TW201336090A

TW201336090A - 掘井引流式二極體元件／組件及其製造方法

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Publication number: TW201336090A
Application number: TW101105533A
Authority: TW
Inventors: Wen-Hu Wu; Wen-Bin Huang; Jian-Wu Chen; Xi-Biao Lai
Original assignee: Formosa Microsemi Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-09-01
Also published as: TWI496296B

Abstract

一種掘井引流式(Well-through Type)二極體元件或二極體組件之製造方法，係利用掘井方式穿過PN接面空乏/能障區後，利用金屬化製程將二極體元件/組件的兩極建構在同一面上，並引導其中一極的電子無障礙地流經空乏/能障區；此外，本發明直接在晶片狀態下做絕緣保護、金屬化、長焊球等作業，即可完成獨立元件/組件之晶粒尺寸級封裝(CSP)新技術。具有：晶粒就是成品、無接線、低耗能、低成本、輕薄短小等特色，能夠有效滿足未來趨勢及應用之需求。本方法可適用在所有二極體元件以及由該等二極體元件所延伸運用之相關二極體組件，例如：全波整流器、陣列式整流器等等。

Description

掘井引流式二極體元件/組件及其製造方法

本發明為一種與半導體/二極體元件或二極體組件相關之及製造方法，係將二極體元件的兩極建置在同一面上，並利用掘井方式穿透PN接面空乏/能障區(Depletion region/Barrier region)，以引導電子無障礙地流經空乏/能障區，是晶粒尺寸級封裝(CSP，Chip-Scale Package)二極體最簡單最低成本的製造方法。

一般以半導體材料製成之二極體元件從外型上，可分為軸式二極體及表面黏著式二極體；無論是軸式二極體或表面黏著式二極體，其最重要核心材料為二極體晶粒。而由半導體材料製造成為二極體晶粒以及二極體元件成品的過程中，先前技術依不同製程可概分為三種，即開放式(O/J Type)、高台式(Mesa Type)及平面式(Planar Type)；以下概略說明上述三種製程：

一、O/J Type：

A.將擴散後的矽晶圓片直接切割分離成複數二極體晶粒單體。

B.利用銅引線焊接於二極體晶粒單體的正反兩面以製成外接電極。

C.對該二極體晶粒單體酸洗，並披覆一層矽膠保護。

D.對該二極體晶粒單體外部成型封裝體，並且對外接電極切、彎而形成可供焊接於電路板之接腳。

二、Mesa Type：

A.直接在擴散後的矽晶圓片上作開溝及上絕緣材料等保護，以分隔成陣列的複數二極體晶粒。

B.將陣列的複數二極體晶粒切割分離成為單體後，利用引線/料片焊接組合於每一二極體晶粒單體的正反兩面以形成外接電極。

C.在二極體晶粒單體外部成型封裝體，並對外接電極切、彎而形成供焊接於電路板之接腳。

三、Planar Type：

A.在矽晶圓片的正反兩面直接建置出P、N兩極，並利用擴散/氧化層/離子布植等方式，分隔成陣列的複數二極體晶粒。

B.將陣列的複數二極體晶粒以氧化層等材料做隔離保護，然後將矽晶圓片上所有的二極體晶粒之P、N二極表面金屬化。

C.將矽晶圓片上陣列的複數二極體晶粒切割分離，而成為二極體晶粒單體後，在位於正反兩面的P、N兩極焊接組裝外接電極。

D.在二極體晶粒單體外部成型封裝體，並對外接電極切、彎而形成供焊接於電路板之接腳。

如第一圖所示，上述先前技術之製程無論是哪一種，其共同特徵就是P、N二極1、2被分別建構在二極體晶粒3的正反兩面，也因此造成後續與外接電極4焊接組裝、以及成型封裝體5製程的諸多不便；尤其是為了滿足晶粒尺寸級封裝(CSP，Chip-Scale Package)的需求，先前技術將P、N二極1、2分別建構在二極體晶粒3正反兩面之構造，無論在製程、材料以及體積上的困難度，都將成為製造技術上的極大阻礙。

