一種二極管芯片熔焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件尤其是大功率二極管芯片封裝領(lǐng)域，特別是一種二極管芯片熔焊方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二極管作為最常見的電子元器件，在電路中發(fā)揮著各種各樣的功能。根據(jù)封裝外形，可以分為表面貼裝和同軸引線兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)理，可將二極管簡(jiǎn)單的視為一個(gè)PN結(jié)，分別對(duì)P型端和N型端通過內(nèi)電極或外引線進(jìn)行引出。最終通過外引線并入外部電路以實(shí)現(xiàn)整流、限流等目的。
[0003]在常規(guī)的二極管封裝領(lǐng)域，二極管芯片采用釬焊或者壓接的方式與內(nèi)電極實(shí)現(xiàn)連接。
[0004]二極管芯片釬焊方式多采用預(yù)成型的焊片作為釬料，一般以圓片形焊片較為常見。首先將釬料放置在芯片與內(nèi)電極之間，結(jié)構(gòu)為內(nèi)電極-釬料-芯片-釬料-內(nèi)電極，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的溫度后，釬料熔化而芯片和內(nèi)電極不發(fā)生熔化，熔融的釬料在固態(tài)的芯片和內(nèi)電極表面鋪展?jié)櫇癫l(fā)生分子上的擴(kuò)散，而形成焊接。在上述的釬焊方式中形成了兩個(gè)內(nèi)電極與釬料的接觸界面和兩個(gè)芯片與釬料的接觸界面。由于內(nèi)電極和芯片本身并不熔化，而是液態(tài)釬料在固態(tài)表面進(jìn)行鋪展，受限于液態(tài)釬料的潤(rùn)濕性、固態(tài)表面的粗糙度等因素，冷卻后在接觸界面附近釬料的內(nèi)部產(chǎn)生很多的氣泡或空洞。大量的氣泡和空洞降低了焊接區(qū)的傳熱效率，不利于芯片工作時(shí)產(chǎn)生熱的熱量快速有效的向外部疏散。同時(shí)，釬料量不易控制，在配重和自身重力影響下，釬料易產(chǎn)生溢出和飛濺，形成多余的導(dǎo)電物質(zhì)，從而使器件后期使用時(shí)出現(xiàn)失效。因此，釬焊的方式不滿足新型高可靠、大功率、大電流二極管的封裝要求。
[0005]壓接方式是將芯片與內(nèi)電極直接接觸在一起，通過后續(xù)工藝使用玻封或者塑封的方式對(duì)內(nèi)電極-芯片-內(nèi)電極的接觸點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。此方法只是將二極管芯片和內(nèi)電極宏觀堆疊在一起，芯片與內(nèi)電極上的表面凸起和凹陷導(dǎo)致實(shí)際接觸面積降低，而導(dǎo)致了較低的導(dǎo)熱性能并產(chǎn)生了較大的接觸電阻，同樣不滿足新型高可靠、大電流、大功率二極管的封裝要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種二極管芯片熔焊方法，解決二極管封裝技術(shù)領(lǐng)域中現(xiàn)有焊接技術(shù)不滿足新型高可靠、大電流、大功率二極管封裝要求的問題。
[0007]本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0008]—種二極管芯片熔焊方法，其特征在于包括如下步驟:
[0009]步驟(一)、將金屬棒加工成為金屬柱；
[0010]步驟(二 )、對(duì)加工后的金屬柱進(jìn)行表面預(yù)處理；
[0011]步驟(三)、對(duì)表面預(yù)處理后的金屬柱進(jìn)行球磨處理；
[0012]步驟(四)、對(duì)球磨處理后的金屬柱進(jìn)行金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)順序依次為鎳層、銀層，形成內(nèi)電極；
[0013]步驟(五)、對(duì)硅基二極管芯片進(jìn)行金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)順序?yàn)殁亴?、鎳層、銀層；
[0014]步驟(六)、將金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)后的硅基二極管芯與兩個(gè)內(nèi)電極進(jìn)行組裝，將硅基二極管芯片放至于兩個(gè)內(nèi)電極之間，形成組裝體，在位于上側(cè)的內(nèi)電極表面施加配重，將組裝體裝入外部模具放入高溫爐中；
