CN113380622A - 高温二极管制备方法及高温二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温二极管制备方法及高温二极管，采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺制备二极管管芯，然后将二极管管芯直接焊接到底部开槽安装有钼片的管座上，在盖管帽之前将内引线与二极管管芯焊接在一起，然后封帽，最后采用冲压方式将阴极管与内引线冲压铆接形成二极管成品，将二极管的性能提升至结温
≥200℃，高温反向漏电流小于0.8mA，耐温度应力范围‑55～200℃，20个循环，机械应力为198000 m/
，时间10分钟。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体地说，是涉及一种高温二极管制备方法及高温二极管。
背景技术
电力电子技术是电子信息技术重要的组成部分，是当今世界经济各个领域实现信息化、智能化及高效节能必不可少的技术。
在电力电子技术中最基础的半导体整流管在系统的整流、滤波、续流等电路中应用非常广泛，现有的军民用半导体整流二极管耐温度应力范围为-55～150℃，机械应力为60000m/
，最高结温
<175℃。
随着国家军民用装备向更恶劣的环境，更高的温度、更小的体积等方面发展，这样的技术已无法满足要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温二极管制备方法及高温二极管，从基础材料、二极管管芯制造工艺、管座管壳结构、阴极管锁紧结构等方面着手，实现结温
≥200℃，耐温度应力范围-55～200℃，机械应力为198000 m/
的技术要求。
本发明采用以下技术方案予以实现：
提出一种高温二极管制备方法，包括：1）采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺制备二极管管芯；2）将二极管管芯、管座和内引线在共晶焊炉内焊接形成半成品；其中，管座在其底面开设有凹槽，凹槽内用银铜焊料烧结有钼片；3）采用脉冲焊模具将半成品与管帽进行熔焊封帽；4）将阴极管与内引线冲压铆接形成二极管成品。
进一步的，采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺制备二极管管芯，具体包括：硅单晶、
扩散、硅片分立、P面减薄、清洗、
扩散、硅片分离、吹砂、清洗、氧化、光刻电压槽、台面腐蚀、清洗、氮化硅沉积、玻璃钝化、二氧化硅、开窗、等离子刻蚀、阴面金属化、金属化、阳面金属化、合金和芯片切割；其中，金属化包括蒸发镍、钛、银，在一个设备内一次性完成。
进一步的，在2和3步骤之间，所述方法还包括：镜检，检测所述半成品的焊接质量及是否有多余物；装管帽，用氮气将管帽吹干净后套在已镜检的半成品上；中间电测试，检查半成品的电压、漏电特性；封前预烘，中间电测试后的半成品在100℃的烘箱中烘干第一设定时长。
进一步的，在3步骤之后，所述方法还包括：密封性检查，将封帽后的二极管加压第二设定时长后放进125℃的高温氟油内检测漏气情况。
进一步的，4步骤具体为：采用打扁冲孔模具用冲床将阴极管与内引线冲压铆接，同时在阴极管顶部冲制安装孔。
进一步的，4步骤之后，所述方法还包括：电镀；筛选，进行高温贮存、温度循环、恒定加速度、密封性检查、多余物检测、电流老练、高温反偏实验来判断二极管质量和可靠性；终测，剔除不符合电参数测试的二极管。
进一步的，所述内引线为S型内引线。
提出一种高温二极管，采用如上所述的高温二极管制备方法制备。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的高温二极管制备方法及高温二极管，采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺制备二极管管芯，然后将二极管管芯直接焊接到底部开槽安装有钼片的管座上，在盖管帽之前将内引线与二极管管芯焊接在一起，然后封帽，最后采用冲压方式将阴极管与内引线冲压铆接形成二极管成品，将二极管的性能提升至结温