此外，由複數顆二極體晶粒所組成之相關二極體組件，例如：全波整流器、陣列式整流器等等，由於其核心材料二極體晶粒之P、N二極同樣皆分別建構在正反兩面，因此在製程上更顯得困難。

有鑑於此，本發明人乃提出一種將兩極建置在同一面上的二極體元件/組件之製程及構造，如此將能大幅簡化二極體元件/組件的製程，以提高提生產效率，同時其成品構造具備輕薄短小的特色，亦能夠有效滿足未來趨勢及應用上的需求。

本發明之主要目的即在於提供一種能突破先前技術製造方法上的限制，將二極體元件/組件的兩極建置在二極體晶粒的同一面上的創新技術，不但具有提高生產效率、降低成本等經濟效益上的優勢，其成品還能具備低耗能、輕薄短小的特色。

為達成上述目的，本發明掘井引流式二極體元件/組件之製造方法包含下列步驟：

(A)將已完成擴散/氧化層/離子布植的矽晶圓片頂面預設各二極體元件/組件之第一、第二電極位置，並且在各第一電極四周設置絕緣體/保護環來絕緣保護，針對各第二電極則分別挖掘一引流井，令各引流井直接穿過矽晶圓片頂層與矽晶圓片底層之間的P、N接面空乏/能障區；所述第一、第二電極其中之一的電氣特性為P極，另一電極之電氣特性則為N極。

(B)利用導電物質對矽晶圓片上各二極體元件/組件的第一、二電極表面以及引流井金屬化，使矽晶圓片底層分別與各二極體元件/組件的第二電極導通，即可讓矽晶圓片上各二極體元件/組件的第一、二電極建構在同一面上。

(C)對矽晶圓片進行切割，以使矽晶圓片上的各二極體元件/組件彼此分離。分離出來的各個單一二極體元件即為一般覆晶元件(Flip Chip)之單一二極體成品；分離出來的二極體組件則為複數二極體晶粒所組成之相關組合元件成品。

上述製程實施時，在各第一電極四周設置絕緣體的方式可以類似習知高台式製程中，先設置隔離溝槽後再填入絕緣物質；設置保護環的方式則類似習知平面式製程中，利用設置氧化層及/或擴散方式來完成。

上述製程中，為了減少矽晶圓片破損或保護成品，可在矽晶圓片背面及/或除了各電極表面以外的外部，以整片塗布或預鑄成型方式全面被覆上一層如環氧樹脂等材料所構成之保護層；此被覆保護層的製程可先在矽晶圓片各元件的四周經開溝後填入上述材料，而後再對矽晶圓片進行切割。

此外，為了讓二極體元件/組件成品在後續使用時方便焊接於電路板上，在上述矽晶圓片進行切割前，可以在金屬化後的各電極表面上進行長焊球製程。

完成上述各製程所產生的元件/組件，因具有完整外觀保護及必要之外接電極，此即為晶粒尺寸級封裝(CSP，Chip-Scale Package)之新製程；其構造具備下列特徵：一種掘井引流式二極體元件/組件，係由頂、底兩層至少兩種不同電氣特性的半導體/金屬所構成，且頂、底兩層之間具備P、N接面空乏/能障區，其中頂層設有至少一絕緣體/保護環以於同一面分隔出第一、第二電極，且該第二電極進一步設有一引流井穿透所述之P、N接面空乏/能障區；所述之第一、第二電極以及引流井表面分別被覆有導電層，其中引流井之導電層導通底層半導體與第二電極，讓電子得以通過引流井輕易地流經P、N接面空乏/能障區。

