一種冶金鍵合玻封二極體結構的製作方法

2023-10-10 00:31:24 2

一種冶金鍵合玻封二極體結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種冶金鍵合玻封二極體結構，所述結構包括電極A、電極B、晶片及玻管，所述電極A、電極B和晶片均設置於玻管內，所述晶片與電極A和電極B之間通過擴散焊接實現電氣連接，且擴散焊的過渡層材料分別為晶片的上表面金屬化層和下表面金屬化層，晶片與電極A和電極B之間的擴散焊接和玻管的封接同步完成形成一個整體；所述方法包括元器件組裝及燒結步驟。本實用新型通過高溫過程在電極與晶片之間實現冶金鍵合，具有散熱性能好，耐大電流衝擊等優點，其工作範圍可以從?55℃至175℃；克服了現有技術生產的冶金鍵合玻封二極體產品抗正向浪湧電流能力和抗反向瞬態功率能力弱等不足。
【專利說明】
一種冶金鍵合玻封二極體結構
技術領域
[0001] 本實用新型屬於半導體元件加工技術領域，具體是涉及一種冶金鍵合玻封二極體 結構。
【背景技術】
[0002] 玻封二極體具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低廉的特點，在家用電器、汽車電 子、航空航天等各領域均有著廣泛的使用，但現有技術生產的冶金鍵合玻封二極體通常為 杜鎂絲電極-銀銅錫焊片-晶片-銀銅錫焊片-杜鎂絲電極的結構，由於杜鎂絲、銀銅錫焊片 及晶片等部件在熱膨脹係數上有著加較大的差異，導致現有技術生產的冶金鍵合的玻封二 極管存在工作溫度範圍較窄、耐焊接溫度較低、抗正向浪湧電流和反向浪湧功率的能力較 弱及所能承受的熱功耗較低等不足。限制了其在較大電流的整流及肖特基整流二極體、 500W及以上功率的TVS產品以及1.5W以上熱功率的電壓調整二極體上的應用。 【實用新型內容】
[0003] 本實用新型提供了一種冶金鍵合玻封二極體結構，可以拓展冶金鍵合玻封二極體 較大電流的整流及肖特基整流二極體、500W及以上功率的TVS產品以及1.5W以上熱功率的 電壓調整二極體上的應用。
[0004] 本實用新型通過以下技術方案得以實現。
[0005] -種冶金鍵合玻封二極體結構，包括電極A、電極B、晶片及玻管，所述電極A、電極B 和晶片均設置於玻管內，所述晶片與電極A和電極B之間通過擴散焊接實現電氣連接，且擴 散焊的過渡層材料分別為晶片的上表面金屬化層和下表面金屬化層，晶片與電極A和電極B 之間的擴散焊接和玻管的封接同步完成形成一個整體。
[0006] 所述電極A和電極B的材料均為鎢。
[0007] 所述玻管採用Glass8652玻管，Glass8652玻管的軟化點溫度為638°C。
[0008] 所述晶片為GPP晶片，且其上表面金屬化層和下表面金屬化層的材料均為銀。
[0009] 所述二極體採用燒結成型，且燒結成型的溫度為720°C±20°C。
[0010] -種生產上述冶金鍵合玻封二極體的方法，其具體方法步驟如下：
[0011] (1)元器件組裝:將玻管、電極A及晶片裝入下模中，並在上模中裝入電極B，再將上 模倒扣在下模上，使得元器件在模具內組裝形成二極體，然後在電極B的上端施加重量為 2g-15g的壓塊；
[0012] (2)燒結:將步驟（1)中組裝好的二極體進行燒結，其燒結方法為熱壁式真空燒結 或冷壁式真空燒結。
[0013] 所述熱壁式真空燒結方法步驟如下：
[0014] A、將步驟(1)中裝有二極體的模具推入真空燒結爐爐管中；
[0015] B、將步驟A中爐管抽成真空；
[0016] C、當步驟B中爐管內部真空度低於lXl(T4Pa時開啟加熱，並將爐管內溫度在lOmin ~30min 內升溫至 72(TC±2(TC;
[0017] D、將步驟C中爐管內溫度恆溫lOmin~30min;
[0018] E、在lOmin~30min內將二極體降至室溫；
