一種50a大電流快恢復二極管的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種50A大電流快恢復二極管的制作方法，包括：提供N型半導體硅材料作為半導體襯底；在N型半導體襯底上摻雜N+型雜質；去除半導體襯底一面的N+型雜質層；在暴露出的N-型半導體材料上再雙雜質摻雜P+型雜質；再采用高溫擴散的方法進行重金屬鉑摻雜；進行第一次掩膜光刻；在鈍化槽中刮涂玻璃粉，高溫燒結成型，完成PN結玻璃鈍化；采用真空濺射法，在硅片兩面制作多層金屬化層；進行第二次掩膜光刻；將硅片分割成獨立的管芯；將芯片與引線組件冶金鍵合在一起；采用燒結的方法將芯片、引線組件與管座冶金鍵合在一起；采用儲能焊，將管帽與底座封焊成型。本發明受環境影響小，工藝成熟、穩定、重復性好，可廣泛用于大電流恢復二極管的大批量生產。
【專利說明】-種50A大電流快恢復二極管的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于半導體【技術領域】，涉及一種50A大電流快恢復二極管的制作方法。
【背景技術】
[0002] 大電流快恢復二極管以其工作電流大（50A以上）、正向電壓小（1.4V以下）、反向 恢復時間短（l〇〇ns)的特點，被廣泛應用于電子線路、電源系統等的整流作用，尤其是大功 率的開關電路更是必不可少。
[0003] 由于所有的電子線路、電源系統在工作時都會發熱，因此電路中電子元器件的高 溫工作穩定性就成為考核產品質量和可靠性的重要技術指標，作為整流作用的大電流快恢 復二極管的高溫工作穩定性更是直接影響輸出電流的穩定性，從而決定電路、電源能否正 常工作。而大電流快恢復二極管的高溫工作穩定性主要是由產品的PN結臺面鈍化工藝決 定。
[0004] 目前國內外普遍采用聚酰亞胺鈍化PN結臺面，該工藝具有工藝簡單、成本低、批 產量大等優點，但由于聚酰亞胺是有機高分子鈍化材料，溫度穩定性差，采用該工藝的產品 PN結鈍化效果差，反向漏電流高溫下比較大，產品耐溫度沖擊等環境適應性的能力較差，長 期工作的穩定性也不理想。
[0005] 在實際使用中還發現，現有技術形成的大電流恢復二極管還存在電流較小（一般 都在50A以下），反向恢復時間過大的問題，不能滿足大電流高頻電路的使用。
[0006] 第三，現有技術形成的大電流恢復二極管封裝多為玻璃封裝、塑料封裝，在實際使 用中不能滿足有高低溫變化、有較強機械應力及且有輻照的環境使用。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種50A大電流快恢復二極管的制作方法，解決了現有技術 中存在的問題，制作的50A大電流快恢復二極管受環境影響小，工藝成熟、穩定、重復性好。
[0008] 為解決上述問題，本發明實例提供一種50A大電流快恢復二極管的制作方法，包 括：
[0009] 步驟S101，提供N型半導體硅材料作為半導體襯底；
[0010] 步驟S102,采用高溫擴散的方法在N型半導體襯底上摻雜N+型雜質，擴散溫度為 1000。。?1200。。；
[0011] 步驟S103,采用磨片的方法去除半導體襯底一面的N"型雜質層，暴露出f層，為 摻雜P+型雜質做準備；
[0012] 步驟S104,采用高溫擴散的方法在暴露出的f型半導體材料上再雙雜質摻雜P+ 型雜質，形成PN擴散結，擴散溫度為1000°C?1200°C，P+型雜質擴散結深達到30 μ m? 70 μ m ；
[0013] 步驟S105,再采用高溫擴散的方法對摻雜好的硅片進行重金屬鉬摻雜，重金屬鉬 摻雜后擴散溫度為800°C?900°C ;
[0014] 步驟S106,進行第一次掩膜光刻，刻蝕暴露出PN結鈍化槽，PN結鈍化槽槽深 40 μ m ~ 80 μ m ；
[0015] 步驟S107,采用高低溫交替燒結和多次刮涂的工藝，在鈍化槽中刮涂玻璃粉，并經 過高溫燒結成型，燒結溫度為700°C?800°C，完成PN結玻璃鈍化；
