CN1051645C - 半导体二极管元件的芯片与主绝缘壳体件结构及其制法 - Google Patents

Abstract

利用连结型二极管主绝缘壳体构件可制作适于大量生产并适合元件或组件装配使用的二极管芯片与主绝缘壳体构件，其上每一单元制备一个或多个芯片安装座，用粘结材料涂覆二极管芯片并将其粘结在安装座中。从而得到结构新颖、制造装配成本低、并适合自动化大量生产的性能优良的二极管制品。依据本发明所提供的硅半导体二极管元件及组件的芯片与主绝缘壳体构件是一种以芯片与主绝缘壳体主要结构件直接组合为特征的结构。

Description

半导体二极管元件的芯片与主绝缘壳体件结构及其制法

本发明涉及一种硅半导体二极管元件，特别涉及一种结构简单、制作容易的硅半导体二极管元件芯片与主绝缘壳体件结构，并提供配合此种结构的新颖的制造方法。本发明的结构及其制造方法亦适用于芯片呈片形的其他二极性电子元件及电路组件。

在电子工业中，硅半导体二极管(Silicon SemiconductorDiode)是一种需求数量庞大的有源元件。然而由于二极管应用广泛、使用量大，因此如何设计一种可以更高效率大量生产并降低成本的二极管成为一项产业界亟需追求的目标。

常规的硅半导体二极管的设计与制造方法中，芯片均与导电件预先组合在一起。而主绝缘壳体与芯片-导电件的组合结构可分三大类：

1)主绝缘壳体采用分立另件形式：

实际之例包括：金属罐型封装(Metal Can Package)，玻璃管二次熔封型封装(Glass Tube Two Step Seals Package)及玻璃管一次熔封型封装(Glass Tube-Double Plug SimutaneonsSeal Package)等。此类封装之主绝缘壳体件不与芯片直接作结构性组合，而是与导电件结构组合。

2)使用型模将壳体原料加以铸型而制成主绝缘壳体：

此种制法中，其芯片与导电件的组合半制件被嵌置于型模之中，以铸型方式制成的壳体则封于此半制件上。铸型壳体所适用的材料通常为热固型树脂，其他需较高温或高压施工的更优良材料。如陶瓷或玻璃纤维强化树脂等，则因其半制件之耐温及机械强度的限制而无法采用。

3)将主绝缘壳体裹涂于导电件及芯片所组成的半制件上而形成者：

如以液状树脂灌铸成型的壳体；用玻璃粉浆剂裹涂并经玻璃化烧结制成的球型壳体(Glass Beaded Rectifier)；共形的粉状树脂热熔涂覆(Conformal Epoxy Powder Coating)制成的覆层壳体。其中玻璃烧成的球形密封壳体具有极高的性能，然而此壳体封装需于芯片两端以高温硬焊之方式制备二个电极，它们由钼质或钨质或其他热膨胀系数与硅及钝化玻璃相近、且具有高导电、导热性能的合金制成，以构成玻璃熔接部位。

在上述三种方式中，以玻璃粉浆裹涂及烧结方式制成的绝缘体性能较高，但此种构造的零件及成本均高。至于其余方式均无法得到性能较高的制品。

最后，常规的设计多采用散件形式的零件，需使用多种模具，无法高度自动化，成本也不易降低，这些是现有技术的共同缺点。

本发明之目的在于提供一种硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体构件的结构及其制造方法，这种结构和方法可以使用无法于半制件上加工的材料来制造壳体。

本发明之目的还在于提供一种可实现高效率工业化生产方式的硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体构件的结构及其制造方法。

本发明之目的也是提供一种硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体构件的结构及其制造方法，这种结构与方法可易于在连接芯片与主绝缘壳体主要结构件的同时完成芯片切面的护封工艺，从而简化了芯片的切面涂覆工序。

本发明之目的还在于提供一种硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体构件的结构及制造方法，这种结构和方法可使芯片之P-N结切口在后续各项工艺过程中获得较佳的保护，从而使制成品有更佳的性能。