[0019] F、開啟放氣閥將二極體從燒結爐爐管中取出，即可得到成品玻封二極體。
[0020] 所述冷壁式真空燒結方法步驟如下：
[0021] A、將裝有二極體的模具放入真空燒結爐的爐膛中，並將爐蓋蓋住；
[0022] B、將真空燒結爐抽真空10s~30s後往燒結爐內充入氮氣；
[0023] C、待步驟B往燒結爐內充入氮氣後再抽真空至爐膛內部真空度低於IX l(T4Pa，並 給石墨模具通電，使模具溫度在lOmin~30min內升溫至720±20°C ;
[0024] D、將步驟C中模具溫度720°C ±20°C恆溫lOmin~30min;
[0025] E、步驟D中模具溫度恆溫lOmin~30min，往爐膛內部充入氮氣，在lOmin~30min內 將模具降至室溫；
[0026] F、開啟爐蓋將產品取出，即可得到成品玻封二極體。
[0027]本實用新型的有益效果在於：
[0028] 1、與現有技術相比，本實用新型使用與矽材料熱膨脹係數最為接近的鎢作為電極 材料，取消了現有技術上必須使用的銀銅錫焊料層，不但簡化了冶金鍵合玻封二極體產品 的結構，提高了生產效率，同時降低了貴重金屬銀的用量，還有效的提升了產品各部分之間 的熱匹配性，將產品的工作溫度範圍由現有的_55°C至150°C，提升到了 _55°C至175°C，提高 了產品在高溫環境下的環境適應性。
[0029] 2、與現有技術相比，本實用新型使用的玻管的軟化溫度由現有技術的550°C提高 到了 638°C，拓寬了產品在使用時對焊接過程的兼容性，可以滿足638°C，1分鐘耐焊接熱要 求。
[0030] 3、克服了現有技術生產的冶金鍵合玻封二極體產品由於內部各部件之間熱膨脹 係數存在較大差異的原因而導致抗正向浪湧電流能力弱的缺點，將產品抗正向浪湧電流能 力由目前不超過30A，有效提升至100A以上，拓展了冶金鍵合玻封二極體產品在1A以上的整 流及肖特基整流二極體上的應用。
[0031] 4、克服了現有技術生產的冶金鍵合玻封二極體產品由於內部各部件之間熱膨脹 係數存在較大差異的原因而導致抗反向浪湧功率能力較弱的缺點，將產品抗反向浪湧功率 的能力由目前不超過400W，有效提升至1500W以上，拓展了冶金鍵合玻封二極體產品在500W 至1500W之間各種功率的TVS產品上的應用。
[0032] 5、克服了現有技術生產的冶金鍵合玻封二極體產品內部部件較多，導熱性較差 的缺點，可以將產品工作時生產的熱量及時向兩端傳遞，使產品所能承受的熱功耗由現有 技術的1.5W-下提升到5W以上，滿足1N5378等5W及以下熱功耗的電壓調整二極體的生產需 要。
[0033] 6、整個生產過程不使用或使用很少量的氮氣等純化氣體，不產生任何有毒有害的 物質，不但降低了生產過程的後勤保障壓力，同時整個過程綠色環保無汙染。
【附圖說明】

[0034] 圖1是本實用新型中雙向直插結構的玻封二極體爆炸示意圖；
[0035] 圖2是本實用新型中U型表面貼裝結構的玻封二極體爆炸示意圖；
[0036] 圖3是本實用新型生產雙向直插結構的玻封二極體所使用的模具結構示意圖；
[0037] 圖4是本實用新型生產U型表面貼裝結構的玻封二極體所使用的模具結構示意圖；
[0038] 圖5是本實用新型中生產雙向直插結構的玻封二極體時待加工二極體裝入模具的 結構示意圖。
[0039] 圖6是本實用新型中生產U型表面貼裝結構的玻封二極體時待加工二極體裝入模 具的結構示意圖。
[0040] 圖中：1-電極A，2-電極B，3-晶片，4-玻管，5-下模，6-上模，51-下模型腔，61-上模 型腔，7-電極C，8-電極D，31-上表面金屬化層，32-下表面金屬化層。
【具體實施方式】
[0041] 下面結合附圖進一步描述本實用新型的技術方案，但要求保護的範圍並不局限於 所述。