[0016] 步驟S108,采用真空濺射的方法，在硅片兩面制作多層金屬化層Ti/Ni/Ag，金屬 化層厚度為500A/5000A/12000A;
[0017] 步驟S109,進行第二次掩膜光刻，刻蝕掉玻璃鈍化槽上的金屬化層，刻蝕后去除光 刻膠；
[0018] 步驟S110,采用機械分割的方法，將硅片分割成獨立的管芯；
[0019] 步驟S111，采用燒結的方法將芯片與引線組件冶金鍵合在一起，燒結溫度為 280°C ?380°C ;
[0020] 步驟S112,采用燒結的方法將芯片、引線組件與管座冶金鍵合在一起，燒結溫度為 280°C ?380°C ;
[0021] 步驟S113,采用儲能焊將管帽與底座封焊成型，即完成大電流二極管的制作。
[0022] 進一步地，在N型半導體襯底上摻雜N+型雜質為磷的化合物，所述磷的化合物為 P2〇5或磷烷。
[0023] 進一步地，在暴露出的f型半導體材料上再雙雜質摻雜P+型雜質為硼的化合物和 鋁的化合物，所述硼的化合物為B 203、BF或硼烷，鋁的化合物為A1N03。
[0024] 進一步地，步驟S105中，所述重金屬鉬摻雜，鉬材料按照質量比為氯鉬酸：酒精= 0· 1?lg :1000ml的比例配制。
[0025] 進一步地，步驟S106中，進行第一次掩膜光刻，先進行光刻開槽版圖對版標記，然 后采用腐蝕液開槽腐蝕3?4min，將腐蝕槽置于冰水混和物中控制腐蝕溫度至0°C，刻蝕暴 露出PN結鈍化槽。
[0026] 進一步地，所述腐蝕液按照下述體積比的原料配制：
[0027] 冰乙酸：HF:HN03 = 1 ?2:2 ?5:4 ?10。
[0028] 進一步地，步驟S107中，采用高低溫交替燒結和多次刮涂的工藝方法為：先將玻 璃粉刮涂在PN結鈍化槽中，然后采取高溫為820°C燒結6min，再采用低溫為510°C，燒結 lOmin，之后再進行玻璃粉刮涂、高低溫燒結，重復多次。
[0029] 進一步地，步驟S109中，刻蝕玻璃鈍化槽上的金屬化層采用多種腐蝕液分次腐 蝕，進行多層金屬化層Ag/Ni/Ti刻蝕，刻蝕Ag時間為1?lOmin，刻蝕Ni在40-80°C水浴 中5?15min ;刻蝕Ti時間為1?lOmin。
[0030] 進一步地，所述多種腐蝕液包括：
[0031 ] 腐蝕Ag腐蝕液為體積比的氨水：雙氧水=1 :1 ;
[0032] 腐蝕Ni腐蝕液為體積比的三氯化鐵：無水乙醇=1:1. 5 ;
[0033] 腐蝕Ti腐蝕液為體積比的HF :冰乙酸：水=1:1:4。
[0034] 進一步地，步驟S109中，刻蝕后去除光刻膠，使用剝離液，在30°C?80°C水浴中進 行。
[0035] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0036] 本發明實例通過光刻刻蝕工藝去除管芯之間的硅材料，暴露出PN結溝槽，再在溝 槽內填充玻璃粉，實現對所述管芯PN結進行玻璃鈍化。比現有方法制備的產品減小了 PN 結的反向漏電流，提高了高溫工作的穩定性。同時，由于PN結的深結工藝，使產品具有較好 的抗輻照性能。
[0037] 本發明實例通過硼鋁雙雜質擴散工藝，實現深結摻雜，使產品在保證大電流的前 提下，有效提商反向電壓范圍。
[0038] 本發明實例通過重金屬摻雜，減小了產品反向恢復時間。
[0039] 本發明實例通過采取D0-213AB金屬螺栓型封裝，解決了玻璃封裝無法實現大體 積、塑料封裝穩定性和可靠性低的問題。
[0040] 采用本發明工藝方法，玻璃鈍化臺面結構及工藝技術替代聚酰亞胺鈍化PN結臺 面，有效的提高了產品的高溫工作穩定性，經125°C高溫下測試反向漏電流，聚酰亞胺鈍化 產品反向漏電流比采用現有方法減小了數倍，溫度循環和溫度沖擊等試驗都達到了國軍標 及美軍標要求。
[0041] 采用本發明工藝的產品采用深結擴散技術，以高溫工作穩定好，長期工作可靠性 高，具有抗輻照性能等特點，在市場上無可替代，將成為大電流恢復二極管的生產方向。
