CN104269356A - 一种50a大电流快恢复二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种50A大电流快恢复二极管的制作方法，包括：提供N型半导体硅材料作为半导体衬底；在N型半导体衬底上掺杂N+型杂质；去除半导体衬底一面的N+型杂质层；在暴露出的N-型半导体材料上再双杂质掺杂P+型杂质；再采用高温扩散的方法进行重金属铂掺杂；进行第一次掩膜光刻；在钝化槽中刮涂玻璃粉，高温烧结成型，完成PN结玻璃钝化；采用真空溅射法，在硅片两面制作多层金属化层；进行第二次掩膜光刻；将硅片分割成独立的管芯；将芯片与引线组件冶金键合在一起；采用烧结的方法将芯片、引线组件与管座冶金键合在一起；采用储能焊，将管帽与底座封焊成型。本发明受环境影响小，工艺成熟、稳定、重复性好，可广泛用于大电流恢复二极管的大批量生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种50A大电流快恢复二极管的制作方法。
背景技术
大电流快恢复二极管以其工作电流大(50A以上)、正向电压小(1.4V以下)、反向恢复时间短(100ns)的特点，被广泛应用于电子线路、电源系统等的整流作用，尤其是大功率的开关电路更是必不可少。
由于所有的电子线路、电源系统在工作时都会发热，因此电路中电子元器件的高温工作稳定性就成为考核产品质量和可靠性的重要技术指标，作为整流作用的大电流快恢复二极管的高温工作稳定性更是直接影响输出电流的稳定性，从而决定电路、电源能否正常工作。而大电流快恢复二极管的高温工作稳定性主要是由产品的PN结台面钝化工艺决定。
目前国内外普遍采用聚酰亚胺钝化PN结台面，该工艺具有工艺简单、成本低、批产量大等优点，但由于聚酰亚胺是有机高分子钝化材料，温度稳定性差，采用该工艺的产品PN结钝化效果差，反向漏电流高温下比较大，产品耐温度冲击等环境适应性的能力较差，长期工作的稳定性也不理想。
在实际使用中还发现，现有技术形成的大电流恢复二极管还存在电流较小(一般都在50A以下)，反向恢复时间过大的问题，不能满足大电流高频电路的使用。
第三，现有技术形成的大电流恢复二极管封装多为玻璃封装、塑料封装，在实际使用中不能满足有高低温变化、有较强机械应力及且有辐照的环境使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种50A大电流快恢复二极管的制作方法，解决了现有技术中存在的问题，制作的50A大电流快恢复二极管受环境影响小，工艺成熟、稳定、重复性好。
为解决上述问题，本发明实例提供一种50A大电流快恢复二极管的制作方法，包括：
步骤S101，提供N型半导体硅材料作为半导体衬底；
步骤S102，采用高温扩散的方法在N型半导体衬底上掺杂N+型杂质，扩散温度为1000℃～1200℃；
步骤S103，采用磨片的方法去除半导体衬底一面的N+型杂质层，暴露出N-层，为掺杂P+型杂质做准备；
步骤S104，采用高温扩散的方法在暴露出的N-型半导体材料上再双杂质掺杂P+型杂质，形成PN扩散结，扩散温度为1000℃～1200℃，P+型杂质扩散结深达到30μm～70μm；
步骤S105，再采用高温扩散的方法对掺杂好的硅片进行重金属铂掺杂，重金属铂掺杂后扩散温度为800℃～900℃；
步骤S106，进行第一次掩膜光刻，刻蚀暴露出PN结钝化槽，PN结钝化槽槽深40μm～80μm；
步骤S107，采用高低温交替烧结和多次刮涂的工艺，在钝化槽中刮涂玻璃粉，并经过高温烧结成型，烧结温度为700℃～800℃，完成PN结玻璃钝化；
步骤S108，采用真空溅射的方法，在硅片两面制作多层金属化层Ti/Ni/Ag，金属化层厚度为
