一种冶金键合玻封二极管结构及生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种冶金键合玻封二极管结构及生产方法，所述结构包括电极A、电极B、芯片及玻管，所述电极A、电极B和芯片均设置于玻管内，所述芯片与电极A和电极B之间通过扩散焊接实现电气连接，且扩散焊的过渡层材料分别为芯片的上表面金属化层和下表面金属化层，芯片与电极A和电极B之间的扩散焊接和玻管的封接同步完成形成一个整体；所述方法包括元器件组装及烧结步骤。本发明通过高温过程在电极与芯片之间实现冶金键合，具有散热性能好，耐大电流冲击等优点，其工作范围可以从?55℃至175℃；克服了现有技术生产的冶金键合玻封二极管产品抗正向浪涌电流能力和抗反向瞬态功率能力弱等不足。
【专利说明】
一种冶金键合玻封二极管结构及生产方法
技术领域
[0001] 本发明属于半导体元件加工技术领域，具体是涉及一种冶金键合玻封二极管结构 及生产方法。
【背景技术】
[0002] 玻封二极管具有结构简单、体积小、重量轻、成本低廉的特点，在家用电器、汽车电 子、航空航天等各领域均有着广泛的使用，但现有技术生产的冶金键合玻封二极管通常为 杜镁丝电极-银铜锡焊片-芯片-银铜锡焊片-杜镁丝电极的结构，由于杜镁丝、银铜锡焊片 及芯片等部件在热膨胀系数上有着加较大的差异，导致现有技术生产的冶金键合的玻封二 极管存在工作温度范围较窄、耐焊接温度较低、抗正向浪涌电流和反向浪涌功率的能力较 弱及所能承受的热功耗较低等不足。限制了其在较大电流的整流及肖特基整流二极管、 500W及以上功率的TVS产品以及1.5W以上热功率的电压调整二极管上的应用。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种冶金键合玻封二极管结构及生产方法，可以拓展冶金键合玻封 二极管较大电流的整流及肖特基整流二极管、500W及以上功率的TVS产品以及1.5W以上热 功率的电压调整二极管上的应用。
[0004] 本发明通过以下技术方案得以实现。
[0005] -种冶金键合玻封二极管结构，包括电极A、电极B、芯片及玻管，所述电极A、电极B 和芯片均设置于玻管内，所述芯片与电极A和电极B之间通过扩散焊接实现电气连接，且扩 散焊的过渡层材料分别为芯片的上表面金属化层和下表面金属化层，芯片与电极A和电极 B之间的扩散焊接和玻管的封接同步完成形成一个整体。
[0006] 所述电极A和电极B的材料均为钨。
[0007] 所述玻管采用Glass8652玻管，Glass8652玻管的软化点温度为638°C。
[0008] 所述芯片为GPP芯片，且其上表面金属化层和下表面金属化层的材料均为银。
[0009] 所述二极管采用烧结成型，且烧结成型的温度为720°C±20°C。
[0010] -种生产上述冶金键合玻封二极管的方法，其具体方法步骤如下：
[0011] (1)元器件组装:将玻管、电极A及芯片装入下模中，并在上模中装入电极B，再将上 模倒扣在下模上，使得元器件在模具内组装形成二极管，然后在电极B的上端施加重量为 2g-15g的压块；
[0012] (2)烧结:将步骤（1)中组装好的二极管进行烧结，其烧结方法为热壁式真空烧结 或冷壁式真空烧结。
[0013] 所述热壁式真空烧结方法步骤如下：
[0014] A、将步骤(1)中装有二极管的模具推入真空烧结炉炉管中；
[0015] B、将步骤A中炉管抽成真空；
[0016] C、当步骤B中炉管内部真空度低于lXl(T4Pa时开启加热，并将炉管内温度在lOmin ~30min 内升温至 72(TC±2(TC;
[0017] D、将步骤C中炉管内温度恒温lOmin~30min;
[0018] E、在lOmin~30min内将二极管降至室温；
[0019] F、开启放气阀将二极管从烧结炉炉管中取出，即可得到成品玻封二极管。
[0020] 所述冷壁式真空烧结方法步骤如下：
[0021] A、将装有二极管的模具放入真空烧结炉的炉膛中，并将炉盖盖住；
[0022] B、将真空烧结炉抽真空10s~30s后往烧结炉内充入氮气；
[0023] C、待步骤B往烧结炉内充入氮气后再抽真空至炉膛内部真空度低于IX l(T4Pa，并 给石墨模具通电，使模具温度在lOmin~30min内升温至720±20°C ;