[0042]如圖1、圖2所示，一種冶金鍵合玻封二極體結構，包括電極A1、電極B2、晶片3及玻 管4,所述電極A1、電極B2和晶片3均設置於玻管4內，所述晶片3的上端和下端分別設置有 上表面金屬化層31和下表面金屬化層32,所述上表面金屬化層31與電極B2相連，下表面金 屬化層32與電極A1相連，所述晶片3與電極A1和電極B2之間通過擴散焊接實現電氣連接，且 擴散焊接的過渡層材料分別為上表面金屬化層31和下表面金屬化層32;所述電極A1和電極 B2的材料均為鎢;所述上表面金屬化層31和下表面金屬化層32的材料均為銀。本實用新型 中所述晶片3與電極A1和電極B2之間的擴散焊接和玻管4的封接同步完成形成一個整體，即 在焊接加工時，晶片3與電極1A和電極B2之間的擴散焊接和玻管4的封接是一起完成的。本 技術方案使用與矽材料熱膨脹係數最為接近的鎢作為電極材料，取消了現有技術上必須使 用的銀銅錫焊料層，不但簡化了冶金鍵合玻封二極體產品的結構，降低了貴重金屬銀的用 量，還有效的提升了產品各部分之間的熱匹配性，將產品的工作溫度範圍由現有的_55°C至 150 °C，提升到了-55°C至175°C，提高了產品在高溫環境下的環境適應性;將產品抗正向浪 湧電流能力由目前不超過30A，有效提升至100A以上，拓展了冶金鍵合玻封二極體產品在1A 以上的整流及肖特基整流二極體上的應用；將產品抗反向浪湧功率的能力由目前不超過 400W，有效提升至1500W以上，拓展了冶金鍵合玻封二極體產品在500W至1500W之間各種功 率的TVS產品上的應用;克服了現有技術生產的冶金鍵合玻封二極體產品內部部件較多，導 熱性較差的缺點，使產品所能承受的熱功耗由現有技術的1.5W-下提升到5W以上。
[0043] 本實用新型所述的玻封二極體為雙向直插結構或U型表面貼裝結構，圖1為雙向直 插結構，其電極A1與電極B2為直插式結構；圖2為U型表面貼裝結構，其電極C7和電極D8為T 形結構，電極C7、電極D8分別與晶片3焊接成型後形成U型表面貼裝結構。
[0044] 所述晶片3為GPP晶片，且其上表面金屬化層和下表面金屬化層的材料均為銀。
[0045] 所述電極A1、電極B2與晶片3之間通過擴散焊實現電氣連接，是一種冶金鍵合結 構，擴散焊接的過渡層材料為晶片3上、下表面的金屬化層材料，即為銀。
[0046]本實用新型中涉及的矽、鎢、杜鎂絲與銀銅錫焊片(Ag60Cu30Snl0)的熱膨脹係數 對比如下表1所示：
[0047]表1:電極材料熱膨脹係數對比
[0049] -種冶金鍵合生產上述玻封二極體的方法，其具體方法步驟如下：
[0050] (1)元器件組裝:將玻管4、電極A1及晶片3裝入下模中，並在上模中裝入電極B2,再 將上模倒扣在下模上，使得元器件在模具內組裝形成二極體，然後在電極B2上端施加重量 為2g_15g的壓塊;如圖3至圖6所示，本技術方案中所採用的模具包括下模5和上模6,所述下 模5上設置有下模型腔51，上模6中設置有上模型腔61，其中下模型腔51與上模型腔61同軸， 且下模型腔51的大小與玻管4的外徑相匹配，上模型腔61的大小與電極的尺寸相匹配;為便 於插裝電極，所述下模型腔51和上模型腔61均與外界連通。如圖3所示，用於生產直插式玻 封二極體的模具的上模型腔61的直徑小於下模型腔51的直徑；如圖4所示，用於生產U型表 面貼裝結構二極體的模具的上模型腔61的直徑和下模型腔51的直徑相等。
[0051] 如圖5所示，在組裝雙向直插結構的二極體時，將玻管4置於下模型腔51中，兩端 電極A1、電極A2及晶片3均設置於玻管4中，然後再將上模6倒扣在下模5上，最後將組裝雙向 直插結構二極體的模具放入燒結爐進行燒結即可。如圖6所示，在U型表面貼裝結構的二極 管時，將玻管4置於下模型腔51中，兩端電極C7、電極D8及晶片3均設置於玻管4中，然後再將 上模6倒扣在下模5上，最後將組裝雙向直插結構二極體的模具放入燒結爐進行燒結即可。 [0052] (2)燒結:將步驟（1)中組裝好的二極體進行燒結，其燒結方法為熱壁式真空燒結 或冷壁式真空燒結。
