二次扩散工艺，在N-型单晶硅片一面形成P-层和P+层，与芯片另一面扩散5价杂质形成的N+层构成整个芯片的四层结构，即N+层、N-层、P-层和P+层。这种四层结构的PN结，有效提高了载流子浓度，改善了P区表面欧姆接触层的合金质量，改善了可焊性，降低了接触电阻，增加了有效载流面积。这些对于提高器件电性能有很大的助益。

实施例

本例整流二极管制造工艺流程如图4所示，包括：

芯片扩散

选择N-型单晶硅片，配制含磷乳胶(磷源)，把含磷乳胶涂覆在硅片的一面上，将涂好磷源的硅片放入洁净烘箱将磷源溶剂烤干。烤干后的硅片即可装舟，将硅片有磷面相对放置在石英舟中，每舟约放750片。将石英舟分步推入扩散炉中进行扩散，以获得N+层。扩散时间到后将石英舟从扩散炉中分步拉出冷却。冷却后进行化学分割并清洗表面。将清洗好后的硅片送入喷砂车间对硅片进行处理，将处理好的硅片送入扩硼车间。配制含硼元素的乳胶(硼源)，把硼源涂覆在硅片的另一面上，将涂好硼源的硅片平放在滤纸上放入洁净烘箱将硼源溶剂烤干。烤干后的硅片即可装舟，将硅片有硼面相对放在石英舟中，每舟约放750片。将石英舟分步推入扩散炉中进行两次扩散，第一次扩散得到P-层，第二次扩散得到P+层。扩散时间到后将石英舟从扩散炉中分步拉出冷却。冷却后进行化学分割并清洗表面，然后送入喷砂车间进行表面处理。处理好后的硅片清洗干净。这样得到的芯片即为包含N+层101、N-层102、P-层202、P+层201的四层结构的芯片，如图2所示。

芯片镀镍

对扩散好的硅片进行P+层表面和N+层表面镀镍形成欧姆接触层200和欧姆接触层100。

首先通过化学方法对硅片表面进行清洗和活化。将活化好后的硅片放入化学镀镍液中进行第一次镀镍，将一次镀镍后的硅片进行清洗烘干。烘干后装入扩散舟中送入渗氢车间，通过充入高纯氢气进行镍和硅的合金化，生成一层合金层，合金完后再送入化镀镍车间进行表面二次镀镍。

芯片定向

按硅片原有的基准面按规定角度划一条基准切割线，即定向基准线。

切晶粒

通过划片机按定向基准线进行切割成晶粒。

裂片

通过机械分离方式把晶粒分离出来。

台面腐蚀

对分离好的晶粒进行台面腐蚀，去除切晶粒时的损伤层约50μm(2mil)，形成直棱柱和直棱台组合体形状的晶粒台面。如图2所示，直棱柱为正四棱柱，直棱台为正四棱台，正四棱柱底面和正四棱台上底面连接，并具有相同形状和大小，四条棱相互对接。正四棱柱自上而下由N+层101和N-层102构成，N+层101表面为欧姆接触层100；正四棱台自上而下由P-层202和P+层201构成，P+层201表面为欧姆接触层200。

焊接引线

把腐蚀好台面的晶粒通过真空吸盘装填在专用的烧结石墨舟上，在N+层和P+层表面形成的欧姆接触层上焊接合金铜引线。

清洗

使用电阻率大于10MΩ纯水经过五次冲洗并进行两次有机脱水剂脱水。

涂覆保护层

经过脱水烘干等工序对晶粒进行涂胶保护，使用耐高温耐高压的PI胶(聚酰亚胺)涂覆，一次性涂覆。

保护层固化

采用阶梯升温的方法固化6～10小时形成保护层，对管芯进行保护。

塑封

采用不含卤素的熔融性硅微粉作为环氧树脂封装填料，通过热注塑成型。

引线上锡。

在铜引线上镀一层纯锡，提高可焊性。

检测包装

通过检测分类后，在塑封上打字即形成成品。

由图3所示的本例整流二极管结构可见，由于管芯形状为正四棱柱和正四棱台的组合体，在涂覆保护层3时，正四棱柱和正四棱台结合部保护层厚度d比较大，而此处恰恰是电场梯度最大处，较厚的保护层，有利于提高器件耐压。本例整流二极管引线5采用合金铜引线，与晶粒两端的镀镍欧姆接触层连接可靠，接触电阻低。本例二极管塑封层4由添加了熔融性硅微粉的环氧树脂通过热注塑成型，塑封层与引线结合更好，热膨胀系数小，应力小，电介强度很高，密封性能很好，完全能满足超高压二极管的耐压要求。

Claims (10)

1.整流二极管制造方法，包括如下步骤：

a、在N-型单晶硅片一面扩散5价元素，形成N+层；

b、在所述单晶硅片另一面扩散3价元素，经过2次扩散分别形成P-层和P+层；

c、在所述N+层和P+层表面形成欧姆接触层；

d、对上述加工完成的硅片进行切割，得到管芯；

e、对所述管芯进行腐蚀，消除切割伤痕并形成管芯形状；

f、对管芯进行清洗后，在N+层和P+层表面形成的欧姆接触层上焊接引线；

g、涂覆保护层；

h、塑封成型。

2.根据权利要求1所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述管芯形状为直棱柱和直棱台的组合体，所述直棱柱底面和直棱台上底面连接，并具有相同形状和大小，其棱相互对接，所述直棱柱自上而下由N+层和N-层构成，所述直棱台自上而下由P-层和P+层构成。

3.根据权利要求2所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述直棱柱和直棱台分别为正四棱柱和正四棱台。

4.根据权利要求1所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述5价元素为磷。

5.根据权利要求1所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述3价元素为硼。

6.根据权利要求1所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述欧姆接触层由镀镍层构成。

7.根据权利要求6所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述镀镍层采用2次镀镍工艺形成，第一次镀镍后在氢气氛下进行合金化，生成一层镍硅合金，第二次在镍硅合金上再镀一层镍。

8.根据权利要求6所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述引线为铜线。

9.根据权利要求1所述的整流二极管制造方法，其特征在于，所述保护层由聚酰亚胺构成。

10.根据权利要求1所述的整流二极管制造方法，其特征在于，步骤h中，塑封成型采用熔融性硅微粉作为环氧树脂塑封填料进行塑封成型。

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