須說明的是，上述頂、底層兩種不同電氣特性的半導體/金屬中，在一般二極體元件為P型半導體與N型半導體係經擴散所構成，頂、底兩層的P型半導體與N型半導體之間為P、N接面空乏區，而蕭特基二極體(Schottky Barrier Diode)則是由金屬與半導體所構成，且半導體與金屬之間為蕭特基能障(Schottky Barrier)，即上述P、N接面能障區。

根據上述掘井引流式二極體元件/組件之特徵，絕緣體係由位於第一電極四周之隔離溝槽以及填充於隔離溝槽內的絕緣物質所構成；保護環則是在第一電極四周以設置氧化層及/或擴散方式所構成。

根據上述掘井引流式二極體元件/組件之特徵，其第一、第二電極之表面之導電層表面進一步設置有焊球。

根據上述掘井引流式二極體元件/組件之特徵，其第一、二電極表面以外的外部被覆有一層保護層。

相較於先前技術，上述本發明二極體元件/組件係利用掘井方式貫穿P、N接面空乏/能障區後，將底層半導體直接導通至頂層半導體之第二電極；由於是直接從元件內部導通而不需藉由銅材等外接引線就直接將元件的兩極建構在同一面上，讓元件本身就是一個成品，因此可以降低能耗、提升元件效能，不但可節省重要資源達到百分百無鉛化之目的，還可以縮小元件成品的尺寸以滿足晶粒尺寸級封裝(CSP，Chip-Scale Package)的未來趨勢及應用之需求。

此外，本發明無論是製造方法或成品，其適用範圍皆可以涵蓋所有傳統以高台式(Mesa Type)或平面式(Planar Type)製程所完成之二極體元件及其延伸組合運用之相關二極體組件。上述二極體元件例如：一般玻璃被覆整流二極體(General GPP Diode)、蕭特基二極體(Schottky Barrier Diode)、定電壓二極體(Zener Diode)、關關二極體(Switching Diode)等；二極體組件則例如：全波整流器、陣列式整流器等等。

本發明掘井引流式二極體元件/組件及其製造方法可由下列較佳實施例說明得到充分瞭解，並使本技術領域中具有通常知識者可據以完成。然本發明之實施型態並不以下列實施例為限。

本發明之製造方法包含下列步驟：

(A)如第二、三圖所示，將已完成擴散/氧化層/離子布植的矽晶圓片10頂面預設各二極體元件20之第一、第二電極21、22位置，並且在各第一電極21四周設置絕緣體/保護環23來絕緣保護，針對各第二電極22則分別挖掘一引流井24，令各引流井24直接穿過矽晶圓片10頂層11與矽晶圓片底層12之間的P、N接面空乏/能障區13；所述第一、第二電極21、22其中之一的電氣特性為P極，另一電極之電氣特性則為N極。

(B)如四圖所示，利用導電物質對矽晶圓片上各二極體元件20的第一、二電極21、22表面以及引流井24金屬化以形成一層導電層25，使矽晶圓片10之底層12分別與各二極體元件20的第二電極22導通，即可讓矽晶圓片10上各二極體元件20的第一、二電極21、22建構在同一面上。

(C)如第五圖所示，對矽晶圓片10進行切割，以使矽晶圓片10上的各二極體元件20彼此分離；分離出來的各個單一二極體元件20如第六、七圖所示，即為一般覆晶元件(Flip Chip)之單一二極體成品。

如第三、四圖所示，上述製程中，在第一電極21四周設置絕緣體/保護環23的方式可以先設置隔離溝槽後再填入絕緣物質，或者是利用長氧化層及/或擴散方式完成；圖示中是以在隔離溝槽內填入絕緣物質為代表。

如第四到第七圖所示，上述製程中，為了減少矽晶圓片10破損，可在矽晶圓片10背面及/或除了第一、二電極21、22之導電層25表面以外的外部，以整片塗布或預鑄成型方式全面被覆上一層如環氧樹脂等材料所構成之保護層26；此被覆保護層26的製程可先在矽晶圓片10各元件的四周經開溝後填入上述材料，而後再對矽晶圓片10進行切割。

