专利名称：一种瞬态电压抑制二极管的利记博彩app
技术领域：
本实用新型涉及到一种瞬态电压抑制二极管，属于半导体二极管技术领域。
背景技术：
瞬态电压抑制二极管是在稳压管的基础上发展起来的一种特殊二极管，是一种高效能的电路保护器件。具有体积小、响应快、瞬间吸收功率大、无噪声等优点。随着近年来航空、航天对瞬态电压抑制二极管的瞬态功率提出了更高的要求，目前的1.5KW硅瞬态电压抑制二极管系列产品已远远不能满足要求。为此需要研制瞬态功率更大的硅瞬态电压抑
制二极管。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种瞬态电压抑制二极管，以瞬态功率为3KW和5KW 的瞬态电压抑制二极管来满足航空、航天对瞬态电压抑制二极管的瞬态功率的特殊要求， 从而满足生产和使用的需求，克服现有技术的不足。本实用新型的技术方案是这样实现的本实用新型的一种瞬态电压抑制二极管包括与引线连接的管座，管座经铜片与管芯焊接，管芯另一面经铜片与内引线焊接，管芯外设有保护胶；管座上设有管壳，管壳与内引线之间设有绝缘层。前述的瞬态电压抑制二极管中，所述焊接采用高温冶金熔焊；包括管芯与铜片之间的软焊料冶金熔焊；管壳与管座之间的激光焊接；管座与引线及铜片与内引线之间的电阻焊；高温冶金熔焊时，焊接空洞面积控制在连接面积的5%以内，最大限度地增加连接处的接触面积，减小连接热阻。前述的瞬态电压抑制二极管中，所述管芯是在芯片上划出的正六边形，正六边形的厚度为220士 10 μ m,对角边长为4. 7 6. 7mm ；所述芯片是在无位错单晶硅材料上采用长时间深结高浓度掺杂扩散工艺、并且表面浓度在1021/cm3以上形成的PN结。前述的瞬态电压抑制二极管中，所述PN结是在P型衬底上扩散N+型层的PN结， 同时再在P型衬底上扩散有P+型层的欧姆结而形成的N+PP+结构；PN结的结构或是在N 型衬底上扩散N+型层的欧姆结，同时再在N型衬底扩散P+型层作PN结而形成的P+NN+结构。与现有技术相比，现有瞬态电压抑制二极管的瞬态功率较小，不能满足电子产品越来越高的要求。本实用新型解决了产品瞬态脉冲功率、反向漏电流、反向击穿电压之间的矛盾，满足了生产和使用的需求。通过关键工序的工艺攻关，使产品具有结构设计合理、工艺稳定、瞬态脉冲功率大、反向漏电流小、可靠性高等特点。本实用新型采用长时间深结高浓度掺杂扩散工艺，表面浓度控制在1021/cm3以上制成的PN结。为了比较深、浅结扩散的效果，进行了对比试验，以下为5KP200产品试验结果(扩散后分别抽取3片打点测电压，打点位置如图5所示，试验结果如表一所示。表一，深、浅结扩散对比试验记录[0011]
位罝播结扩散浅结扩散击穿电.压Vm击穿电压V 1#2#3ft1#2#3#1231. 1236. 5239. 5248, 3242. 3237. 52231. 6236. 8239. 9248. 1242 . 6236. 83231. 5236. 6η on f^ Δ \J\J U247 . 3^ m237. 44231. 7236. 4239 S247. 6243 5236 · 95231 > 5237. 12 39 5248 % 52 43 & 9236. 46231. 3236. 5239. 4247 , 9242 . 6236. 87231. 1237 - 21240. 1248, 4243. 8237. 98231. 3236. 723d 6248. 6242 . 7237. 49231. 6236 ‘ 9240, 1248. 2242 . 2237. 610231. 5236. 8239. 5248. 7242 . 6236. 9厶Vn0. 60. 80. 71. 4X ι 71. 5 由上表可以看出采用深结高浓度扩散工艺管芯的击穿电压一致性明显优于采用浅结扩散工艺生产的管芯，从而保证了器件的可靠性。