[0015]步驟(七)、首先溫升溫，并保持一段時(shí)間后降溫，完成焊接。
[0016]在上述的一種二極管芯片熔焊方法，所述步驟(一)中，金屬棒采用熱膨脹系數(shù)低的鉬或鎢材料；所述金屬柱為圓柱體結(jié)構(gòu)，金屬柱兩個(gè)圓端面平行。
[0017]在上述的一種二極管芯片熔焊方法，所述步驟(二)中表面預(yù)處理后，實(shí)現(xiàn)金屬柱的上下兩個(gè)圓端面表面粗糙度Ra為0.15-0.35um。
[0018]在上述的一種二極管芯片熔焊方法，所述步驟(三)中，球磨處理后的金屬柱端面到圓周面過渡區(qū)有弧度的倒角，倒角尺寸為R0.10mm?R0.25mm。
[0019]在上述的一種二極管芯片熔焊方法，所述步驟(四)中，鎳層厚度為350?400nm，銀層厚度為6000?9000nmo
[0020]在上述的一種二極管芯片熔焊方法，所述步驟(五)中，鈦層厚度為250?300nm，鎳層厚度為350?400nm，銀層厚度為6000?9000nmo
[0021]在上述的一種二極管芯片熔焊方法，所述步驟(六)中，組裝時(shí)，將第一個(gè)內(nèi)電極放置在裝配模具的焊接孔內(nèi)部，焊接孔直徑大于內(nèi)電極直徑0.2?0.5mm，焊接孔深度大于兩個(gè)內(nèi)電極總高度3?7mm ;將芯片放置在第一個(gè)內(nèi)電極的表面，然后將第二個(gè)內(nèi)電極疊放在芯片的另一個(gè)表面上，并在位于上側(cè)的內(nèi)電極施加0.5?1.2g/mm2的配重；芯片與兩個(gè)內(nèi)電極間不需要放置釬料。
[0022]在上述的一種二極管芯片熔焊方法，所述步驟(七)中，在濃度大于99.9%的高純氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行升溫處理；爐溫升高至890-920°C，保持時(shí)間為5?8min，降溫至室溫。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024](1)本發(fā)明采用了雙插頭一字結(jié)構(gòu)，提高了芯片與內(nèi)電極的實(shí)際焊接面積，實(shí)現(xiàn)了芯片與內(nèi)電極的冶金鍵結(jié)合以及器件低熱阻、低接觸電阻的特點(diǎn)；
[0025](2)本發(fā)明采用了無釬料的熔焊，提高了芯片與內(nèi)電極的焊接質(zhì)量，避免了釬焊技術(shù)中焊接空洞、釬料飛濺、溢出不均和壓接技術(shù)中芯片與內(nèi)電極接觸不牢固的情況，實(shí)現(xiàn)了高可靠的要求；
[0026](3)本發(fā)明采用了多層金屬化結(jié)構(gòu)，提高了內(nèi)電極和芯片表面金屬層的粘附強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了高可靠和高強(qiáng)度熔焊的要求。
[0027](4)本發(fā)明對(duì)球磨處理后的金屬柱進(jìn)行金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)順序依次為鎳層、銀層，按照此順序和厚度生長(zhǎng)的金屬化結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的牢固性，可以滿足很高溫度條件下金屬化層無起泡、脫落等缺陷。此外，最主要的問題是按照此厚度進(jìn)行生長(zhǎng)的金屬化結(jié)構(gòu)保證了焊接質(zhì)量以及焊接接觸界面過渡層厚度的一致性，有利于進(jìn)一步降低器件的熱阻和接觸電阻；是實(shí)現(xiàn)芯片與內(nèi)電極冶金鍵結(jié)合以及降低器件熱阻、接觸電阻的重要技術(shù)組成部分；
[0028](5)本發(fā)明對(duì)硅基二極管芯片進(jìn)行金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，金屬化結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)順序?yàn)殁亴?、鎳層、銀層，通常情況下，芯片硅基體表面呈現(xiàn)出十分光滑的特征，其粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于內(nèi)電極基體材料表面的粗糙度。過于光滑的表面反而不利于金屬化層牢固的粘附。然而，按照此順序和厚度生長(zhǎng)的金屬化結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的牢固性，可以滿足光滑表面的涂覆層在很高溫度條件下無起泡、脫落等缺陷。