经本发明人发现，利用一种连结型的二极管主绝缘壳体构件，其上每一单元制备一个或一组安装座，并用粘结材料将二极管芯片护封及固定于安装座中，即可制作适于大量生产并合于装配使用的二极管芯片与主绝缘壳体构件。利用此种二极管芯片与主绝缘壳体构件以组装二极管元件或组件可获得优良的结构，并可降低制造、装配成本，适合于自动化大量生产，且可制成性能优良的二极管。

依据本发明所提供的硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体的构件是一种以芯片与主绝缘壳体主要结构件直接组合为特征的一种结构，与周知的各类设计及制造方法完全不同。其优点如下：

1)单独制备主绝缘壳体主要结构件，如此，则效率较高、成本较低，且可采用在芯片及导体无法承受的加工条件下制作的材料(如氧化铝含量高的陶瓷或玻璃纤维强化树脂等)来制造。

2)由粘结材料把芯片与主绝缘壳体主要结构件粘接成一种半制件结构，可以同步完成芯片切面的涂覆工艺。

3)能妥善分隔芯片的正负电极，有利于各项后续工序。

4)适当地设计主绝缘壳体的主要结构件的形状，将其制成条型或大片型连结件形式，适合自动化大量生产。

5)将主绝缘壳体主要结构制成管形可成为完整的壳体，进而大幅度简化二极管的制造。

6)将主绝缘壳体主要结构件制成片形，则可采用其他的片形零件，以高效率的积层工艺制成良好的封装。

本发明的制造方法不但适用于半导体二极管元件及组件，也可广泛用于其他各种芯片呈片状的二极性电子元件及电路组件。

本发明上述及其他目的与优点，可由以下参照附图的说明而更为清晰：

图1表示本发明硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体构件之结构的正视图。

图2表示沿图1中A-A线的截面图。

图3表示本发明硅半导体二极管元件制造方法一实施例的流程图。

图4为本发明应用在插件针端子型硅整流二极管的硅半导体二极管元件的正视图。

图5为沿图4中B-B线之截面图。

图6表示一种插件针端子型硅整流二极管成品的截面图。

图7为本发明应用在表面粘接型硅整流二极管的硅半导体二极管元件的正视图。

图8为沿图7中C-C线之截面图。

图9显示用本发明的硅半导体二极管芯片主绝缘壳体构件制成的表面粘接型硅整流二极管。

图10表示本发明应用在铝瓷板片型半导体二极管的硅半导体二极管元件的结构图。

图11表示利用本实例方法制成的铝瓷板片型半导体二极管。

图12表示利用本发明方式得到的半导体二极管元件的组件结构图。

图1表示本发明硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体构件结构的正视图，图2为其沿A-A线的截面图。

如图所示，本发明的硅半导体管芯片与主绝缘壳体构件具有一主绝缘壳体主要结构件(1)、一硅半导体二极管芯片(3)以及一粘结材料(2)。

本发明所用的半导体二极管芯片包括：

(1)经芯片分别切割(Chip Seperation)及使P-N结裸露(Open Junction)并经化学抛光与氧化处理(Chemical Polish andOxidation Treatment)的二极管芯片。

(2)已经P-N结保护涂覆的二极管芯片(Junction CoatedChip)。

而在主绝缘壳体方面，可以选用适合的材料制成其主绝缘壳体主要结构件(Main Insulation Body Part)。此一结构件上备制有芯片安装座(Chip Mounting Site(s))，安装座具有粘结面(Bonding Surface)。在芯片的切断面与该粘结面之间用粘结材料粘结后，芯片的正负电极部位(Positive and NegativeElectrods)不为粘结材料所覆盖，并形成有可供电气连接件(Conducting Parts)安装的开放空间(Open Space)。