[0053]所述熱壁式真空燒結方法步驟如下：
[0054] A、將步驟(1)中裝有二極體的模具推入真空燒結爐爐管中；
[0055] B、將步驟A中爐管抽成真空；
[0056] C、當步驟B中爐管內部真空度低於lXl(T4Pa時開啟加熱，並將爐管內溫度在lOmin ~30min 內升溫至 72(TC±2(TC;
[0057] D、將步驟C中爐管內溫度恆溫lOmin~30min;
[0058] E、在lOmin~30min內將二極體降至室溫；
[0059] F、開啟放氣閥將二極體從燒結爐爐管中取出，即可得到成品玻封二極體。
[0060] 所述熱壁式真空燒結使用熱壁式真空燒結爐進行生產。
[0061 ]所述冷壁式真空燒結方法步驟如下：
[0062] A、將裝有二極體的模具放入真空燒結爐的爐膛中，並將爐蓋蓋住；
[0063] B、將真空燒結爐抽真空1 Os~30s後往燒結爐內充入氮氣；
[0064] C、待步驟B往燒結爐內充入氮氣後再抽真空至爐膛內部真空度低於IX l(T4Pa，並 給石墨模具通電，使模具溫度在lOmin~30min內升溫至720°C ±20°C ;
[0065] D、將步驟C中模具溫度720±20°C恆溫lOmin~30min;
[0066] E、步驟D中模具溫度恆溫lOmin~30min，往爐膛內部充入氮氣，在lOmin~30min 內將模具降至室溫；
[0067] F、開啟爐蓋將產品取出，即可得到成品玻封二極體。
[0068] 所述冷壁式真空燒結方法使用冷壁式真空燒結爐進行生產。
[0069]本實用新型中所述玻管4採用Glass8652玻管，玻管軟化點溫度為638°C，玻管最高 工作溫度為900°C;晶片上、下表面金屬化層材料為銀;銀的熔點為960°C，銀的擴散焊接溫 度為480°C~768°C。因此確定產品燒結成型的溫度為720°C±20°C。採用本技術方案，使得 玻管4的軟化溫度由現有技術的550°C提高到了 638°C，拓寬了產品在使用時對焊接過程的 兼容性，可以滿足638°C，1分鐘耐焊接熱要求;整個生產過程不使用或使用很少量的氮氣等 純化氣體，不產生任何有毒有害的物質，不但降低了生產過程的後勤保障壓力，同時整個過 程綠色環保無汙染。
【主權項】
1. 一種冶金鍵合玻封二極體結構，其特徵在於:包括電極A(1)、電極B(2)、晶片(3)及玻 管(4)，所述電極A(l)、電極B(2)和晶片(3)均設置於玻管(4)內，所述晶片(3)與電極A(l)和 電極B(2)之間通過擴散焊接實現電氣連接，且擴散焊的過渡層材料分別為晶片(3)的上表 面金屬化層(31)和下表面金屬化層(32)，晶片（3)與電極A(l)和電極B(2)之間的擴散焊接 和玻管(4)的封接同步完成形成一個整體。2. 根據權利要求1所述的一種冶金鍵合玻封二極體結構，其特徵在於:所述電極A(1)和 電極B(2)的材料均為鎢。3. 根據權利要求1所述的一種冶金鍵合玻封二極體結構，其特徵在於:所述玻管(4)採 用Glass8652玻管，Glass8652玻管的軟化點溫度為638°C。4. 根據權利要求1所述的一種冶金鍵合玻封二極體結構，其特徵在於:所述晶片（3)為 GPP晶片，且其上表面金屬化層(31)和下表面金屬化層(32)的材料均為銀。5. 根據權利要求1所述的一種冶金鍵合玻封二極體結構，所述二極體採用燒結成型，且 燒結成型的溫度為720°C±20°C。
【文檔編號】H01L29/861GK205723553SQ201620570613
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月14日
【發明人】張路非
【申請人】張路非