图1是本实用新型的封装结构示意图图2是用P型衬底制作的芯片结构示意图；图3是用N型衬底制作的芯片结构示意图；图4是焊接时，产生和空洞位置示意图；图5是作深、浅结扩散效果时，在芯片上打点的位置图。附图中的标记为:1-引线，2-管座，3-铜片，4-管芯，5-内引线，6_管壳，7_绝缘层，8-保护胶。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但不作为对本实用新型的任何限制。本实用新型的实施例本实用新型的封装结构示意图如图1所示，本实用新型的一种瞬态电压抑制二极管，包括与引线1连接的管座2，管座2经铜片3与管芯4焊接，管芯4另一面经铜片3与内引线5焊接，管芯4外设有保护胶8 ；管座2上设有管壳6，管壳6与内引线5之间设有绝缘层7 ；所述焊接采用高温冶金熔焊；包括管芯4与铜片3之间的软焊料冶金熔焊；管壳6与管座2之间的激光焊接；管座2与引线1及铜片3与内引线5之间的电阻焊；高温冶金熔焊时，焊接空洞面积控制在连接面积的5%以内，最大限度地增加连接处的接触面积，减小连接热阻。所述管芯4是在芯片上划出的正六边形，正六边形的厚度为220士 10 μ m,对角边长为4. 7 6. 7mm ；所述芯片是在无位错单晶硅材料上采用长时间深结高浓度掺杂扩散工艺，表面浓度控制在1021/cm3以上制成的PN结；所述PN结是在P型衬底上扩散N+型层作PN结，再在P型衬底上扩散P+型层作欧姆结，形成N+PP+结构；PN结的结构或是在N型衬底上扩散N+型层作欧姆结，再在N型衬底扩散P+型层作PN结，形成 P+NN+结构。具体实施过程如下在芯片的设计方面。对于瞬态抑制器件，并不要求其长时间工作在大功率状态，而只要求在一个瞬时状态能够吸收一个大的功率，因此在设计中要着重考虑瞬时大功率吸收的问题。而瞬态脉冲功率的吸收与瞬态热阻密切相关。合理的选取管芯的厚度和体积可减小瞬态热阻，借鉴相似器件的制作经验，本实用新型将3KP系列产品管芯设计为对角边长4. 7mm正六边形、厚度220士 10 μ m,将5KP系列产品管芯设计为对角边长6. 7mm正六边形、厚度220士 10 μ m。用扩散法制备PN结，选用P型衬底材料时，首先在P型衬底上扩散N+型层作PN 结，再扩散P+型层作欧姆结，形成N+PP+结构。选用N型衬底材料时，首先在N型衬底上扩散N+型层作欧姆结，再扩散P+型层作 PN结，形成P+NN+结构。在产品结构设计时，除零件选材充分考虑热匹配、热传导、热容量问题，还着重考虑整个产品机械强度设计。我厂已具备1. 5KW系列大功率硅瞬态电压抑制二极管的零件设计技术和生产技术，积累了大量的经验和基础，有着充分的技术保证。产品组件中所有材料的连接全部是采用高温冶金熔焊烧制而成；芯片与电极连接使用软焊料冶金熔焊；管壳与底座采用激光焊接；管壳与内引线连接采用电阻焊。所有这些工艺都与1. 5KW系列大功率硅瞬态电压抑制二极管的一致，经过长期的实践检验，证明完全可以满足器件机械强度设计的。在热设计时，由于大功率瞬态电压抑制二极管在工作时将产生大量的耗散热量， 因此在设计中必须考虑以下三个问题1、器件产生的热量吸收；2、管芯产生的热量是否均勻分布；3、器件内部之间的热匹配。器件的散热方式主要为热传导，散热的好坏由热阻的大小决定。因此，要考虑到热量传导途径上的热阻大小一即硅片和管座。针对瞬态电压抑制二极管的特点，虽然该两个系列型谱产品的瞬态脉冲功率都很大，但是它是瞬时的，通过产品的电流很大但持续的时间较短，器件工作时管芯瞬间会产生很大的热量，热量必须快速被管芯两面的电极所吸收， 这是设计时必须着重考虑的。从瞬态热阻公式=(L)1"可知，当材料确定后，热时间常数τ增大，瞬态热阻RTS就减小，器件工作时所能吸收的能量相应就增大，也就是说，它的瞬态吸