通常，铝瓷板及玻璃纤维强化树脂板即为两种适于本发明的主绝缘壳体的材料。

在本发明的一个实施例中，主绝缘壳体呈连结件形式，可在其上制备多个元件或组件单元，以备用。

粘结材料(Bonding Material)放置于芯片切断面与芯片安装座的粘结面之间，用于将芯片于芯片安装座粘结在一起。

若将本发明所提供的新颖结构应用于粘结安装未经P-N结涂覆的芯片的情形，粘结材料即可作为P-N结涂覆材料(JunctionCoating Material)。

本发明的实施例中所用的粘结材料可以是任何适用的材料。例如钝化玻璃粉即为一种适用的材料。

以下说明本发明的硅半导体二极管元件的制法。

图3表示适用于本发明的硅半导体二极管元件制造方法之流程图。

在步骤(101)，先制备一多元连结形式的主绝缘壳体连结件(1)。通常，陶瓷基板或纤维玻璃板均为适用的主绝缘壳体材料。在步骤(102)，在基板(1)上制备安装座(1a)。即，在基板(1)上制成尺寸适合的圆孔、锥形孔或方形孔。芯片(3)是预先制备的。可以利用喷砂切割成型的圆锥台形芯片，或以芯片锯切割成形的方形芯片，并经化学抛光与氧化等预处理后备用。在步骤(103)，利用定位定型工具将粘结材料(2)施加于安装座(1a)之上，并于步骤(104)在粘结材料(2)预定型之后移开定位工具。粘结材料(2)可以是钝化玻璃、粘结玻璃(适用于陶瓷基板)或树脂型P-N结涂覆剂(适用于纤维基板)。

在步骤(105)利用适当方法将芯片(3)置入定位座之中。可行的作法之一是用真空吸管置入。

在本发明另一实施例中，于步骤(103)将芯片(3)软焊于端子导件上，在步骤(104)将芯片(3)定位于定位座(1a)内，再于步骤(105)施加粘结材料(2)。

在本发明又一实施例中，定位座(1a)制成锥形孔，其一端直径大于芯片(3)之直径，另一端开口直径则小于芯片(3)之直径。如此可以使定位更加精确。

在步骤(106)对(105)完成的组件作热处理。对于树脂型粘结材料是使粘结材料固化；如为钝化玻璃，则将玻璃烧结。此步骤亦同时完成芯片(3)P-N结的钝化涂覆与粘接安装。在步骤(107)，在芯片两端安装端子，完成电连接。如有另外的封装、封铸之必要，则在步骤(108)完成此工艺。

由于芯片(3)是先与制成连结构件的主绝缘壳体(1)粘结安装在一起的，其后之加工程序即可在此固定件上加工。因此可以降低各种生产条件的要求，适合大量自动化生产，并提高合格率。

下面以实例说明本发明硅半导体二极管组件的构造及制造方法。

[实施例1]

本发明应用于插件针端子型硅整流二极管(Insertion PinType Silicon-Rectifier)之例：

图4为本发明应用在插件针端子型硅整流二极管中的硅半导体二极管元件的正视图；图5为其沿B-B线的截面图。以下参照图4和图5说明其结构与制作过程。

1)芯片(3)：采用喷砂切割(Sand Blasting Chip Cut)成型之圆锥台形芯片(Round Mesa Shaped Chip)。芯片先经化学抛光与氧化处理，以待安装。

2)主绝缘壳体主要结构件(1)：采用氧化铝含量高的瓷板(High Alumina Ceramic Plate)，制备有预先切出的沟(Per-Scored)，形成多个元件单元的连结件(Connected Parts)。图4为显示其单一单元的正视图，图5为其截面图。每个元件单元备制一通孔(Through Hole)型芯片安装座。如图4、5所示。

3)粘结材料(2)：采用硅半导体钝化玻璃粉(PassivationGlass Powder)。用纯水调制成糊状备用。

4)用特殊的工具(例如定型柱针)将糊状玻璃粉定量施加在芯片安装座(1a)之孔壁上，再将芯片(3)安置于孔内，使切断面与糊状玻璃粉接触。将完成芯片安装的瓷板(1)送入电炉加热，以烧结玻璃，同时完成芯片P-N结的钝化和涂覆(Passivation andCoating)，以及芯片的粘结安装。

5)进行后续的端子安装、电连接、外绝缘层封装等工序而制成成品。

图6即为一种插件针端子型硅整流二极管成品的截面图。以适当方式在由上述(1)-(4)步骤完成的硅半导体二极管芯片与主绝缘壳体构件的二极管(3)之开放空间施以焊锡(5)，将导电件及插件针端子构件(4)连接于其上并以绝缘树脂(6)覆盖住，即成为一种适合插件加工的二极管元件成品。

[实施例2]