步骤S109，进行第二次掩膜光刻，刻蚀掉玻璃钝化槽上的金属化层，刻蚀后去除光刻胶；
步骤S110，采用机械分割的方法，将硅片分割成独立的管芯；
步骤S111，采用烧结的方法将芯片与引线组件冶金键合在一起，烧结温度为280℃～380℃；
步骤S112，采用烧结的方法将芯片、引线组件与管座冶金键合在一起，烧结温度为280℃～380℃；
步骤S113，采用储能焊将管帽与底座封焊成型，即完成大电流二极管的制作。
进一步地，在N型半导体衬底上掺杂N+型杂质为磷的化合物，所述磷的化合物为P2O5或磷烷。
进一步地，在暴露出的N-型半导体材料上再双杂质掺杂P+型杂质为硼的化合物和铝的化合物，所述硼的化合物为B2O3、BF或硼烷，铝的化合物为AlNO3。
进一步地，步骤S105中，所述重金属铂掺杂，铂材料按照质量比为氯铂酸：酒精＝0.1～1g：1000ml的比例配制。
进一步地，步骤S106中，进行第一次掩膜光刻，先进行光刻开槽版图对版标记，然后采用腐蚀液开槽腐蚀3～4min，将腐蚀槽置于冰水混和物中控制腐蚀温度至0℃，刻蚀暴露出PN结钝化槽。
进一步地，所述腐蚀液按照下述体积比的原料配制：
冰乙酸:HF:HNO3＝1～2:2～5:4～10。
进一步地，步骤S107中，采用高低温交替烧结和多次刮涂的工艺方法为：先将玻璃粉刮涂在PN结钝化槽中，然后采取高温为820℃烧结6min，再采用低温为510℃，烧结10min，之后再进行玻璃粉刮涂、高低温烧结，重复多次。
进一步地，步骤S109中，刻蚀玻璃钝化槽上的金属化层采用多种腐蚀液分次腐蚀，进行多层金属化层Ag/Ni/Ti刻蚀，刻蚀Ag时间为1～10min，刻蚀Ni在40-80℃水浴中5～15min；刻蚀Ti时间为1～10min。
进一步地，所述多种腐蚀液包括：
腐蚀Ag腐蚀液为体积比的氨水：双氧水＝1：1；
腐蚀Ni腐蚀液为体积比的三氯化铁：无水乙醇＝1:1.5；
腐蚀Ti腐蚀液为体积比的HF：冰乙酸：水＝1:1:4。
进一步地，步骤S109中，刻蚀后去除光刻胶，使用剥离液，在30℃～80℃水浴中进行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实例通过光刻刻蚀工艺去除管芯之间的硅材料，暴露出PN结沟槽，再在沟槽内填充玻璃粉，实现对所述管芯PN结进行玻璃钝化。比现有方法制备的产品减小了PN结的反向漏电流，提高了高温工作的稳定性。同时，由于PN结的深结工艺，使产品具有较好的抗辐照性能。
本发明实例通过硼铝双杂质扩散工艺，实现深结掺杂，使产品在保证大电流的前提下，有效提高反向电压范围。
本发明实例通过重金属掺杂，减小了产品反向恢复时间。
本发明实例通过采取DO-213AB金属螺栓型封装，解决了玻璃封装无法实现大体积、塑料封装稳定性和可靠性低的问题。
采用本发明工艺方法，玻璃钝化台面结构及工艺技术替代聚酰亚胺钝化PN结台面，有效的提高了产品的高温工作稳定性，经125℃高温下测试反向漏电流，聚酰亚胺钝化产品反向漏电流比采用现有方法减小了数倍，温度循环和温度冲击等试验都达到了国军标及美军标要求。
采用本发明工艺的产品采用深结扩散技术，以高温工作稳定好，长期工作可靠性高，具有抗辐照性能等特点，在市场上无可替代，将成为大电流恢复二极管的生产方向。
本发明采用金属螺栓型封装，保证50A以上大电流恢复二极管的散热性能，安装方便、可靠。
该方法抗辐照指标填补了国内空白，且采用该方法制备的50A大电流二极管优于国外同类产品。本发明受环境影响小，工艺成熟、稳定、重复性好的特点，可广泛适用于大电流恢复二极管的大批量生产中。