[0042] 本發明采用金屬螺栓型封裝，保證50A以上大電流恢復二極管的散熱性能，安裝 方便、可靠。
[0043] 該方法抗輻照指標填補了國內空白，且采用該方法制備的50A大電流二極管優于 國外同類產品。本發明受環境影響小，工藝成熟、穩定、重復性好的特點，可廣泛適用于大電 流恢復二極管的大批量生產中。
[0044] 采用本發明工藝生產的產品已廣泛應用于航空、航天、電子、兵器、船舶等領域，以 高質量、高可靠性的優點得到用戶認可。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于 本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 的附圖。
[0046] 圖1是本發明大電流恢復二極管的制作方法流程示意圖。
[0047] 圖2是本發明N型雜質摻雜示意圖。
[0048] 圖3是本發明P型雜質摻雜示意圖。
[0049] 圖4是本發明玻璃鈍化示意圖。
[0050] 圖5是金屬化層示意圖。
[0051] 圖6是芯片與引線組件冶金鍵合剖面圖。
[0052] 圖7是芯片引線組件與管座冶金鍵合剖面圖。
[0053] 圖8是管帽封焊剖面圖。
[0054] 圖中：11是N型硅材料層，12是高濃度N型雜質摻雜層，13是高濃度P型雜質摻 雜層，14是玻璃鈍化槽，15是多層金屬化層，16是鍵合部位，16-1為引線柱，16-2為上電 極，16-3為管芯，16-4為下電極，17-1為下管帽，17-2為上管帽，17-3為沖凹，18是焊接部， 18-1為封帽。
【具體實施方式】
[0055] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步地詳細描述。
[0056] 結合圖1的流程圖對本發明的方法步驟進行說明：
[0057] -種50A大電流快恢復二極管的制作方法，包括下述步驟：
[0058] 步驟S101，提供半導體襯底，所述半導體襯底為N型半導體硅材料，可根據不同的 反向電壓選擇不同的材料電阻率；見圖2的N型硅材料層11。
[0059] 步驟S102,在N型半導體襯底上摻雜N+型雜質（磷的化合物，例如P205或磷烷）， 一般采用高溫擴散的方法實現，擴散溫度在l〇〇〇°C?1200°C ;見圖2的高濃度N型雜質摻 雜層12。
[0060] 步驟S103,采用磨片的方法去除半導體襯底一面的N"型雜質層，暴露出f層，為 摻雜P+型雜質做準備。
[0061] 步驟S104,在暴露出的f型半導體材料上再雙雜質摻雜P+型雜質（硼的化合物， 例如B 203、BF或硼燒，和鋁的化合物，例如A1N03)，也可采用高溫擴散的方法形成PN擴散結， 擴散溫度在1000°C?1200°C，保證擴散結深達到30μπι?70μπι ;見圖3的高濃度P型雜 質慘雜層13。
[0062] 步驟S105,對摻雜好的硅片，再采用高溫擴散的方法進行重金屬（鉬）摻雜，鉬材 料按照質量比為氯鉬酸：酒精=〇. 1?lg :lOOOrnl的比例配制。擴散溫度在800°C?900°C， 具體溫度點按反向恢復時間要求調整。
[0063] 步驟S106,進行第一次掩膜光刻，刻蝕暴露出PN結鈍化槽，槽深40 μ m?80 μ m ; 具體方法為：首先在設計光刻開槽版圖時對版標記，其次在開槽腐蝕時，首先在設計光刻開 槽版圖的對版標記時，為解決毛面硅片二次對版困難的問題，就需要在合理的版圖面積內， 盡量擴大對版標記尺寸，設計的對版標記形狀醒目、易于二次對版。其次在開槽腐蝕時，調 整腐蝕時間為3?4min，為減緩腐蝕速度，采用將腐蝕槽置于冰水混和物中控制腐蝕溫度 至〇°C，腐蝕液為冰乙酸、HF、HN0 3 = 1:2:4 (體積比）的混合物，有效的控制橫向腐蝕，解決 毛面硅片橫向腐蝕速度過快的問題。
[0064] 通過大量試驗，不斷調整腐蝕液的配比，確定出最佳條件，既能保證縱向結深的要 求，又可以控制毛面硅片橫向腐蝕速度過快的問題。見圖4的玻璃鈍化槽14。
