CN1074168C - 全切面结玻璃钝化的硅半导体二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片，使用钝化玻璃护封层，覆着于芯片的整个P-N结切面，且对每一芯片制备一单独的玻璃护封层体，单独烧结。这种具有P-N结全切面护封的硅半导体二极管芯片，其P-N结全切面全部为钝化玻璃所护封，因而容易获得良好的正向及逆向电气特性、较高的可靠性以及有利于再次加工成形。本发明也提供了一种大量生产具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片的方法。

Description

全切面结玻璃钝化的硅半导体 二极管芯片及其制造方法

本发明涉及一种硅半导体二极管芯片及其制造方法。尤其涉及一种具有P-N结全切面玻璃护封的硅半导体整流二极管芯片及其制造方法。这种P-N结全切面护封硅半导体二极管芯片使用通过标准扩散工艺制成的整流二极管硅圆片，经切割成为单独的二极管芯片，对切割面进行化学蚀磨和氧化处理后，附着钝化玻璃护封剂，并烧成玻璃护封膜而制成。

工业界一向采用最经济有效的标准扩散工艺，通过先制成整流二极管圆片的方式来达到制造半导体整流二极管的目的。一般采用的方法是在低浓度杂质的单晶圆片的两面，分别扩散五价元素杂质(如磷，砷等)及三价元素杂质(如硼，铝等)，以制成具P-N结及低表面电阻系数的正、负电极面的圆片。之后在圆片适当表面形成具有欧姆接触的金属膜(如镍，铝等)，用来和电气导接件连接。不同的金属膜分别适用于不同方式的焊接加工，例如镍或镍银、镍金镀膜适用于软焊加工的锡铅类焊材，铝镀膜适用于硬焊方式的铝熔接加工。

将硅圆片依所需整流二极管芯片规格，切割成一定大小及形状的芯片，并对切割面进行化学蚀磨，以除去切割所造成的机械性损伤及污染。在硅晶体表面形成二氧化硅膜，以获得良好的逆向电气特性。对处理完的切割面上的P-N结区域及其附近进行钝化护封，即完成芯片部分的加工。

对二极管芯片P-N结裸露切面的护封，现在主要有三种设计及加工方法：

1.以电气导接件软焊构接完成的半成品进行加工的方式：将二极管圆片切割成芯片，将芯片与电气导接件焊接，成为焊成的半成品，再进行芯片切断面的化学处理以及用树脂型护封剂进行钝化护封。如西屋公司早期开发的圆片电极整流二极管芯片包(Sandwich Cell Construction)、轴向导线塑料铸模封装(AxialLead Plastic Molded Package)等均属于这种方式。这种方式属于较传统的制造方法。

2.玻璃护封型二极管：图1示出了这种玻璃护封型二极管制造方法的流程图。这种设计为美国通用电器公司所开发，并获得了专利。制备完成P-N结扩散的圆片(101)，对圆片作镀膜加工(102)，将镀好铝膜的整流二极管圆片，以喷砂磨切等方式，切成圆锥台形芯片。再用氢氟酸与硝酸为主的混合液，于低温下进行化学蚀磨，并在晶片表面形成二氧化硅膜(103)。经化学处理完成的芯片，与电气导接件进行焊接，制成半成品(104)。如果使用钨或钼等热膨胀系数匹配的材料制成的电极，则以铝膜为焊材，作硬焊连接；而一般使用铜的电气导接件，则可使用铜、银、磷合金焊材，与电极作硬焊连接。之后进行芯片切面的二次化学处理(105)，并涂着钝化玻璃护封剂(106)，再烧结成护封层，即完成玻璃护封型二极管的制作(107)。这种方式是以玻璃作为钝化及护封材料，属于较先进的传统制法。

英国专利GB2101401A也公开了一种玻璃护封型二极管。将电极和清洗过的二极管放置于一个定位部件，如石墨基座部件中，该定位部件具有定位用凹部，可用来放置二极管；将一个玻璃圈套在二极管周围，再用另一个玻璃圈套在外面，使三者形成同心圆；用定位梢定位，盖下顶板；将定位好的二极管组件放入烧结炉，烧结玻璃，完成全切面玻璃护封型二极管的制作。这种制造方法使用一种特定的设备在二极管周边的P-N结全切面施加护封玻璃，因而对设备和工艺的要求较为严格，制造成本较高。