[0024] D、将步骤C中模具温度720°C ±20°C恒温lOmin~30min;
[0025] E、步骤D中模具温度恒温lOmin~30min，往炉膛内部充入氮气，在lOmin~30min内 将模具降至室温；
[0026] F、开启炉盖将产品取出，即可得到成品玻封二极管。
[0027]本发明的有益效果在于：
[0028] 1、与现有技术相比，本发明使用与硅材料热膨胀系数最为接近的钨作为电极材 料，取消了现有技术上必须使用的银铜锡焊料层，不但简化了冶金键合玻封二极管产品的 结构，提高了生产效率，同时降低了贵重金属银的用量，还有效的提升了产品各部分之间的 热匹配性，将产品的工作温度范围由现有的-55°C至150°C，提升到了 _55°C至175°C，提高了 产品在高温环境下的环境适应性。
[0029] 2、与现有技术相比，本发明使用的玻管的软化温度由现有技术的550°C提高到了 638°C，拓宽了产品在使用时对焊接过程的兼容性，可以满足638°C，1分钟耐焊接热要求。
[0030] 3、克服了现有技术生产的冶金键合玻封二极管产品由于内部各部件之间热膨胀 系数存在较大差异的原因而导致抗正向浪涌电流能力弱的缺点，将产品抗正向浪涌电流能 力由目前不超过30A，有效提升至100A以上，拓展了冶金键合玻封二极管产品在1A以上的整 流及肖特基整流二极管上的应用。
[0031] 4、克服了现有技术生产的冶金键合玻封二极管产品由于内部各部件之间热膨胀 系数存在较大差异的原因而导致抗反向浪涌功率能力较弱的缺点，将产品抗反向浪涌功率 的能力由目前不超过400W，有效提升至1500W以上，拓展了冶金键合玻封二极管产品在500W 至1500W之间各种功率的TVS产品上的应用。
[0032] 5、克服了现有技术生产的冶金键合玻封二极管产品内部部件较多，导热性较差的 缺点，可以将产品工作时生产的热量及时向两端传递，使产品所能承受的热功耗由现有技 术的1.5W-下提升到5W以上，满足1N5378等5W及以下热功耗的电压调整二极管的生产需 要。
[0033] 6、整个生产过程不使用或使用很少量的氮气等纯化气体，不产生任何有毒有害的 物质，不但降低了生产过程的后勤保障压力，同时整个过程绿色环保无污染。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明中双向直插结构的玻封二极管爆炸示意图；
[0035] 图2是本发明中U型表面贴装结构的玻封二极管爆炸示意图；
[0036] 图3是本发明生产双向直插结构的玻封二极管所使用的模具结构示意图；
[0037] 图4是本发明生产U型表面贴装结构的玻封二极管所使用的模具结构示意图；
[0038] 图5是本发明中生产双向直插结构的玻封二极管时待加工二极管装入模具的结构 示意图。
[0039] 图6是本发明中生产U型表面贴装结构的玻封二极管时待加工二极管装入模具的 结构示意图。
[0040] 图中：1-电极A，2-电极B，3-芯片，4-玻管，5-下模，6-上模，51-下模型腔，61-上模 型腔，7-电极C，8-电极D，31-上表面金属化层，32-下表面金属化层。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所 述。
[0042] 如图1、图2所示，一种冶金键合冶金键合玻封二极管结构，包括电极A1、电极B2、芯 片3及玻管4,所述电极A1、电极B2和芯片3均设置于玻管4内，所述芯片3的上端和下端分别 设置有上表面金属化层31和下表面金属化层32,所述上表面金属化层31与电极B2相连，下 表面金属化层32与电极A1相连，所述芯片3与电极A1和电极B2之间通过扩散焊接实现电气 连接，且扩散焊接的过渡层材料分别为上表面金属化层31和下表面金属化层32;所述电极 A1和电极B2的材料均为钨;所述上表面金属化层31和下表面金属化层32的材料均为银。本 发明中所述芯片3与电极A1和电极B2之间的扩散焊接和玻管4的封接同步完成形成一个整 体，即在焊接加工时，芯片3与电极1A和电极B2之间的扩散焊接和玻管4的封接是一起完成 的。