采用本发明工艺生产的产品已广泛应用于航空、航天、电子、兵器、船舶等领域，以高质量、高可靠性的优点得到用户认可。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明大电流恢复二极管的制作方法流程示意图。
图2是本发明N型杂质掺杂示意图。
图3是本发明P型杂质掺杂示意图。
图4是本发明玻璃钝化示意图。
图5是金属化层示意图。
图6是芯片与引线组件冶金键合剖面图。
图7是芯片引线组件与管座冶金键合剖面图。
图8是管帽封焊剖面图。
图中：11是N型硅材料层，12是高浓度N型杂质掺杂层，13是高浓度P型杂质掺杂层，14是玻璃钝化槽，15是多层金属化层，16是键合部位，16-1为引线柱，16-2为上电极，16-3为管芯，16-4为下电极，17-1为下管帽，17-2为上管帽，17-3为冲凹，18是焊接部，18-1为封帽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
结合图1的流程图对本发明的方法步骤进行说明：
一种50A大电流快恢复二极管的制作方法，包括下述步骤：
步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底为N型半导体硅材料，可根据不同的反向电压选择不同的材料电阻率；见图2的N型硅材料层11。
步骤S102，在N型半导体衬底上掺杂N+型杂质(磷的化合物，例如P2O5或磷烷)，一般采用高温扩散的方法实现，扩散温度在1000℃～1200℃；见图2的高浓度N型杂质掺杂层12。
步骤S103，采用磨片的方法去除半导体衬底一面的N+型杂质层，暴露出N-层，为掺杂P+型杂质做准备。
步骤S104，在暴露出的N-型半导体材料上再双杂质掺杂P+型杂质(硼的化合物，例如B2O3、BF或硼烷，和铝的化合物，例如AlNO3)，也可采用高温扩散的方法形成PN扩散结，扩散温度在1000℃～1200℃，保证扩散结深达到30μm～70μm；见图3的高浓度P型杂质掺杂层13。
步骤S105，对掺杂好的硅片，再采用高温扩散的方法进行重金属(铂)掺杂，铂材料按照质量比为氯铂酸：酒精＝0.1～1g：1000ml的比例配制。扩散温度在800℃～900℃，具体温度点按反向恢复时间要求调整。
步骤S106，进行第一次掩膜光刻，刻蚀暴露出PN结钝化槽，槽深40μm～80μm；具体方法为：首先在设计光刻开槽版图时对版标记，其次在开槽腐蚀时，首先在设计光刻开槽版图的对版标记时，为解决毛面硅片二次对版困难的问题，就需要在合理的版图面积内，尽量扩大对版标记尺寸，设计的对版标记形状醒目、易于二次对版。其次在开槽腐蚀时，调整腐蚀时间为3～4min，为减缓腐蚀速度，采用将腐蚀槽置于冰水混和物中控制腐蚀温度至0℃，腐蚀液为冰乙酸、HF、HNO3＝1:2:4(体积比)的混合物，有效的控制横向腐蚀，解决毛面硅片横向腐蚀速度过快的问题。
通过大量试验，不断调整腐蚀液的配比，确定出最佳条件，既能保证纵向结深的要求，又可以控制毛面硅片横向腐蚀速度过快的问题。见图4的玻璃钝化槽14。
步骤S107，采用高低温交替烧结和多次刮涂的工艺，先将玻璃粉刮涂在PN结钝化槽中，然后采取高温为820℃烧结6分钟，再采用低温为510℃，时间10min进行多次刮涂、高低温烧结，重复多次；在钝化槽中刮涂玻璃粉，并经过高温烧结成型，烧结温度为700℃～800℃，完成PN结玻璃钝化；为保证深槽(40μm～80μm)玻璃粉的填充质量和钝化质量；见图4的玻璃钝化槽14。
步骤S108，采用真空溅射的方法，在硅片两面制作多层金属化层Ti/Ni/Ag，金属化层厚度为见图5的多层金属化层15。
