CN107301949A - 一种采用钨电极制造高可靠瞬态电压抑制二极管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种采用钨电极制造高可靠瞬态电压抑制二极管的制造方法，包括管芯的制备、电极焊接、处理封装，采用了钨电极作为电极引线制造玻璃钝化瞬态电压抑制二极管，大大提升了器件的瞬态峰值功率，相同封装外形尺寸可以提升80％以上的瞬态峰值功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用钨电极制造高可靠瞬态电压抑制二极管的制造方法。
背景技术
瞬态电压抑制二极管是一种稳压二极管形式的高效瞬态电压保护器件，当瞬态抑制二极管受到反向瞬态高能量冲击时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，从而吸收较大的浪涌脉冲功率，并将电压箝制到预定水平，有效地保护电子线路中的精密关键元器件，免受高压浪涌脉冲的损坏，因此瞬态吸收功率是器件的重要技术指标。传统玻璃钝化瞬态电压抑制二极管的电极材料为钼，由于钼的散热能力较差，制造的瞬态电压抑制二极管瞬态功率不高，金属钼与混合酸的反应速率较快，不利于芯片台面的腐蚀清洗，同时金属钨的热膨胀系数比金属钼的热膨胀系数更小，与产品组件中硅和钝化玻璃的热膨胀系数更接近，提高了组件的热匹配性能，采用钨作为电极引线解决了钼电极制造瞬态电压抑制二极管的不利因素，在相同结构下产品的瞬态功率可以提升80％以上，较小的封装尺寸下能实现瞬态功率达到3000W的单、双瞬态电压抑制二极管，同时由于钨电极与混合酸的反应速率较慢，在芯片台面腐蚀清洗过程中更能获得更理想的芯片台面造型，提升了产品的成品率，由于钨的热膨胀系数与组件中的硅和钝化玻璃粉的热膨胀系数更接近，提升了器件的抗温度冲击能力，能在 -65～200℃下稳定工作，具有较高的环境适应性和可靠性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，管芯采用铝作为焊料，芯片采用深结扩散工艺，管芯与电极之间采用高温熔焊键合工艺，该芯片结构降低表面电场，同时在进行玻璃钝化封装前，采用酸、碱腐蚀工艺及钝化工艺对芯片台面进行保护，然后采用特殊玻璃粉进行高温钝化封装成型。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，包括管芯的制备、电极焊接、处理封装，其具体工艺方法为：
a、管芯制备：
a-1、通过深度扩散的在单晶硅片上形成PN结，通过电子束蒸发在PN结的P面和N面制备金属薄膜层；
a-2、通过吹砂切割将镀有金属薄膜层的单晶硅片吹砂成型；
a-3、采用清洗剂对切割好的管芯进行腐蚀清洗14～16min，腐蚀完成后的管芯用丙酮进行超声波清洗8～12min，再用酒精进行超声波清洗8～12min，然后脱水、烘干；
b、电极焊接：通过高温真空烧结将电极与金属引线烧焊成一个整体的电极引线，再电极引线、管芯、电极引线依次竖直叠放到石墨模具中，再将石墨模具放入真空烧结炉中将电极引线和管芯进行 600～800℃的高温熔焊键合。
c、处理封装：
c-1、使用酸腐蚀液对烧焊后的二极管进行酸腐蚀清洗5～20min；
c-2、将酸腐蚀后的二极管放入碱腐蚀液中腐蚀清洗3～5min；
c-3、使用冷、热去离子水交替冲洗10次；
c-4、放入温度为55～60℃的钝化液中钝化1～3min；
c-5、使用玻璃粉浆在二极管表面均匀涂覆形成均匀的球体，然后低温成型2～3h。
金属薄膜层的材料为铝，金属薄膜为管芯键和的焊料，其熔焊键和的温度为620～750℃。
所述金属薄膜层的单晶硅片吹砂成型成截面为梯形台面的管芯。
所述清洗剂按质量百分比是65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、 95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸按体积比8:2:2:5的混合溶液。
所述电极为钨电极。
所述酸腐蚀液按质量百分比是分析纯的65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸、≥99.5％的磷酸按体积比12:9:12:6：6的混合溶液。
所述碱腐蚀液为3％～6％的氢氧化钾溶液，其碱腐蚀温度为 58～98℃。
所述钝化液按质量百分比是≥30％的双氧水、≥85％的磷酸和离子水按2:2:5混合的混合液。
所述玻璃粉的主要含量为二氧化硅、氧化锌、三氧化二硼。
所述低温成型的升温速率10～15℃/min，升温时间45～65min，烧结温度600～680℃，恒温时间5～40min，降温速率≤5℃/min。一种采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，包括管芯的制备、电极焊接、处理封装，其具体工艺方法为：