3.沟形P-N结半切面玻璃护封型二极管芯片：图2示出了半切面玻璃护封型二极管芯片的制造方法流程图。如图所示，制备完成P-N型扩散的硅半导体圆片(201)，对圆片作氧化处理后(202)，再以光刻胶涂布圆片(203)。以显影及清洗除去各芯片边缘部分的光刻胶(204)，并对未涂敷有光刻胶的区域进行选择性局部化学刻蚀(205)，形成P面带有沟槽，P-N结面露出，单个芯片处于半切形态的半成品，多个芯片基部仍然相连呈圆片形态，在此半切型圆片的P-N结面裸露部位进行钝化处理及玻璃护封(206)，烧结玻璃(207)，完成芯片半切面的护封加工。最后在电极面镀金属膜(208)并将芯片分离切割(209)，制成玻璃护封整流二极管芯片。这种方式通称玻璃护封片(Glass Passivated Pellet)，简称GPP。因在制作过程中仅在P-N结沟形切面部分施以钝化玻璃护封，故亦可称为“沟形P-N结切面玻璃护封型”芯片。图3表示经GPP法制成芯片的纵切面结构示意图。

GPP具有更好的二次加工适用性，因此广为各型整流二极管组件制造者所采用。例如整流电桥等。此外，小外形二极管(SmallOutline diode简称SOD)整流二极管也多采用这种芯片经二次加工封装来制作。

众所周知，因GPP成本不高，且能制成符合一般用途的芯片，因而成为目前最优良的具有护封硅整流二极管芯片的制造方法，但其缺点仍然多。

例如，由于GPP切面是P面开口的半切形态，因而其P-N结面的切角属负切角型。这种结构在施加逆向电压的情形下，形成的耗尽区会导致切面边缘处逆向电场的扩展。在设计上，必须保留足够大的耗尽区空间。其结果是必须使用较大面积的芯片，其正向负载功率才能与以垂直切割法或正角切割法制成的芯片相当。如此将提高芯片的制作成本。实际上，使用一般GPP法制成的一安培方形芯片，P面面积为38mil×38mil，N面面积为55mil×55mil，其有效面积为(38×38)/(55×55)，约为47％。

同时，GPP法制成的芯片，还有不易获得较高逆向耐压性能的缺点。

此外，使用GPP法，对圆片需多次涂布光刻胶、显影及去光刻胶、显影的程序，且无法利用传统的切割技术对芯片进行切割，导致所需设备昂贵，运转成本高，以致其制造成本也高。举例而言，在沟槽加工(205)完成后，对沟槽部位施以护封玻璃剂(206)时，较可行的方式是用光刻胶涂布沟槽内各芯片间的切割线，而在未涂布光刻胶的沟槽部分涂敷玻璃护封剂，之后，去除光刻胶以便进行切割。此外，在电极面镀金属膜(209)的工艺过程中，最好的方法也是用光刻胶遮蔽沟槽部位。为制成高性能的GPP芯片，需要进行多次光刻胶涂布过程。

最后，用这种方法制成的芯片，在分离切割时，难免选成玻璃膜的机械损伤，形成微裂缝并导致应力集中。这在使用时会成为十分严重的工作故障源。虽然经过多年努力，对以上所述缺点的改进，成效仍然非常有限。

本发明的目的在于提供一种新颖的硅半导体二极管芯片，该芯片具有自N电极表面至P电极表面的护封的裸露P-N结全切面。

本发明的目的还在于提供一种新颖的硅半导体二极管芯片的制造方法，在对硅半导体二极管进行全部的P-N结全切面护封的前提下，仍能节省芯片面积，降低生产成本。

本发明的另一个目的还在于提供一种简化的具有护封P-N结全切面的硅半志体二极管芯片的制造方法，对硅半导体二极管进行全切面护封，能获得良好的电气性能。

本发明的目的尤其在于提供一种P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体整流二极管芯片，可使用简单价廉的设备，进行大批量生产；利用成本低廉的原料，简单的工艺步骤，制成多种金属化电极面且性能高于现有技术的产品。

根据本发明的一方面，提供了一种半导体二极管芯片组件，包括：一硅半导体二极管芯片；及一钝化玻璃护封件；其特征在于：该钝化玻璃护封件由玻璃粉调制的调剂烧结而成；该半导体二极管芯片的周缘是自N电极面至P电极面，含P-N结层面，为完全切断状态；且该钝化玻璃护封件覆盖于该半导体二极管芯片周缘的全部。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造半导体二极管芯片的方法，包括：将完成P-N结扩散的半导体二极管圆片依需要的尺寸切成单个芯片，使其P型层、P-N结及N型层露于切口断面；蚀磨处理芯片的P-N结全切面，使其适合进行护封；在其P-N结全切面部位涂上钝化玻璃护封剂；以及对该玻璃护封剂进行烧结处理，形成护封件；其特征在于：该钝化玻璃护封剂由玻璃粉调制而成；该玻璃护封件形成于芯片的裸露的P-N结及切断面的全部。