本发明应用于表面粘接型硅整流二极管(SMD Type SiliconRectifier)之例：

图7为本发明应用在表面粘接型硅整流二极管之硅半导体二极管元件的正视图；图8为其沿C-C线的截面图。以下说明其结构与制作过程。

1)芯片(3)：采用芯片锯(Dicing Saw)切割成型的方形芯片。将芯片与导体架(8)软焊连接在一起，再经化学抛光与氧化处理，如图7、8所示。

2)主绝缘壳体主要构件(1)：采用玻璃纤维强化树脂板材料(Fiber Glass Reinforced Resin Plate)制备成条形或大张形连结件形式(Connected Parts)，每一二极管单元制有一通孔型芯片安装座，如图7、8所示。

3)粘结材料(2)：采用P-N结涂覆剂(Junction CoatingResin)，如硅氧烷(Siloxane)等。

4)将焊接于芯片(3)一端之端子导体穿入主绝缘壳件(6)主要结构件(1)的芯片孔(1a)，使芯片(3)定位于芯片孔(1a)中。再将P-N结涂覆剂施于芯片(3)与芯片孔(1a)之间，并予以固化(Cure)。

5)最后再以粘结剂将两侧盖板(8)安装好，即完成本发明的硅半导体二极管元件。

图9显示本发明的硅半导体二极管组件所制成的表面粘接型硅整流二极管组件。其制作方法是用粘接剂(Adhesive)(6)由在(1)-(4)完成的二极管芯片与主绝缘壳体构件上粘结有上、下两层玻璃纤维树脂板材质的盖板(Cover Plates)(9)，并予以固化。接着将露出在壳体外的端子部分(8)折压形成端子，即成为一种适于作为表面粘接元件的硅整流二极管成品。

依此方式制成的二极管即可以进行后续的电参数检测、切断分件、分级包装等工序而制成工业规格品。

[实施例3]

铝瓷板片型半导体二极管：

图10表示本发明应用在铝瓷板片型半导体二极管的硅半导体二极管元件的结构图。以下说明其制作过程。

1)芯片(3)切面抛光：在芯片(3)原片两面真空蒸镀铝膜，用固件胶将遮蔽片贴于芯片原片(3)的表面，把固件胶涂抹于底面将其固定于一底板上。以研磨砂喷击芯片原片(3)将其磨切形成圆锥台形管芯片。以溶剂溶化并除去固件胶，分离集取切得之管芯片，并用酸性抛光剂抛光管芯片。

2)钼电极焊接：将负极钼电极(31)置于芯片(3)之表面，并将正极钼电极(32)置于芯片(3)之底部，在电炉中加热至铝膜溶接住芯片(3)与钼电极(32)。

3)焊成组件芯片切面抛光及氧化：用酸性抛光剂抛光芯片(3)之切面，并以氧化剂氧化芯片(3)之切面。

4)安装芯片焊成组件及填入玻璃粉浆：将铝瓷基板(1)制成二极管壳体单元片(1)，将管芯片焊成组件安装于管芯孔(1a)中。将玻璃粉以纯水调制成浆状，填入芯片焊成组件与铝瓷基板管芯孔(1a)的间隙中。在电炉中加热烧结玻璃粉(2)，使管芯片(3)得以涂覆，并与管芯片组件和管芯孔壁(1a)接触。

5)电极、覆层及烧结：以网印机将厚膜银膏印制在基板与芯片组件的上、下两面并烧结，形成电极(71)(72)。续以丝网印刷方式，将厚膜玻璃膏印制并烧结制在上、下两面上形成覆层玻璃(81)(82)。

6)端子印制、烧结及端子蘸锡：以厚膜银膏印刷端子(9)(10)，并予烧结。把端子(9)、(10)及电极(71)、(72)之露出部分热浸入熔融的锡。最后压折使各个二极管沿基板上预切半切口折断而分件。

7)可用自动机械进行检测、分选及包装制成的铝瓷板片型半导体二极管组件，而成规格品。

图11表示利用本实例方法制成的铝瓷板片型半导体二极管组件。

[实施例4-7]

可对上述之制造方法略作调整，应用下列各型封装的元件及组件。

1)轴向引线二极管(Axial Lead Diode)

2)多芯片高压二极管(Multi-Chip High Voltage Diode)