5收功率高，而从热时间常数公式又可见材料的选择非常关键，增加材料厚度W，选择比热CP 和密度ρ大的材料能大大减小瞬态热阻RTS，使器件能够承受大的瞬时脉冲功率。对于大功率硅瞬态电压抑制二极管，仅靠硅管芯，远远不能满足瞬态电压抑制二极管对瞬时大能量的吸收，为此，必须增加其器件内部结构的热时间常数τ，考虑到铜具有足够的热容量、良好的热传导性能和在加工工艺上的可行性，所以采用铜作为提高热时间常数τ的材料，以满足瞬时高能量的冲击。该系列产品执行GJB33A-97《半导体分立器件总规范》，质量保证等级为JP(普军)、 JT (特军)和JCT (超特军)三个等级。我们是按照使用寿命20年，贮存寿命20年来设计的，相应地在封装结构、工艺实施中是必须考虑的。该产品采用金属封装结构，具有体积小、 重量轻、可靠性高的特点。采用该种封装，完全能满足器件的电参数指标要求(特别是瞬态脉冲峰值功率)，以及相应的机械应力、环境试验的考核要求。在制造过程中有以下几个方面的措施1)、采用铜材料做电极片，解决了器件内部热传导、热匹配的问题；2)、烧结时选择合适的烧结温度和保护气体，以保证管芯与底座浸润良好。通过改进工艺，消除了管芯、焊料、底座之间的空洞，保证管芯与底座粘结良好，最大限度地增加了管芯与底座之间的接触面积；3)、产品封装前，必须经过严格的清洁处理并采用阶梯升、降温烘干方法，驱除表面吸附的水汽和可移动粒子。通过实验找出激光环焊工艺最优化的参数，较好地控制了器件气密性和水汽含量；4)、对于该种封装结构，采用激光封焊技术，彻底解决了器件多余物的问题。芯片质量的好坏直接影响到器件的可靠性，由于材料的不均勻或结构和工艺缺陷，会导致工作电流局部集中，即热量不能在管芯上均勻分布，形成热点。对于大功率、大电流器件，热点效应更为突出。为解决该问题，我们主要进行两方面的工作，第一采用无位错单晶硅材料；第二 采用长时间深结高浓度掺杂扩散工艺，表面浓度控制在1021/cm3以上。 采用无位错单晶硅材料可以避免材料自身缺陷引起的电流集中。采用长时间深结高浓度掺杂扩散工艺相对于短时间浅结扩散工艺可以获得缺陷更少、更平整的PN结，这是由于在芯片生产过程中由于杂质和热应力等原因不可避免的会在管芯中引入缺陷，这些缺陷主要集中在芯片的表层区域，深结扩散工艺可以避开缺陷较多的表层区域；其次，深结扩散工艺的击穿电压一致性更高，这是由于深结扩散工艺所选取的衬底硅材料的电阻率更低，而随着选取的衬底硅材料电阻率的降低，其硅片上各区域的电阻率一致性更高，从而在材料上保证了扩散后PN结的平整，使得器件工作时，电流可以更均勻的流过整颗管芯。烧焊工艺。烧焊降低热阻，减少空洞。烧焊的目的是在保护气体下，通过高温加热， 使管芯和管座焊接在一起，形成良好的欧姆接触，是器件制作过程中的关键工序。其工艺控制的好坏直接关系到器件的抗浪涌能力，就是器件所能承受的瞬时脉冲功率。这就要求烧焊时，管芯与铜片之间，铜片与底座之间键合牢固，沾润平整，消除烧焊缝隙，减小空洞，最大限度地保证芯片有效面积，减小热阻，及时将管芯产生的热量吸收。热阻是表征半导体器件散热能力大小的参数，在限定半导体结温下，器件所能承受的耗散功率由热阻决定。对于大电流、大功率半导体器件来讲热阻是非常重要的参数。热阻包括以下部分(1)管芯的热阻；(2)管芯和管壳接触焊料层的热阻；(3)管壳本身的热阻。一般地讲，管芯和管壳本身的热阻是由制作材料和制作工艺决定了的，在后部组装时基本不变，而管芯和管壳接触焊料层的热阻是由烧焊工序的工艺质量所决定的。烧焊工艺效果的优劣取决于浸润程度，即熔融的焊料在焊接表面的流动扩散情况。在烧焊过程中会有大量的气体产生，焊料中的焊剂挥发产生的气体、装架时裹带的空气和焊料熔化时产生的气体。