本发明的有益效果在于：芯片分离采用正吹砂切割方式形成正斜角，大大降低了器件的表面电场，提高了芯片表面的稳定性；在芯片腐蚀过程中采用酸腐蚀去除芯片台面损伤层、腐蚀工艺去除粘附在芯片表面的重金属离子、热钝化方式中和碱金属离子并在芯片表面生长一层二氧化硅钝化保护层的工艺，最大限度的清洁了芯片表面，减少了界面电荷的影响，使器件具有良好的反向性能，提升产品的可靠性；采用主要成分为氧化锌、三氧化二硼、二氧化硅的钝化玻璃粉经过高温成型实现玻璃粉对芯片台面的钝化兼封装作用，产品组件中的钨电极与芯片和玻璃钝化层的热膨胀系数相当，提升了产品的热匹配性能，同时在产品玻璃粉的成型过程中采用低温成型工艺，升温、降温速率较慢，能较好的释放玻璃钝化层中的应力，器件能在-65～200℃的温度条件下工作，具有较高的可靠性；本发明涉及采用钨电极制造大功率玻璃钝化瞬态电压抑制二极管的制造方法，由于传统玻璃钝化瞬态电压抑制二极管采用钼电极，金属钼散热性能较差，而金属钨的散热性能优于钼，本发明采用了钨电极作为电极引线制造玻璃钝化瞬态电压抑制二极管，大大提升了器件的瞬态峰值功率，相同封装外形尺寸可以提升80％以上的瞬态峰值功率。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，包括管芯的制备、电极焊接、处理封装，其具体工艺方法为：
a、管芯制备：
a-1、通过深度扩散的在单晶硅片上形成PN结，通过电子束蒸发在PN结的P面和N面制备金属薄膜层；
a-2、通过吹砂切割将镀有金属薄膜层的单晶硅片吹砂成型；
a-3、采用清洗剂对切割好的管芯进行腐蚀清洗14～16min，腐蚀完成后的管芯用丙酮进行超声波清洗8～12min，再用酒精进行超声波清洗8～12min，然后脱水、烘干；
b、电极焊接：通过高温真空烧结将电极与金属引线烧焊成一个整体的电极引线，再电极引线、管芯、电极引线依次竖直叠放到石墨模具中，再将石墨模具放入真空烧结炉中将电极引线和管芯进行 800～900℃的高温熔焊键和，在焊接工艺中使用铜焊料，由于金属薄膜层的材料为铝或银也就是电极材料，铝的熔点为660.4℃，银的熔点为961.93℃，使用的800～900℃烧结温度不会影响电极的形状，同时又能够使电机和引线焊接。
c、处理封装：
c-1、使用酸腐蚀液对烧焊后的二极管进行酸腐蚀清洗5～20min；
c-2、将酸腐蚀后的二极管放入碱腐蚀液中腐蚀清洗3～5min；
c-3、使用冷、热去离子水交替冲洗10次；
c-4、放入温度为55～60℃的钝化液中钝化1～3min；由于钝化液对产品引线有一定的腐蚀作用，因此钝化液温度太高会对产品引线产生腐蚀作用，而温度太低则达不到生长足够厚度二氧化硅钝化层的效果。
c-5、使用玻璃粉浆在二极管表面均匀涂覆形成均匀的球体，然后低温成型2～3h。
金属薄膜层的材料为铝或银，金属薄膜为管芯键和的焊料，其熔焊键和的温度为620～750℃。
所述金属薄膜层的单晶硅片吹砂成型成截面为梯形台面的管芯。
所述清洗剂按质量百分比是65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、 95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸按体积比8:2:2:5的混合溶液。
所述电极为钨电极，相对于传统制造玻璃钝化二极管的钼电极，钨电极具有三个方面的优点：
钨的热膨胀系数为4.5×10-6/℃，钼的热膨胀系数为5.2× 10-6/℃，钨的热膨胀系数更接近组件中硅和钝化玻璃的热膨胀系数 (硅的热膨胀系数为2.5×10-6/℃，钝化玻璃的热膨胀系数为4.1× 10-6/℃)，使器件组件的热匹配性能更好，具有更好的抗温度冲击性能，能在-65～200℃的严酷条件下稳定工作。
钨的热传导率高于钼的热传导率，钨电极具有更良好的散热性能，由于瞬态电压抑制二极管对器件组件的瞬时散热能力较高，钨电极是制造瞬态电压抑制二极管的良好电极材料。
钨的物理性质稳定，在常温下基本不与混合酸反应，而钼与混合酸的反应速率较快，因此材料钨作为电极材料能避免混合酸对电极材料的腐蚀作用，使酸腐蚀过程可控，避免混合酸腐蚀出的重金属离子对台面的沾污，提高芯片台面的腐蚀质量。
所述酸腐蚀液按质量百分比是分析纯的65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸、≥99.5％的磷酸按体积比12：12：6：12：6的混合溶液。
所述碱腐蚀液为3％～6％的氢氧化钾溶液，其碱腐蚀温度为 58～98℃。
所述钝化液按质量百分比是≥30％的双氧水、≥85％的磷酸和离子水按2:2:5混合的混合液。
所述玻璃粉的主要含量为二氧化硅、氧化锌、三氧化二硼。
所述低温成型的升温速率10～15℃/min，升温时间45～65min，烧结温度600～680℃，恒温时间5～40min，降温速率≤5℃/min。
所述酸腐蚀液按质量百分比是分析纯的65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸、≥99.5％的磷酸按体积比12：12：6：12：6的混合溶液。其中硝酸和氢氟酸对二氧化硅有络合作用，在氧化和络合的作用下硅不断的溶解，12:9的硝酸和氢氟酸的比例能够使硅的腐蚀速度在70μm/min左右在通过冰乙酸为缓冲剂，硅的腐蚀速度为50μm/min左右，当硫酸与硝酸的比例为1:1 时硅的腐蚀速度没有明显变化，但硫酸对玻璃内的气体金属有更好的腐蚀作用，磷酸的钝化与氧结合几率小，IR值低，使用磷酸减少了结表面的氧化物和碱金属离子存在的几率，从而减小了漏电电流，以硝酸为氧化剂,氢氟酸为络合剂,硫酸为缓蚀剂,冰乙酸为缓冲剂。