依据本发明所揭示的P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片及其制造方法，可使用钝化玻璃护封层，覆着于芯片P-N结的全部切面，并且对每一芯片制备一单独的玻璃护封层体，单独烧结，避免如GPP法芯片在分离切割时所造成的玻璃护封层的损伤，并能获得更高的逆向电气性能。本发明还提供了一种大量制造这种新颖结构的硅半导体二极管芯片的方法。

本发明所述的具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片，其切面可以是正切角，可有助于逆向耐压性能的提高以及漏电流的降低。

参照附图通过以下说明，可以更清楚地看到本发明的上述及其他的目的和优点。

图1示出了传统的玻璃护封型二极管芯片的工艺流程。

图2示出了沟形P-N结切面玻璃护封型二极管芯片(GPP)的工艺流程。

图3示出了经GPP法制成的芯片的纵切面的结构示意图。

图4示出了本发明具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片的纵切面的结构示意图。

图5示出了本发明具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片的工艺流程。

图6示出了在显微镜下所观察到的放大40倍的本发明所述的

实施例实物的外观图。

本发明所述的具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片，是按照现有工艺，完成了五价及三价元素扩散的半导体整流二极管圆片。圆片经切割后，其切面处于自N面至P面的全切断形态。切割后的芯片经化学蚀磨和氧化处理，再在芯片的全切断面上，即自N面至P面的全切断面上施着钝化玻璃护封剂，并进行热处理，使玻璃护封剂覆盖层烧结，即可获得。具有欧姆接触，用于与电气连接件相连的金属镀膜可以有多种选择，如铝、镍、银及金等。金属膜可于芯片切割之前镀于圆片的两个电极表面，也可于芯片护封玻璃制成后再镀着。

图4即表示按本发明所述方法制成的具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片的纵切面结构示意图。如图所示，所述芯片的切面处于自N面至P面的全切断形态，而全部P-N结面均为一单独烧结的钝化玻璃体所护封。

图5表示本发明所述的具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片的工艺流程。下面依据图2说明本发明所述的具有全部P-N结面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片的制造方法。

首先，先用现有的工艺，制备一个完成P-N结扩散的整流二极管圆片(501)，再对该整流二极管圆片进行正负电极镀膜加工(502)。其中正负电极面的金属镀膜可以是铝镀膜，镍、银镀膜或金二次镀膜，以适应不同需要。

对完成金属化镀膜的圆片，用喷砂切割或化学刻蚀等合适方式制成芯片(503)。芯片可切割成圆锥台形、圆角方锥台形或圆角六边锥台形，以及其他合适的形状。其锥台底部为P电极面。非正切角的切割也同样适用于本发明。

再对切好的芯片进行化学蚀磨及氧化处理(504)。在应用上，如果是铬—镍—银镀膜的芯片，则用煮沸的10％的氢氧化钾水溶液作为蚀磨剂进行碱性化学蚀磨，并在切面形成二氧化硅膜。

对芯片进行化学蚀磨及氧化处理后，制备一种在摄氏500度可以完全烧除的热可塑型粘合剂(Binder)来调配钝化玻璃粉，形成护封层的调剂(505)。用定位器将芯片定位，对每一单独芯片P-N结的整个切面部位，施以钝化玻璃调和糊剂(506)。施加玻璃调剂的方式，可利用现有的热塑型胶射出成形工艺，在各芯片的整个周边切面，铸出一玻璃调剂型件。作烧除及玻璃化烧成热处理(507)，形成钝化玻璃护封层。这样便完成了本发明所述的具有P-N结全切面钝化玻璃护封的硅半导体整流二极管芯片的制作。

在本发明中，芯片的护封层可覆着于芯片的整个P-N结切面，并对每一芯片制备一单独的玻璃护封层体。在本发明所述的实施例中，施于P-N结切面部位的钝化玻璃护封剂，可以是钝化玻璃粉与水或承载剂(Vehicle Agent)的调合糊剂，或其他合适的材料。

经上述方法制成的芯片，可经后续的检测、分类、封装而制成工业规格品。其外形可以是圆片形、圆锥台形、圆角方锥台形、圆角六边锥台形或其他合适的形状。完成的成品具有圆滑的玻璃护封层，有利于后续加工，如自动进料、定位器定位等。