本技术方案使用与硅材料热膨胀系数最为接近的钨作为电极材料，取消了现有技术上 必须使用的银铜锡焊料层，不但简化了冶金键合玻封二极管产品的结构，降低了贵重金属 银的用量，还有效的提升了产品各部分之间的热匹配性，将产品的工作温度范围由现有的_ 55°C至150°C，提升到了 _55°C至175°C，提高了产品在高温环境下的环境适应性;将产品抗 正向浪涌电流能力由目前不超过30A，有效提升至100A以上，拓展了冶金键合玻封二极管产 品在1A以上的整流及肖特基整流二极管上的应用;将产品抗反向浪涌功率的能力由目前不 超过400W，有效提升至1500W以上，拓展了冶金键合玻封二极管产品在500W至1500W之间各 种功率的TVS产品上的应用；克服了现有技术生产的冶金键合玻封二极管产品内部部件较 多，导热性较差的缺点，使产品所能承受的热功耗由现有技术的1.5W-下提升到5W以上。
[0043] 本发明所述的玻封二极管为双向直插结构或U型表面贴装结构，图1为双向直插结 构，其电极A1与电极B2为直插式结构；图2为U型表面贴装结构，其电极C7和电极D8为T形结 构，电极C7、电极D8分别与芯片3焊接成型后形成U型表面贴装结构。
[0044] 所述芯片3为GPP芯片，且其上表面金属化层和下表面金属化层的材料均为银。
[0045] 所述电极A1、电极B2与芯片3之间通过扩散焊实现电气连接，是一种冶金键合结 构，扩散焊接的过渡层材料为芯片3上、下表面的金属化层材料，即为银。
[0046]本发明中涉及的硅、钨、杜镁丝与银铜锡焊片(Ag60Cu30Snl0)的热膨胀系数对比 如下表1所示：
[0047]表1:电极材料热膨胀系数对比
[0049] -种冶金键合生产上述玻封二极管的方法，其具体方法步骤如下：
[0050] (1)元器件组装:将玻管4、电极A1及芯片3装入下模中，并在上模中装入电极B2,再 将上模倒扣在下模上，使得元器件在模具内组装形成二极管，然后在电极B2上端施加重量 为2g_15g的压块;如图3至图6所示，本技术方案中所采用的模具包括下模5和上模6,所述下 模5上设置有下模型腔51，上模6中设置有上模型腔61，其中下模型腔51与上模型腔61同轴， 且下模型腔51的大小与玻管4的外径相匹配，上模型腔61的大小与电极的尺寸相匹配;为便 于插装电极，所述下模型腔51和上模型腔61均与外界连通。如图3所示，用于生产直插式玻 封二极管的模具的上模型腔61的直径小于下模型腔51的直径；如图4所示，用于生产U型表 面贴装结构二极管的模具的上模型腔61的直径和下模型腔51的直径相等。
[0051] 如图5所示，在组装双向直插结构的二极管时，将玻管4置于下模型腔51中，两端 电极A1、电极A2及芯片3均设置于玻管4中，然后再将上模6倒扣在下模5上，最后将组装双向 直插结构二极管的模具放入烧结炉进行烧结即可。如图6所示，在U型表面贴装结构的二极 管时，将玻管4置于下模型腔51中，两端电极C7、电极D8及芯片3均设置于玻管4中，然后再将 上模6倒扣在下模5上，最后将组装双向直插结构二极管的模具放入烧结炉进行烧结即可。 [0052] (2)烧结:将步骤（1)中组装好的二极管进行烧结，其烧结方法为热壁式真空烧结 或冷壁式真空烧结。
[0053]所述热壁式真空烧结方法步骤如下：
[0054] A、将步骤(1)中装有二极管的模具推入真空烧结炉炉管中；
[0055] B、将步骤A中炉管抽成真空；
[0056] C、当步骤B中炉管内部真空度低于lXl(T4Pa时开启加热，并将炉管内温度在lOmin ~30min 内升温至 72(TC±2(TC;
[0057] D、将步骤C中炉管内温度恒温lOmin~30min;
[0058] E、在lOmin~30min内将二极管降至室温；
[0059] F、开启放气阀将二极管从烧结炉炉管中取出，即可得到成品玻封二极管。
[0060] 所述热壁式真空烧结使用热壁式真空烧结炉进行生产。
[0061 ]所述冷壁式真空烧结方法步骤如下：
[0062] A、将装有二极管的模具放入真空烧结炉的炉膛中，并将炉盖盖住；
[0063] B、将真空烧结炉抽真空1 Os~30s后往烧结炉内充入氮气；
[0064] C、待步骤B往烧结炉内充入氮气后再抽真空至炉膛内部真空度低于IX l(T4Pa，并 给石墨模具通电，使模具温度在lOmin~30min内升温至720°C ±20°C ;
[0065] D、将步骤C中模具温度720±20°C恒温lOmin~30min;