所述碱腐蚀液为3％～6％的氢氧化钾溶液，其碱腐蚀温度为 58～98℃。氢氧化钾能够去除酸腐蚀中硅片的损伤。氢氧化钾腐蚀使器件成品率增加,硅片平整,背面形状更好,且避免了金属复盖层；氢氧化钾腐蚀使下硅片成本更稳定更低,加工工艺更紧凑,加工环境要求更一般,加工温度更易于控制,腐蚀后硅片外形均匀性和一致性更好。
所述钝化液按质量百分比是≥30％的双氧水、≥85％的磷酸和离子水按2:2:5混合的混合液。使用磷酸减少了结表面的氧化物和碱金属离子存在的几率，从而减小了漏电电流。
所述酸腐蚀液按质量百分比是分析纯的65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸、≥99.5％的磷酸按体积比12：6：6：12：6的混合溶液。由于组件中电极材料钨与混合酸基本不发生反应，为此腐蚀液中可以通过增加硝酸的含量降低腐蚀液对硅的腐蚀速率，这样可以通过增加腐蚀时间的方式获得更清洁，更平整的台面。
Claims (10)
1.一种采用钨电极制造高可靠瞬态电压抑制二极管的制造方法，包括管芯的制备、电极焊接、处理封装，其具体工艺方法为：
a、管芯制备：
a-1、通过深度扩散的在单晶硅片上形成PN结，通过电子束蒸发在PN结的P面和N面制备金属薄膜层；
a-2、通过吹砂切割将镀有金属薄膜层的单晶硅片吹砂成型，形成正斜角的梯形台面造型；
a-3、采用清洗剂对切割好的管芯进行腐蚀清洗14～16min，腐蚀完成后的管芯用丙酮进行超声波清洗8～12min，再用酒精进行超声波清洗8～12min，然后脱水、烘干；
b、电极焊接：通过高温真空烧结将电极与金属引线烧焊成一个整体的电极引线，再电极引线、管芯、电极引线依次竖直叠放到石墨模具中，再将石墨模具放入真空烧结炉中将电极引线和管芯进行600～800℃的高温熔焊键合。
c、处理封装：
c-1、使用酸腐蚀液对烧焊后的二极管进行酸腐蚀清洗5～20min；
c-2、将酸腐蚀后的二极管放入碱腐蚀液中腐蚀清洗3～5min；
c-3、使用冷、热去离子水交替冲洗；
c-4、放入温度为55～60℃的钝化液中钝化1～3min；
c-5、使用玻璃粉浆在二极管表面均匀涂覆形成均匀的球体，然后低温成型2～3h。
2.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：金属薄膜层的材料为铝，金属薄膜为管芯键和的焊料，其熔焊键和的温度为620～750℃。
3.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述金属薄膜层的单晶硅片吹砂成型成截面为梯形台面的管芯。
4.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述清洗剂按质量百分比是65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸按体积比8:2:2:5的混合溶液。
5.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述电极为钨电极。
6.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述酸腐蚀液按质量百分比是分析纯的65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸、≥99.5％的磷酸按体积比12：9：12：6：6的混合溶液。
7.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述碱腐蚀液为3％～6％的氢氧化钾溶液，其碱腐蚀温度为58～98℃。
8.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述钝化液按质量百分比是≥30％的双氧水、≥85％的磷酸和离子水按2:2:5混合的混合液。
9.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述玻璃粉的主要含量为二氧化硅、氧化锌、三氧化二硼。
10.如权利要求1所述的采用钨电极制造瞬态电压抑制二极管的制造方法，其特征在于：所述低温成型的升温速率10～15℃/min，升温时间45～65min，烧结温度600～680℃，恒温时间5～40min，降温速率≤5℃/min。
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|---|---|---|---|---|
| CN108172514A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-06-15 | 中国振华集团永光电子有限公司（国营第八三七厂） | 一种玻璃钝化表贴封装瞬态电压抑制二极管的制造方法 |
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