[0065] 步驟S107,采用高低溫交替燒結和多次刮涂的工藝，先將玻璃粉刮涂在PN結鈍 化槽中，然后采取高溫為820°C燒結6分鐘，再采用低溫為510°C，時間lOmin進行多次 刮涂、高低溫燒結，重復多次；在鈍化槽中刮涂玻璃粉，并經過高溫燒結成型，燒結溫度為 700°C?800°C，完成PN結玻璃鈍化；為保證深槽（40 μ m?80 μ m)玻璃粉的填充質量和鈍 化質量；見圖4的玻璃鈍化槽14。
[0066] 步驟S108,采用真空濺射的方法，在硅片兩面制作多層金屬化層Ti/Ni/Ag，金屬 化層厚度為500Λ/5000Α/12000Α;見圖5的多層金屬化層15。
[0067] 步驟S109,進行第二次掩膜光刻，刻蝕掉玻璃鈍化槽上的金屬化層；見圖5的多 層金屬化層15 ;本發明掩膜光刻是在原始硅片進行，因為電流很大50Α，管芯面積也必須很 大，為保證管芯與外殼大面積粘潤性，必須在原始硅片上制作金屬化層，因此不能拋光。方 法是首先在設計光刻開槽版圖時對版標記，其次在開槽腐蝕時，在反刻金屬化層時，采用多 種腐蝕液分次腐蝕進行多層金屬化刻蝕。
[0068] 由于正面金屬化層要作為大面積冶金鍵合的焊料使用，因此正面金屬必須采用多 層金屬化，在多層金屬化反刻時就是技術難點之一。多層金屬分別為Ti、Ni、Ag，刻蝕時采 用的腐蝕液、腐蝕時間都不相同，分別為：
[0069] 腐蝕Ag控制條件為：腐蝕液配比：氨水：雙氧水=1 :1 (體積比）
[0070] 腐蝕時間：1?lOmin ;
[0071] 腐蝕Ni控制條件為：腐蝕液配比：三氯化鐵：乙醇=10g :5ml
[0072] 腐蝕時間：5?15min ;
[0073] 腐蝕Ti控制條件為：腐蝕液配比：HF :冰乙酸：水=1:1:4(體積比）
[0074] 腐蝕時間：1?lOmin。
[0075] 刻蝕后光刻膠的去除也是本發明的技術難點之一，由于本發明管芯反刻是在多層 金屬化層上進行，去除光刻膠時，為保護多層金屬化層不受腐蝕，不能使用常規的腐蝕性液 體，因此通過大量的工藝試驗和不同材料的實驗，確定出最佳的去膠條件：使用剝離液（購 自昆山市鼎豐化工有限公司），在30°C?80°C水浴中進行。
[0076] 步驟S110,采用機械分割的方法，將硅片分割成獨立的管芯。
[0077] 步驟S111，采用燒結的方法將芯片與引線組件冶金鍵合在一起，芯片與外引線冶 金鍵合絲為高純鋁絲，燒結溫度為280°C?380°C;見圖6的鍵合部位16,其中，16-1為引線 柱，16-2為上電極，16-3為管芯，16-4為下電極。
[0078] 步驟S112,采用燒結的方法將芯片、引線組件與管座冶金鍵合在一起，燒結溫度為 280°C?380°C ;見圖7的17-1為下管帽。
[0079] 步驟S113,采用儲能焊，將管帽與底座封焊成型。封裝采用D0-203A美制螺紋螺栓 型封裝，由于該封裝的產品內部零組件很多，封裝過程繁瑣，同時不能損傷外部螺紋，因此 為保證封裝質量，采用管芯與外殼大面積燒結技術和多次多套模具燒結，最后采用儲能封 焊技術完成封裝；見圖8的焊接部18,其中，17-2為上管帽，17-3為沖凹，18-1為封帽。
[0080] 本發明的實例產品與國內外產品的技術指標對比：
[0081]
[0082]
【權利要求】
1. 一種50A大電流快恢復二極管的制作方法，其特征在于，該方法包括下述步驟： 步驟S101，提供N型半導體硅材料作為半導體襯底； 步驟S102,采用高溫擴散的方法在N型半導體襯底上摻雜N+型雜質，擴散溫度為 1000。。?1200。。