[0066] E、步骤D中模具温度恒温lOmin~30min，往炉膛内部充入氮气，在lOmin~30min 内将模具降至室温；
[0067] F、开启炉盖将产品取出，即可得到成品玻封二极管。
[0068] 所述冷壁式真空烧结方法使用冷壁式真空烧结炉进行生产。
[0069]本发明中所述玻管4采用Glass8652玻管，玻管软化点温度为638°C，玻管最高工作 温度为900°C ;芯片上、下表面金属化层材料为银;银的熔点为960°C，银的扩散焊接温度为 480°C~768°C。因此确定产品烧结成型的温度为720°C±20°C。采用本技术方案，使得玻管4 的软化温度由现有技术的550°C提高到了 638°C，拓宽了产品在使用时对焊接过程的兼容 性，可以满足638°C，1分钟耐焊接热要求;整个生产过程不使用或使用很少量的氮气等纯化 气体，不产生任何有毒有害的物质，不但降低了生产过程的后勤保障压力，同时整个过程绿 色环保无污染。
【主权项】
1. 一种冶金键合玻封二极管结构，其特征在于:包括电极A(1)、电极B(2)、芯片(3)及玻 管(4)，所述电极A(l)、电极B(2)和芯片(3)均设置于玻管(4)内，所述芯片(3)与电极A(l)和 电极B(2)之间通过扩散焊接实现电气连接，且扩散焊的过渡层材料分别为芯片(3)的上表 面金属化层(31)和下表面金属化层(32)，芯片（3)与电极A(l)和电极B(2)之间的扩散焊接 和玻管(4)的封接同步完成形成一个整体。2. 根据权利要求1所述的一种冶金键合玻封二极管结构，其特征在于:所述电极A(1)和 电极B(2)的材料均为钨。3. 根据权利要求1所述的一种冶金键合玻封二极管结构，其特征在于:所述玻管(4)采 用Glass8652玻管，Glass8652玻管的软化点温度为638°C。4. 根据权利要求1所述的一种冶金键合玻封二极管结构，其特征在于:所述芯片（3)为 GPP芯片，且其上表面金属化层(31)和下表面金属化层(32)的材料均为银。5. 根据权利要求1所述的一种冶金键合玻封二极管结构，所述二极管采用烧结成型，且 烧结成型的温度为720°C±20°C。6. -种实现如权利要求1至5任意一项所述冶金键合玻封二极管的生产方法，其特征在 于:具体方法步骤如下： (1) 元器件组装:将玻管(4)、电极A(l)及芯片装入下模中，并在上模中装入电极B(2)， 再将上模倒扣在下模上，使得元器件在模具内组装形成二极管，然后在电极B(2)的上端施 加重量为2g_15g的压块； (2) 烧结:将步骤（1)中组装好的二极管进行烧结，其烧结方法可以为热壁式真空烧结 或冷壁式真空烧结。7. 根据权利要求6所述的一种冶金键合玻封二极管的生产方法，其特征在于:所述热壁 式真空烧结方法步骤如下： A、 将步骤(1)中装有二极管的模具推入真空烧结炉炉管中； B、 将步骤A中炉管抽成真空； C、 当步骤B中炉管内部真空度低于lXl(T4Pa时开启加热，并将炉管内温度在lOmin~ 30min 内升温至 72(TC±2(TC; D、 将步骤C中炉管内温度恒温lOmin~30min; E、 在lOmin~30min内将二极管降至室温； F、 开启放气阀将二极管从烧结炉炉管中取出，即可得到成品玻封二极管。8. 根据权利要求6所述的一种冶金键合玻封二极管的生产方法，其特征在于:所述冷壁 式真空烧结方法步骤如下： A、 将装有二极管的模具放入真空烧结炉的炉膛中，并将炉盖盖住； B、 将真空烧结炉抽真空10s~30s后往烧结炉内充入氮气； C、 待步骤B往烧结炉内充入氮气后再抽真空至炉膛内部真空度低于IX l(T4Pa，并给石 墨模具通电，使模具温度在lOmin~30min内升温至720±20°C ; D、 将步骤C中模具温度720°C±20°C恒温lOmin~30min; E、 步骤D中模具温度恒温lOmin~30min，往炉膛内部充入氮气，在lOmin~30min内将模 具降至室温； F、 开启炉盖将产品取出，即可得到成品玻封二极管。
【文档编号】H01L29/861GK105845740SQ201610417019
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】张路非
【申请人】张路非