经护封玻璃烧成后的芯片，其整个P-N结切面均为一层钝化玻璃所护封。经显微镜观察，这一玻璃层无机械损伤、无缺角及微裂缝。图6表示在显微镜下所观察到的放大40倍的本发明所述的具有全切面钝化玻璃护封的硅半导体整流二极管芯片的实物外观图。

本发明所述的硅半导体二极管芯片，整个P-N结切面均以钝化玻璃护封，且其切面处于自N面至P面的全切断状态，具有极佳的电气特性与机械特性。

在制作过程中，由于是对整个P-N结切面涂布钝化玻璃，因此芯片上P或N的方向并不影响其制作，适合大批量生产。而且，本发明实施例所述的方法，适合大批量制造。其他类似方法，也可适用于本发明。

本发明所述的具有全切面护封的硅半导体二极管芯片，其切面可制成正切角，有助于逆向耐压性能的提高及漏电流的降低。实际测量表明，本发明所述的二极管芯片，对逆向耐压性能的提高及漏电流的降低，有显著的效果。其逆向电气特性如表1所示。表中显示，所有试样的逆向耐压均在1200V以上，平均值为1400V。

本发明所述的二极管芯片因使用玻璃护封层，而且是单独烧结件，因此可避免使用GPP法所造成的机械损伤及微裂缝。同时具有应力残留极少一大优点。

                   表1

试样号	逆向电压值(V)	试样号	逆向电压值(V)
				1	1200	11	1450

2345678910

145016001600125014001450145013001300

121314151617181920

125014501300140016001300145012001600

本发明所述的具有全切面护封的硅半导体二极管芯片，由于制造方法比现有技术大为简化，可使用简单价廉的设备大量生产，足以降低成本，制成多种金属化电极表面及较现有的更为高性能的产品。因其具有光滑的玻璃护封层，对于后续加工，如自动进料、定位器定位等也特别方便。

本发明所述的方法及制成的芯片元件，由于仅包括芯片本身、护封玻璃及必要的金属膜，结构简单，可广泛应用于各种类型的整流二极管及整流二极管组件，例如整流电桥等。

以上是对本发明所述的具有全切面钝化玻璃护封的硅半导体二极管芯片及其制造方法的实施例的说明，本领域熟练技术人员不难由上述说明，了解本发明的精神，并据此衍生出不同的变化。但只要不脱离本发明的精神，均在本发明的专利范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体二极管芯片组件，包括：

一硅半导体二极管芯片；及

一钝化玻璃护封件；

其特征在于：

该钝化玻璃护封件由玻璃粉调制的调剂烧结而成；

该半导体二极管芯片的周缘是自N电极面至P电极面，含P-N结层面，为完全切断状态；且

该钝化玻璃护封件覆盖于该半导体二极管芯片周缘的全部。

2.如权利要求1所述的半导体二极管芯片组件，其中芯片的形状为圆锥台形，方锥台形或六边锥台形。

3.如权利要求1所述的半导体二极管芯片组件，其中该芯片的切断面与其N型层的夹角约为90°。

4.如权利要求1所述的半导体二极管芯片组件，还含有一个在P电极表面的金属镀膜及一个在N电极表面的金属镀膜。

5.如权利要求4所述的半导体二极管芯片组件，其中芯片P面或N面的镀膜可以是铝镀膜、镍、银或金二次镀膜。

6.一种制造半导体二极管芯片的方法，包括：

将完成P-N结扩散的半导体二极管圆片依需要的尺寸切成单个芯片，使其P型层、P-N结及N型层裸露于切口断面；

蚀磨处理芯片的P-N结全切面，使其适合进行护封；

在其P-N结全切面部位涂上钝化玻璃护封剂；以及

对该玻璃护封剂进行烧结处理，形成护封件；

其特征在于：

该钝化玻璃护封剂由玻璃粉调制而成；

该玻璃护封件形成于芯片的裸露的P-N结及切断面的全部。

7.如权利要求6所述的方法，其中芯片的形状为圆锥台形，方锥台形或六边锥台形。

8.如权利要求6所述的方法，其中芯片的切割面与芯片N型层的夹角约为90°。

9.如权利要求6所述的方法，还包括在芯片的P面及N面各形成一个金属镀膜。

10.如权利要求9所述的方法，其中该P面或N面的镀膜可以是铝镀膜、镍、银或金二次镀膜。

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