； 步驟S103,采用磨片的方法去除半導體襯底一面的N+型雜質層，暴露出f層，為摻雜P+型雜質做準備； 步驟S104,采用高溫擴散的方法在暴露出的N-型半導體材料上再雙雜質摻雜P+型雜 質，形成PN擴散結，擴散溫度為1000°C?1200°C，P+型雜質擴散結深達到30μm?70μm; 步驟S105,再采用高溫擴散的方法對摻雜好的硅片進行重金屬鉬摻雜，重金屬鉬摻雜 后擴散溫度為800°C?900°C; 步驟S106,進行第一次掩膜光刻，刻蝕暴露出PN結鈍化槽，PN結鈍化槽槽深40μm? 80μm； 步驟S107,采用高低溫交替燒結和多次刮涂的工藝，在鈍化槽中刮涂玻璃粉，并經過高 溫燒結成型，燒結溫度為700°C?800°C，完成PN結玻璃鈍化； 步驟S108,采用真空濺射的方法，在硅片兩面制作多層金屬化層Ti/Ni/Ag，金屬化層 厚度為 500A/5000A/12000A: 步驟S109,進行第二次掩膜光刻，刻蝕掉玻璃鈍化槽上的金屬化層，刻蝕后去除光刻 膠； 步驟S110,采用機械分割的方法，將硅片分割成獨立的管芯； 步驟Slll，采用燒結的方法將芯片與引線組件冶金鍵合在一起，燒結溫度為280°C? 3800C； 步驟S112,采用燒結的方法將芯片、引線組件與管座冶金鍵合在一起，燒結溫度為 280°C?380°C; 步驟S113,采用儲能焊將管帽與底座封焊成型，即完成大電流二極管的制作。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在N型半導體襯底上摻雜N+型雜質為磷 的化合物，所述磷的化合物為P2O5或磷烷。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在暴露出的f型半導體材料上再雙雜質 摻雜P+型雜質為硼的化合物和鋁的化合物，所述硼的化合物為B203、BF或硼烷，鋁的化合物 為AlNO3。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S105中，所述重金屬鉬摻雜，鉬材料 按照質量比為氯鉬酸：酒精=〇. 1?Ig:l〇〇〇ml的比例配制。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S106中，進行第一次掩膜光刻，先進 行光刻開槽版圖對版標記，然后采用腐蝕液開槽腐蝕3?4min，將腐蝕槽置于冰水混和物 中控制腐蝕溫度至〇°C，刻蝕暴露出PN結鈍化槽。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述腐蝕液按照下述體積比的原料配制： 冰乙酸：HF:HN03 = 1 ?2:2 ?5:4 ?10。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S107中，采用高低溫交替燒結和多次 刮涂的工藝方法為：先將玻璃粉刮涂在PN結鈍化槽中，然后采取高溫為820°C燒結6min，再 采用低溫為510°C，燒結lOmin，之后再進行玻璃粉刮涂、高低溫燒結，重復多次。
8. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S109中，刻蝕玻璃鈍化槽上的金屬化 層采用多種腐蝕液分次腐蝕，進行多層金屬化層Ag/Ni/Ti刻蝕，刻蝕Ag時間為1?lOmin， 刻蝕Ni在40-80°C水浴中5?15min;刻蝕Ti時間為1?lOmin。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述多種腐蝕液包括： 腐蝕Ag腐蝕液為體積比的氨水：雙氧水=1 :1 ; 腐蝕Ni腐蝕液為體積比的三氯化鐵：無水乙醇=1:1. 5 ; 腐蝕Ti腐蝕液為體積比的HF:冰乙酸：水=1:1:4。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S109中，刻蝕后去除光刻膠，使用剝 離液，在30°C?80°C水浴中進行。
【文檔編號】H01L21/329GK104269356SQ201410514760
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】王嘉蓉 申請人:西安衛光科技有限公司