≥200℃，高温反向漏电流小于0.8mA，耐温度应力范围-55～200℃，20个循环，机械应力为198000 m/
，时间10分钟。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1 为本发明提出的高温二极管制备方法的流程图；
图2为本发明提出的高温二极管的组成示意图；
图3为本发明中管座的结构示意图；
图4为本发明中经步骤12后形成的半成品示意图；
图5为本发明中半成品装管帽后的二极管示意图；
图6为本发明中管帽的结构示意图；
图7为现有技术中阴极管与内引线锁紧结构示意图；
图8为本发明中阴极管与内引线锁紧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
目前的二极管设计和工艺技术最高结温只能满足175℃，耐温度应力范围-55～150℃，机械应力为60000m/
，在原有二极管结温要求下，管芯与管座的共晶焊温度为305℃，管芯没有二次熔融，台面保护良好，为了达到结温200℃以上的要求，管芯焊接到管座上时，需要在340℃的共晶焊焊炉内进行焊接，但在340℃的共晶焊炉内，钼片和硅晶圆就会二次熔融，使保护台面的硅橡胶翘起，影响二极管的高温特性。
本发明设计目的在于将二极管性能提升至以下设计要求：
结温
≥200℃，耐温度应力范围-55～200℃，机械应力为198000 m/
。
为解决上述问题而实现以上性能，本发明从三个方面着手：
1、从管芯制备方面，采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺，结合多晶硅、二氧化硅、玻璃钝化多层保护技术；
2、改造管座结构；
3、改造阴极管锁紧结构。
具体的，本发明提出的高温二极管制备方法，如图1所示，包括：
步骤S11：采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺制备二极管管芯。
二极管管芯结构图2所示，由下钼片21、下焊片22、硅晶圆23、中焊片241和242、上钼片25、上焊片26组成。
具体的，本发明实施中，二极管管芯采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺包括：
硅单晶、
扩散、硅片分立、P面减薄、清洗、
扩散、硅片分离、吹砂、清洗、氧化、光刻电压槽、台面腐蚀、清洗、氮化硅沉积、玻璃钝化、二氧化硅、开窗、等离子刻蚀、阴面金属化、金属化、阳面金属化、合金、芯片切割、终检和入库；其中，金属化流程包括蒸发镍、钛、银，在一个设备内一次性完成。
相比现有工艺，本发明实施例的工艺具有如下优点：
1、台面造型由机械磨角改为刻蚀，减少人为因素引起的质量问题；
2、台面保护由单层硅橡胶保护改为四层保护：氮化硅沉积、玻璃钝化、二氧化硅以及管芯完成后最后加一层高温硅橡胶保护，减少了外界对二极管高温电压特性的影响；
3、金属化层由原来的一层镀镍改为镍、钛、银三层金属，增强了可焊性。
有了二极管管芯后，二极管的封装工艺包括：共晶焊、镜检、装管帽、中间电检测、封前预烘、脉冲焊封帽、密封性检查、打扁冲孔、外观检查、密封性检查、电镀、筛选、终检和入库。
具体说明如下：
共晶焊
步骤S12：将二极管管芯、管座和内引线在共晶焊炉内焊接形成半成品。
现有的二极管设计中，管座为纯铜结构，在进行-55～150℃温度应力循环时，因铜材质比较软，耐冷热巨变能力差，因应力的作用易伤到芯片，引起芯片碎裂而造成二极管电压失效。
本发明申请中，如图3所示，在管座3的底面开设有凹槽，凹槽内用银铜焊料烧结有钼片31，因钼片与硅晶圆的热膨胀系数相近，故耐热应力能力强。
共晶焊后的半成品如图4所示，二极管管芯41焊接在管座42内，内引线43焊接在二极管管芯41上，其中，内引线43设计为S型结构，起应力缓冲及电连接作用。
镜检
在显微镜下，检查已焊接好的半成品的焊接质量以及是否有多余物。
装管帽
如图5所示，用氮气将管帽5吹干净后，套在已镜检结束的半成品上，管帽结构如图6所示，包括管帽本体51和一体成型的阴极管52。
中间电检测
检查共晶焊后半成品的电压、漏电特性，防止不合品进入封帽工序。
封前预烘