如果这些气体不能排放出去，就会存在于熔化的焊料层中，影响焊料在焊接表面的流动扩散，当焊料冷却时就形成了空洞(也有人称为气泡的)。如图2所示。图中A类空洞会使通过芯片的电流不均勻，容易形成局部“热斑”;B类和C类空洞降低了焊料层的导热能力。空洞的存在使得管芯和底座有效沾润面积减少，当产品经过高温寿命、温度循环、 功率老练等筛选试验之后，因为芯片、底座和焊料层的热膨胀系数不同而产生的热应力，会加速器件的热疲劳失效，轻则热阻增加，重则焊料层出现裂纹，严重影响了产品的质量和可靠性。可见，热阻对于大电流、大功率半导体器件是多么重要，要降低热阻，就必须减少空洞。我厂现有1.5KW硅瞬态电压抑制二极管其管芯焊接空洞面积控制在5%以内，对于我厂目前的工艺状况而言，要解决好3KW、5KW硅瞬态电压抑制二极管大面积管芯烧焊空洞问题，必须将管芯焊接空洞面积同样控制在5%以内。对于大功率瞬态电压抑制二极管必须减少空洞，降低烧焊热阻，烧焊所用焊料、助焊剂的质量好坏对于大面积焊接工艺非常重要，在工艺实施中，需要质量等级高的焊料及助焊剂。进一步优化烧焊工艺，采用合适的烧焊保护气体(气体的纯度、气体流量大小等)， 烧焊温度、烧焊时间等，确保消除管芯、焊料、底座之间的空洞，保证管芯与底座粘结良好， 最大限度地增加了管芯与底座之间的接触面积。台面造型、腐蚀工艺。对于大功率瞬态电压抑制二极管我们所希望的芯片造型为正斜角造型，使PN结击穿尽可能发生于体内，提高器件承受瞬态脉冲功率能力和可靠性。在研制时，我们把传统的芯片超声切割工艺改为划片工艺。这是因为超声切割会造成管芯崩边、缺角、裂纹等缺陷，影响成品率。采用划片工艺后能大幅减少此类缺陷的产生。采用腐蚀的办法，去除PN结表面氧化层及其他离子及机械损伤，减弱表面电场， 使PN结击穿发生于体内，获得理想的台面造型。造型的好坏直接关系到器件可靠性和抗浪涌能力，该采用何种腐蚀工艺(如腐蚀的配方、腐蚀的温度、腐蚀的时间等等)，才能较好地控制腐蚀速度，使芯片台面平整、光滑，获得理想的台面造型是关键工艺技术。硅片表面因加工应力而形成一层损伤层及污染，这层损伤层必须予以去除。通常是采用化学腐蚀的方式。而依据所使用的腐蚀液的不同，化学腐蚀又分为酸性腐蚀及碱性腐蚀两种。1)酸性腐蚀酸性腐蚀是各向同性的过程，就是说硅晶的各晶向受到均勻的化学腐蚀，常用的酸性腐蚀液，由不同配比的硝酸(HN03)、氢氟酸(HF)及缓冲酸等组成。酸性腐蚀的反应的机制包含两个步骤首先，是利用HN03来氧化表面，如式(1)和式(2)所示；接下来硅晶表面形成的氧化物，可被HF络合成可溶性络合物而去除，如式(3) 所示。因此，HN03是一种氧化剂，而HF则为络合剂。[0050]步骤I Si + 2HN03 — SiO2 + 2HN02 (1)2HN02 ^ NO + NO2 + H2O(2)步骤II SiO2 + 6HF — H2SiF6 + 2H20 (3)腐蚀液的配方比例对反应过程控制具有头等重要性。氧化速率和溶解速率匹配时腐蚀速率最高。但是对腐蚀工艺的要求不是腐蚀速率的高低，而是腐蚀速率的可控性。在生产中，通常采用硝酸含量较高的腐蚀液。如果腐蚀液中HF含量较多，则腐蚀过程受氧化反应控制。因为氧化反应对硅片晶向、掺杂浓度和晶体缺陷比较敏感，所以HF含量较多的腐蚀液中硅片表面腐蚀速率是不均勻的，硅片腐蚀表面粗糙并有凹坑，角和棱变得尖锐(两表面夹角小于90〇)，HN03的浓度大约增至25%时，硅表面变得无光泽，角和棱呈方形，HN03的浓度超过35%时，腐蚀表面呈镜面，角和棱变成圆弧状。若腐蚀液中HN03含量较多，则腐蚀过程受反应生成物溶解速率的限制。反应生成物离开硅片表面进行腐蚀液必须穿过硅片表面的液相边界层，而边界层厚度受液体对流速度的影响。