步骤S109，进行第二次掩膜光刻，刻蚀掉玻璃钝化槽上的金属化层；见图5的多层金属化层15；本发明掩膜光刻是在原始硅片进行，因为电流很大50A，管芯面积也必须很大，为保证管芯与外壳大面积粘润性，必须在原始硅片上制作金属化层，因此不能抛光。方法是首先在设计光刻开槽版图时对版标记，其次在开槽腐蚀时，在反刻金属化层时，采用多种腐蚀液分次腐蚀进行多层金属化刻蚀。
由于正面金属化层要作为大面积冶金键合的焊料使用，因此正面金属必须采用多层金属化，在多层金属化反刻时就是技术难点之一。多层金属分别为Ti、Ni、Ag，刻蚀时采用的腐蚀液、腐蚀时间都不相同，分别为：
腐蚀Ag控制条件为：腐蚀液配比：氨水：双氧水＝1：1(体积比)
腐蚀时间：1～10min；
腐蚀Ni控制条件为：腐蚀液配比：三氯化铁：乙醇＝10g：5ml
腐蚀时间：5～15min；
腐蚀Ti控制条件为：腐蚀液配比：HF：冰乙酸：水＝1:1:4(体积比)
腐蚀时间：1～10min。
刻蚀后光刻胶的去除也是本发明的技术难点之一，由于本发明管芯反刻是在多层金属化层上进行，去除光刻胶时，为保护多层金属化层不受腐蚀，不能使用常规的腐蚀性液体，因此通过大量的工艺试验和不同材料的实验，确定出最佳的去胶条件：使用剥离液(购自昆山市鼎丰化工有限公司)，在30℃～80℃水浴中进行。
步骤S110，采用机械分割的方法，将硅片分割成独立的管芯。
步骤S111，采用烧结的方法将芯片与引线组件冶金键合在一起，芯片与外引线冶金键合丝为高纯铝丝，烧结温度为280℃～380℃；见图6的键合部位16，其中，16-1为引线柱，16-2为上电极，16-3为管芯，16-4为下电极。
步骤S112，采用烧结的方法将芯片、引线组件与管座冶金键合在一起，烧结温度为280℃～380℃；见图7的17-1为下管帽。
步骤S113，采用储能焊，将管帽与底座封焊成型。封装采用DO-203A美制螺纹螺栓型封装，由于该封装的产品内部零组件很多，封装过程繁琐，同时不能损伤外部螺纹，因此为保证封装质量，采用管芯与外壳大面积烧结技术和多次多套模具烧结，最后采用储能封焊技术完成封装；见图8的焊接部18，其中，17-2为上管帽，17-3为冲凹，18-1为封帽。
本发明的实例产品与国内外产品的技术指标对比：
| 性能测试 | IR1(μA) | VF(V) | trr(ns) | 外形 |
| 国内已有产品 | IR1≤10μA | VF≤1.5V | ≤160 | DO-5 |
| 本发明产品 | IR1≤1μA | VF≤1.3V | ≤95 | DO203AB |
从上表对比可以看出，与国内外产品相比，在技术指标、质量、可靠性上，均优于国内、外同类产品。与国外同类产品在经过100Krad(si)的稳态总剂量辐照后的电参数变化对比，100Krad(si)的总剂量辐照试验后，本发明的实例产品的主要电参数变化量与国外同类产品接近，产品VF和IR指标的变化也明显小于国外对比产品。本发明的实例产品采用的美制细牙螺纹封装全仿进口产品封装外形，填补了国内市场大电流恢复二极管的空白，可直接替代进口。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种50A大电流快恢复二极管的制作方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
步骤S101，提供N型半导体硅材料作为半导体衬底；
步骤S102，采用高温扩散的方法在N型半导体衬底上掺杂N+型杂质，扩散温度为1000℃～1200℃；
步骤S103，采用磨片的方法去除半导体衬底一面的N+型杂质层，暴露出N-层，为掺杂P+型杂质做准备；
步骤S104，采用高温扩散的方法在暴露出的N-型半导体材料上再双杂质掺杂P+型杂质，形成PN扩散结，扩散温度为1000℃～1200℃，P+型杂质扩散结深达到30μm～70μm；