在封帽前将已套上封帽经过中间电检测的半成品在100℃的烘箱中烘干8小时，将水汽烘干，防止水汽进入封帽好的二极管内。
脉冲焊封帽
步骤S13：采用脉冲焊模具将半成品与管帽进行熔焊封帽。
用预先设计的脉冲焊模具将管座和管帽用贮能焊机熔焊在一起，以满足全密封及机械应力的要求。
密封性检查
将封帽后的二极管加压5Kg，2小时，然后放入125℃的高温氟油内检测漏气情况，有漏点说明二极管密封性不好。
打扁冲孔
步骤S14：将阴极管与内引线冲压铆接形成二极管成品。
如图7所示，现有的二极管设计中，内引线71提前穿到阴极管72内，在B处用压六方模具进行锁紧，这种结构的缺点是：随着时间的推移，在热应力和电应力的作用下，锁紧部位会有部分反弹，使内引线71与阴极管72内壁的接触力减弱，管压降变大，结温升变高，最终影响二极管的可靠性。
针对上述问题，本发明改为封帽后阴极管后成型的方式，在步骤S12中先将内引线与二极管管芯焊接，然后步骤S13中封帽，最后，在本步骤中采取冲压方式将引线与阴极管铆接。
具体的，将已封帽的二极管用预先设计的打扁冲孔模具，用100吨冲床将阴极管与内引线冲压铆接，同时，在阴极管顶部冲制一个安装孔，既保证阴极管不漏气，又保证铆接良好，铆接后的结构如图8所示。
电镀
通过电镀达到外观美感，并防止二极管基材氧化。
筛选
按照产品详细规范的要求，进行高温贮存、温度循环、恒定加速度、密封性检查、多余物检测、电流老练、高温反偏实验来判断二极管质量和可靠性。
终测
最终的电参数测试，符合标准和规范的入库，不符合的剔除。
采用上述高温二极管制备方法制备的高温二极管，经测试，实现了结温
≥200℃，高温反向漏电流小于0.8mA，耐温度应力范围-55～200℃，20个循环，机械应力为198000m/
，时间10分钟的高性能。
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高温二极管制备方法，其特征在于，包括：
1）采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺制备二极管管芯；
2）将二极管管芯、管座和内引线在共晶焊炉内焊接形成半成品；其中，管座在其底面开设有凹槽，凹槽内用银铜焊料烧结有钼片；
3）采用脉冲焊模具将半成品与管帽进行熔焊封帽；
4）将阴极管与内引线冲压铆接形成二极管成品。
2.根据权利要求1所述的高温二极管制备方法，其特征在于，采用沟槽氮化硅玻璃烧结工艺制备二极管管芯，具体包括：
硅单晶、
扩散、硅片分立、P面减薄、清洗、
扩散、硅片分离、吹砂、清洗、氧化、光刻电压槽、台面腐蚀、清洗、氮化硅沉积、玻璃钝化、二氧化硅、开窗、等离子刻蚀、阴面金属化、金属化、阳面金属化、合金和芯片切割；
其中，金属化包括蒸发镍、钛、银，在一个设备内一次性完成。
3.根据权利要求1所述的高温二极管制备方法，其特征在于，在2和3步骤之间，所述方法还包括：
镜检，检测所述半成品的焊接质量及是否有多余物；
装管帽，用氮气将管帽吹干净后套在已镜检的半成品上；
中间电测试，检查半成品的电压、漏电特性；
封前预烘，中间电测试后的半成品在100℃的烘箱中烘干第一设定时长。
4.根据权利要求1所述的高温二极管制备方法，其特征在于，在3步骤之后，所述方法还包括：
密封性检查，将封帽后的二极管加压第二设定时长后放进125℃的高温氟油内检测漏气情况。
5.根据权利要求1所述的高温二极管制备方法，其特征在于，4步骤具体为：采用打扁冲孔模具用冲床将阴极管与内引线冲压铆接，同时在阴极管顶部冲制安装孔。
6.根据权利要求1所述的高温二极管制备方法，其特征在于，4步骤之后，所述方法还包括：
电镀；
筛选，进行高温贮存、温度循环、恒定加速度、密封性检查、多余物检测、电流老练、高温反偏实验来判断二极管质量和可靠性；
终测，剔除不符合电参数测试的二极管。
7.根据权利要求1所述的高温二极管制备方法，其特征在于，所述内引线为S型内引线。
8.一种高温二极管，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的高温二极管制备方法制备。
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