3)桥式整流二极管(Bridge Rectifier)

4)二极管阵列组件(Diode Array Module)

当然，其他适合以相同方式涂覆的二极性电子元件均可能利用相同的步骤制备完成。

[实施例8]

本发明的二极管元件应用在桥式整流组件的实例：

本发明不但具有上述不同组构方法与步骤的优点，在应用的方便程度上也有提高。以下说明本发明的二极管元件应用在桥式整流组件制品的应用例。

1)制备主绝缘壳体主要结构件，使其具有四个芯片安装座。

2)依据前述实施例1-8所示之步骤将芯片安装粘结于该主绝缘壳体上。

3)之后，进行导电件的安装，使与芯片分别焊接构成整流电桥的电路，并形成输入之～、～，输出之+、-(正、负)四个外接端子部。图12表示利用上述方式得到的半导体二极管元件之组件结构图。

4)最后，制作覆层涂装或接着覆层盖板而完成制作。

在此工业应用例中，主绝缘壳体主要构造件、导电件及覆层盖板可制成包含多个单元连结件的大片基板。芯片安装粘结之后，将导电件与芯片焊接，再将盖板安上。导电件之外端子部透过预留的端子孔加工成型。

利用上述方法制成的硅半导体二极管元件，其基本结构仅有一主绝缘壳体、二极管芯片，以及粘结材料。主绝缘壳体本身既是加工工具，又是二极管之壳体。在本发明中，该粘结材料可以使用适合芯片P-N结涂覆的材料，兼有粘结和涂覆的功效，并可减少生产材料。

本发明所提供的方法，步骤简易。由于可以使主绝缘壳体主要结构件制备成多元的连结件形式，因此可易于建立完整的二极管大量生产方法，即以一次步骤加工多个元件，从而降低成本。

本发明的方法不但可用于具有P-N涂履层或不加涂履层的二极管芯片，更可用于多片叠合形式(Diode Chip Stack)的二极管芯片。此外，在壳体上不但可安置单一二极管芯片，也可安装多个二极管芯片，一次完成加工。同时，也可在壳体上印制电路导线或安装电路导体，成为特殊的二极管电路组件。

在应用上，二极管组件可以留有电极或供电连接件安装用的开放空间，也可制备成已安装了电连接件的壳体及导体组件。而所安装的电连接组件可以在芯片粘结安装前进行安装；也可在粘结后再进行安装。而在芯片粘结前安装的电连接组件也可预先安装在壳体上或预先与芯片连接，而后加以粘结，不一而足。

如上所述，本发明所提供的硅半导体二极管元件与常规的装置不同，具有新颖的结构，并能提高功能；而本发明所提供的硅半导体二极管的制作方法，大大简化了常规技术的制作过程，具有提高生产力、降低成本之功效。

Claims (3)

1.一种半导体二极管的芯片与主绝缘壳体件结构，包含：

一主绝缘壳体件，每一元件或组件单元设一个或多个芯片安装座；

一半导体二极管芯片，位于该芯片安装座内，被该主绝缘壳体包围并保持一适当距离；及

一粘结材料，用以将该半导体二极管芯片于切割侧面固定在该定位孔中；

其特征在于，所述粘结材料亦可采用该半导体二极管芯片的P-N结绝缘涂覆材料，且该粘结材料不涂覆于该半导体二极管芯片不与该芯片安装座相对的表面。

2.一种制造二极性电子元件芯片和主绝缘壳体构件的方法，包括：

制备一主绝缘壳体连接件；

在该连接件上每一元件单元制备一芯片安装座；

在该芯片安装座中置入粘结材料，将二极性电子元件芯片粘结于该芯片安装座中；及

其中，该粘结材料并不包覆该二极性电子元件芯片不与该主绝缘壳体连接件相对的表面。

3.一种制造多个二极性电子元件组成之电路组件的方法，包括：

制备一主绝缘壳体件，每一组件单元设有多个二极性电子元件芯片安装座；

制备组件所需的多个二极性电子元件芯片；以及

将一粘结材料置于每一芯片与芯片安装座之间，用以将各个芯片粘结于各安装座中，该粘接材料不涂覆于该芯片的不与该芯片安装座相对之表面。

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