步骤S105，再采用高温扩散的方法对掺杂好的硅片进行重金属铂掺杂，重金属铂掺杂后扩散温度为800℃～900℃；
步骤S106，进行第一次掩膜光刻，刻蚀暴露出PN结钝化槽，PN结钝化槽槽深40μm～80μm；
步骤S107，采用高低温交替烧结和多次刮涂的工艺，在钝化槽中刮涂玻璃粉，并经过高温烧结成型，烧结温度为700℃～800℃，完成PN结玻璃钝化；
步骤S108，采用真空溅射的方法，在硅片两面制作多层金属化层Ti/Ni/Ag，金属化层厚度为
步骤S109，进行第二次掩膜光刻，刻蚀掉玻璃钝化槽上的金属化层，刻蚀后去除光刻胶；
步骤S110，采用机械分割的方法，将硅片分割成独立的管芯；
步骤S111，采用烧结的方法将芯片与引线组件冶金键合在一起，烧结温度为280℃～380℃；
步骤S112，采用烧结的方法将芯片、引线组件与管座冶金键合在一起，烧结温度为280℃～380℃；
步骤S113，采用储能焊将管帽与底座封焊成型，即完成大电流二极管的制作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在N型半导体衬底上掺杂N+型杂质为磷的化合物，所述磷的化合物为P2O5或磷烷。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在暴露出的N-型半导体材料上再双杂质掺杂P+型杂质为硼的化合物和铝的化合物，所述硼的化合物为B2O3、BF或硼烷，铝的化合物为AlNO3。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S105中，所述重金属铂掺杂，铂材料按照质量比为氯铂酸：酒精＝0.1～1g：1000ml的比例配制。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S106中，进行第一次掩膜光刻，先进行光刻开槽版图对版标记，然后采用腐蚀液开槽腐蚀3～4min，将腐蚀槽置于冰水混和物中控制腐蚀温度至0℃，刻蚀暴露出PN结钝化槽。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述腐蚀液按照下述体积比的原料配制：
冰乙酸:HF:HNO3＝1～2:2～5:4～10。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S107中，采用高低温交替烧结和多次刮涂的工艺方法为：先将玻璃粉刮涂在PN结钝化槽中，然后采取高温为820℃烧结6min，再采用低温为510℃，烧结10min，之后再进行玻璃粉刮涂、高低温烧结，重复多次。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S109中，刻蚀玻璃钝化槽上的金属化层采用多种腐蚀液分次腐蚀，进行多层金属化层Ag/Ni/Ti刻蚀，刻蚀Ag时间为1～10min，刻蚀Ni在40-80℃水浴中5～15min；刻蚀Ti时间为1～10min。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多种腐蚀液包括：
腐蚀Ag腐蚀液为体积比的氨水：双氧水＝1：1；
腐蚀Ni腐蚀液为体积比的三氯化铁：无水乙醇＝1:1.5；
腐蚀Ti腐蚀液为体积比的HF：冰乙酸：水＝1:1:4。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S109中，刻蚀后去除光刻胶，使用剥离液，在30℃～80℃水浴中进行。
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