更重要的是，按照此厚度進(jìn)行生長(zhǎng)的金屬化結(jié)構(gòu)保證了焊接質(zhì)量以及焊接過渡層厚度一致性的要求，有利于進(jìn)一步降低器件的熱阻和接觸電阻；是實(shí)現(xiàn)芯片與內(nèi)電極冶金鍵結(jié)合以及降低器件熱阻、接觸電阻的重要技術(shù)組成部分。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明內(nèi)電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明芯片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明裝配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明焊接后接觸界面處過渡層效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述:
[0034]區(qū)別于上述的釬焊和壓接技術(shù)，本發(fā)明采用了雙插頭一字型結(jié)構(gòu)的二極管芯片熔焊方法，將芯片與兩個(gè)內(nèi)電極直接相互接觸，中間無釬料。
[0035]雙插頭是指作為二極管芯片正極、負(fù)極引出的引出端(內(nèi)電極)具有相等標(biāo)稱直徑，并與二極管芯片金屬化層直接接觸。而一字型結(jié)構(gòu)要求芯片兩面與兩個(gè)內(nèi)電極的端面之間通過冶金鍵結(jié)合。冶金鍵是在一定溫度和壓力下，使用兩種或多種材料(金屬或半導(dǎo)體材料)接觸時(shí)出現(xiàn)的一種鍵，在這種溫度和壓力下能夠使材料出現(xiàn)低共熔點(diǎn)的熔體、熔融液或固相擴(kuò)散并使它們凝固，從而形成含有鍵中兩部分材料的再生長(zhǎng)區(qū)和再結(jié)晶區(qū)。本發(fā)明中，兩個(gè)內(nèi)電極具有相同的物理尺寸，在內(nèi)電極和芯片表面覆有金屬化層并直接相互接觸。達(dá)到合適的溫度保溫并冷卻后，在焊接接觸界面處形成了由芯片硅材料、銀材料和內(nèi)電極銀材料共同熔化而產(chǎn)生銀硅過渡區(qū)(再結(jié)晶區(qū))。芯片硅基體和內(nèi)電極鉬或鎢基體具有良好的表面狀態(tài)，可以獲得較為平坦的金屬化結(jié)構(gòu)，因此焊接時(shí)熔化程度也較為一致，不易產(chǎn)生空洞氣泡等缺陷，具有良好的熱阻和接觸電阻指標(biāo)。
[0036]為了實(shí)現(xiàn)良好的焊接，本發(fā)明采用了具有較低熱膨脹系數(shù)的鉬或鎢金屬作為內(nèi)電極基體材料，二極管芯片基體材料為硅，在內(nèi)電極表面和芯片表面均進(jìn)行了多層金屬化結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。內(nèi)電極和硅基芯片表面各個(gè)金屬化層的厚度均在微米級(jí)別，這就要求鉬基體或鎢基體的表面應(yīng)盡量平整，而且不能出現(xiàn)較大的曲面和溝槽?；w金屬的表面特征決定了表面金屬化結(jié)構(gòu)是否能有效的參與焊接。若基體表面過于粗糙，就會(huì)導(dǎo)致金屬涂覆層厚度一致性下降，較高的金屬層表面與硅基二極管芯片接觸發(fā)生焊接，而較低的表面未能與硅基二極管芯片接觸，無法有效的發(fā)生焊接，即使較低的表面實(shí)現(xiàn)了與二極管芯片的焊接，整體的焊接深度仍不均勻。若基體表面粗糙度合適，但是整體呈現(xiàn)傾斜表面或者碗裝表面，同樣會(huì)導(dǎo)致無法焊接或焊接過渡區(qū)域厚度不一致的現(xiàn)象。
[0037]如圖1所示為本發(fā)明內(nèi)電極結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知內(nèi)電極的金屬化結(jié)構(gòu)包括金屬柱1、金屬鎳層2、金屬銀層3、圓形倒角4 ;金屬柱1位于中心位置，金屬鎳層2包覆在金屬柱1的外側(cè)，金屬銀層3包覆金屬鎳層2的外側(cè)，圓形倒角為R0.10mm?R0.25mm ;在利用兩個(gè)物理尺寸一樣的內(nèi)電極形成雙插頭與芯片直接接觸，保證芯片尺寸在疊放的時(shí)候不會(huì)超出內(nèi)電極的直徑。這樣即實(shí)現(xiàn)了與芯片的最大接觸面積有保證了芯片焊接體擁有最小的封裝體積。同時(shí)，在接觸界面上利用熔焊技術(shù)，采用冶金鍵結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了芯片與內(nèi)電極永久連接，滿足了低熱阻和低接觸電阻的要求。冶金鍵是在一定溫度和