因此，如果用HN03含量较高的酸性腐蚀液，可以通过超声或腐蚀液搅拌控制腐蚀速率。超声和搅拌可以加快物质传递速度，使反应物及时输运到固体表面使反应产物及时离开，有利于反应的进行。在腐蚀过程中往往会在腐蚀面析出气体，妨碍反应进行，并使局部过热。为此，可以采用超声和搅拌处理加快气体析出，以改善腐蚀表面质量。超声和搅拌还能改变腐蚀液的择优性。腐蚀温度越高，腐蚀速率越快，为了改善腐蚀表面质量而把腐蚀温度定得低一些。缓冲酸液不仅具有缓冲腐蚀速率的作用，而且作为改善硅片表面的湿化程度的界面活化剂，良好的湿化条件可以促进均勻，避免硅片表面出现不规则的腐蚀结构。醋酸 (CH3COOH)及磷酸(H3PO4)为最普遍被使用的缓冲酸液，其中CH3COOH具有较高的蒸气压，所以在腐蚀液中的浓度较不稳定。磷酸H3PO4虽可以改善硅片表面的反射度，但却会降低腐蚀速率。2)碱性腐蚀硅片在碱性腐蚀液中的腐蚀过程是反应控制过程，反应速度取决于表面悬挂键密度，因而与晶向有关，碱性腐蚀是各向异性的过程，也就是说腐蚀速率与结晶方向有关。这是由于(111)表面具有较少的自由键，所以比(100)或(110)不易被OH —腐蚀反应掉。碱性腐蚀最常用的化学品为KOH或NaOH，而腐蚀的反应机制可写为Si + 2K0H + H2O — K2SiO3 + 2H2通常腐蚀速率随KOH浓度增加到一最大值后，会随着浓度进一步增加反而减小。 较高的KOH浓度，在控制腐蚀去除量上较为容易。通常，愈高的温度，硅片表面越不会遗留斑点，但造成金属污染的机会却反而增加，碱性腐蚀速率也与硅片表面的机械损伤有关，一旦损伤层完成去除后，腐蚀速率会变得比较缓慢。碱性腐蚀后的硅片，同样必须达到一定的表面特性。一般而言，碱性腐蚀硅片的粗糙度比酸性腐蚀硅片有粗糙度大，因此硅片表面较容易吸附一些不必要的微粒。表二对酸性腐蚀及碱性腐蚀的特性进行了比较，由表二可知，碱性腐蚀就表面平坦度、成本与环保而言优于酸性腐蚀，但腐蚀后的表面性质(表面粗糙度和腐蚀深度)尚不理想。[0064]表二酸性腐蚀与碱性腐蚀的比较
权利要求1.一种瞬态电压抑制二极管，其特征在于包括与引线(1)连接的管座O)，管座(2) 经铜片⑶与管芯⑷焊接，管芯⑷另一面经铜片⑶与内引线(5)焊接，管芯⑷外设有保护胶⑶；管座⑵上设有管壳(6)，管壳(6)与内引线(5)之间设有绝缘层(7)。
2.根据权利要求1所述的瞬态电压抑制二极管，其特征在于所述焊接采用高温冶金熔焊；包括管芯⑷与铜片⑶之间的软焊料冶金熔焊；管壳(6)与管座(2)之间的激光焊接；管座(2)与引线(1)及铜片(3)与内引线(5)之间的电阻焊；高温冶金熔焊时，焊接空洞面积控制在连接面积的5 %以内，最大限度地增加连接处的接触面积，减小连接热阻。
3.根据权利要求2所述的瞬态电压抑制二极管，其特征在于所述管芯(4)是在芯片上划出的正六边形，正六边形的厚度为220士 10 μ m，对角边长为4. 7 6. 7mm。
专利摘要本实用新型公开了一种瞬态电压抑制二极管，其特征在于包括与引线(1)连接的管座(2)，管座(2)经铜片(3)与管芯(4)焊接，管芯(4)另一面经铜片(3)与内引线(5)焊接，管芯(4)外设有保护胶(8)；管座(2)上设有管壳(6)，管壳(6)与内引线(5)之间设有绝缘层(7)。本实用新型解决了产品瞬态脉冲功率、反向漏电流、反向击穿电压之间的矛盾，满足了生产和使用的需求。通过关键结构的改进，使产品具有结构设计合理、工艺稳定、瞬态脉冲功率大、反向漏电流小、可靠性高等特点。
文档编号H01L21/22GK201956357SQ20102064401
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者吴贵松, 周廷荣, 周鹏 申请人:中国振华集团永光电子有限公司