此外，為了讓二極體元件20之成品在後續使用時方便焊接於電路板上，在上述矽晶圓片10進行切割前，可以在金屬化後的第一、二電極21、22表面上進行長焊球27製程。

如第六、七圖所示，由上述製程所完成之單一二極體成品，其構造具備下列特徵：一種掘井引流式二極體元件20，係由頂、底層11、12至少兩種不同電氣特性的半導體/金屬所構成，且頂、底層11、12半導體/金屬之間具備P、N接面空乏/能障區13，其中頂層11設有至少一絕緣體/保護環23以於同一面分隔出第一、第二電極21、22，其中第二電極22進一步設有一引流井24穿透所述之P、N接面空乏/能障區13；所述之第一、第二電極21、22以及引流井24表面分別被覆有導電層25，其中引流井24之導電層25導通底層12半導體與第二電極22，讓電子得以通過引流井24輕易地流經P、N接面空乏/能障區13。

上述掘井引流式二極體元件20中，第一、二電極21、22之導電層25表面以外的外部被覆有一層保護層26，且第一、第二電極21、22之表面之導電層25表面進一步設置有焊球27。

前述實施方式係針對單一二極體元件20說明，然而實務上本發明亦適用於由複數二極體元件所延伸組合運用之相關二極體組件，諸如：全波整流器、陣列式整流器等。

例如第八圖所示，係為一中心抽頭式全波整流器(Center-Tap full-wave rectifier)之電路圖，由圖中可知該中心抽頭式全波整流器係由兩顆P、N二極體所組成，且電氣特性為PNNP或NPPN極排列(圖中以PNNP為例)，並以三根接腳外接電路，所以在實務上可以將PNNP極中的兩個N極結合共構，或者將NPPN極中的兩個P極結合共構。

而前述本發明之掘井引流式二極體組件20若製成中心抽頭式全波整流器，其成品構造即如第九圖所示；圖中揭示，該二極體組件20之構造與前述單一二極體元件構造不同處僅在於第一電極21為兩個，分別位於第二電極22兩側，且第二電極22設有一引流井24穿透P、N接面空乏/能障區13，讓電子得以通過引流井24輕易地流經P、N接面空乏/能障區13；配合前述第八圖所示之電路圖，兩個第一電極21即為兩個P極，第二電極22即為兩個結合共構之N極。至於第九圖所示之其他結構特徵或者是製造方法，皆與前揭內容相同，在此不另贅述。

上述各名稱係為方便描述本發明之技術內容所定，而非用以限制本案之權利範圍，舉凡依據本案之創作精神所作的等效元件轉換、替代，均應涵蓋在本案之保護範圍內，謹此聲明。

10．．．矽晶圓片

11．．．頂層

12．．．底層

13．．．P、N接面空乏/能障區

20．．．二極體元件/組件

21．．．第一電極

22．．．第二電極

23．．．絕緣體/保護環

24．．．引流井

25．．．導電層

26．．．保護層

27．．．焊球

第一圖為習知二極體元件之結構示意圖，其P、N二極被分別建構在二極體晶粒正反兩面。

第二圖為本發明在矽晶圓片頂面預設各二極體元件之第一、第二電極示意圖。

第三圖為本發明第一電極四周設置絕緣體、第二電極挖掘一引流井之示意圖。

第四圖為本發明第一、二電極以及引流井表面金屬化，並被覆保護層之示意圖。

第五圖為本發明在第一、二電極上方設置焊球、以及切割分離製程之示意圖。

第六圖為利用本發明製造方法所製成之單一顆掘井引流式二極體元件結構示意圖。

第七圖為本發明掘井引流式二極體元件將兩極建構在同一面之外觀示意圖。

第八圖為中心抽頭式全波整流器電路配置之示意圖。

第九圖為本發明製成中心抽頭式全波整流器之二極體組件結構示意圖。