一种二极管芯片熔焊方法技术

一种二极管芯片熔焊方法，包含两个内电极、二极管芯片、配重以及用于装配用的装配模具，将具有金属化结构的硅基二极管芯片和两个内电极叠放在一起，高温条件下采用无钎料的熔焊技术将硅基二极管芯片与双内电极永久焊接，形成牢固的整体结构。本发明专利技术将两个内电极与芯片上下两个表面直接接触，实现双插头结构，然后采取熔焊技术，在接触界面产生低于各自单质金属熔点的银硅共晶体，形成冶金键，实现一字结构，本发明专利技术的焊接温度较高，为后续工艺提供了很宽泛的工艺操作窗口，降低了考核和使用时环境温度等对焊接结构的影响。起连接作用的共晶体稳定性强，在固相下没有复杂的相变，也提高了器件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件尤其是大功率二极管芯片封装领域，特别是。
技术介绍
二极管作为最常见的电子元器件，在电路中发挥着各种各样的功能。根据封装外形，可以分为表面贴装和同轴引线两种结构。根据机理，可将二极管简单的视为一个PN结，分别对P型端和N型端通过内电极或外引线进行引出。最终通过外引线并入外部电路以实现整流、限流等目的。在常规的二极管封装领域，二极管芯片采用钎焊或者压接的方式与内电极实现连接。二极管芯片钎焊方式多采用预成型的焊片作为钎料，一般以圆片形焊片较为常见。首先将钎料放置在芯片与内电极之间，结构为内电极-钎料-芯片-钎料-内电极，当到达一定的温度后，钎料熔化而芯片和内电极不发生熔化，熔融的钎料在固态的芯片和内电极表面铺展润湿并发生分子上的扩散，而形成焊接。在上述的钎焊方式中形成了两个内电极与钎料的接触界面和两个芯片与钎料的接触界面。由于内电极和芯片本身并不熔化，而是液态钎料在固态表面进行铺展，受限于液态钎料的润湿性、固态表面的粗糙度等因素，冷却后在接触界面附近钎料的内部产生很多的气泡或空洞。大量的气泡和空洞降低了焊接区的传热效率，不利于芯片工作时产生热的热量快速有效的向外部疏散。同时，钎料量不易控制，在配重和自身重力影响下，钎料易产生溢出和飞溅，形成多余的导电物质，从而使器件后期使用时出现失效。因此，钎焊的方式不满足新型高可靠、大功率、大电流二极管的封装要求。压接方式是将芯片与内电极直接接触在一起，通过后续工艺使用玻封或者塑封的方式对内电极-芯片-内电极的接触点进行保护。此方法只是将二极管芯片和内电极宏观堆叠在一起，芯片与内电极上的表面凸起和凹陷导致实际接触面积降低，而导致了较低的导热性能并产生了较大的接触电阻，同样不满足新型高可靠、大电流、大功率二极管的封装要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供，解决二极管封装
中现有焊接技术不满足新型高可靠、大电流、大功率二极管封装要求的问题。本专利技术的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:—种二极管芯片熔焊方法，其特征在于包括如下步骤:步骤(一)、将金属棒加工成为金属柱；步骤(二 )、对加工后的金属柱进行表面预处理；步骤(三)、对表面预处理后的金属柱进行球磨处理；步骤(四)、对球磨处理后的金属柱进行金属化结构生长，金属化结构生长顺序依次为镍层、银层，形成内电极；步骤(五)、对硅基二极管芯片进行金属化结构生长，金属化结构生长顺序为钛层、镍层、银层；步骤(六)、将金属化结构生长后的硅基二极管芯与两个内电极进行组装，将硅基二极管芯片放至于两个内电极之间，形成组装体，在位于上侧的内电极表面施加配重，将组装体装入外部模具放入高温炉中；步骤(七)、首先温升温，并保持一段时间后降温，完成焊接。在上述的，所述步骤(一)中，金属棒采用热膨胀系数低的钼或钨材料；所述金属柱为圆柱体结构，金属柱两个圆端面平行。在上述的，所述步骤(二)中表面预处理后，实现金属柱的上下两个圆端面表面粗糙度Ra为0.15-0.35um。在上述的，所述步骤(三)中，球磨处理后的金属柱端面到圆周面过渡区有弧度的倒角，倒角尺寸为R0.10mm?R0.25mm。在上述的，所述步骤(四)中，镍层厚度为350?400nm，银层厚度为6000?9000nmo在上述的，所述步骤(五)中，钛层厚度为250?300nm，镍层厚度为350?400nm，银层厚度为6000?9000nmo在上述的，所述步骤(六)中，组装时，将第一个内电极放置在装配模具的焊接孔内部，焊接孔直径大于内电极直径0.2?0.5mm，焊接孔深度大于两个内电极总高度3?7mm ;将芯片放置在第一个内电极的表面，然后将第二个内电极叠放在芯片的另一个表面上，并在位于上侧的内电极施加0.5?1.2g/mm2的配重；芯片与两个内电极间不需要放置钎料。在上述的，所述步骤(七)中，在浓度大于99.9%的高纯氮气环境下进行升温处理；炉温升高至890-920°C，保持时间为5?8min，降温至室温。本专利技术与现有技术相比具有如下优点:(1)本专利技术采用了双插头一字结构，提高了芯片与内电极的实际焊接面积，实现了芯片与内电极的冶金键结合以及器件低热阻、低接触电阻的特点；(2)本专利技术采用了无钎料的熔焊，提高了芯片与内电极的焊接质量，避免了钎焊技术中焊接空洞、钎料飞溅、溢出不均和压接技术中芯片与内电极接触不牢固的情况，实现了高可靠的要求；(3)本专利技术采用了多层金属化结构，提高了内电极和芯片表面金属层的粘附强度，实现了高可靠和高强度熔焊的要求。(4)本专利技术对球磨处理后的金属柱进行金属化结构生长，金属化结构生长顺序依次为镍层、银层，按照此顺序和厚度生长的金属化结构具有优异的牢固性，可以满足很高温度条件下金属化层无起泡、脱落等缺陷。此外，最主要的问题是按照此厚度进行生长的金属化结构保证了焊接质量以及焊接接触界面过渡层厚度的一致性，有利于进一步降低器件的热阻和接触电阻；是实现芯片与内电极冶金键结合以及降低器件热阻、接触电阻的重要技术组成部分；(5)本专利技术对硅基二极管芯片进行金属化结构生长，金属化结构生长顺序为钛层、镍层、银层，通常情况下，芯片硅基体表面呈现出十分光滑的特征，其粗糙度远远优于内电极基体材料表面的粗糙度。过于光滑的表面反而不利于金属化层牢固的粘附。然而，按照此顺序和厚度生长的金属化结构具有优异的牢固性，可以满足光滑表面的涂覆层在很高温度条件下无起泡、脱落等缺陷。更重要的是，按照此厚度进行生长的金属化结构保证了焊接质量以及焊接过渡层厚度一致性的要求，有利于进一步降低器件的热阻和接触电阻；是实现芯片与内电极冶金键结合以及降低器件热阻、接触电阻的重要技术组成部分。【附图说明】图1为本专利技术内电极结构示意图；图2为本专利技术芯片结构示意图；图3为本专利技术装配结构示意图；图4为本专利技术焊接后接触界面处过渡层效果图。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述:区别于上述的钎焊和压接技术，本专利技术采用了双插头一字型结构的二极管芯片熔焊方法，将芯片与两个内电极直接相互接触，中间无钎料。双插头是指作为二极管芯片正极、负极引出的引出端(内电极)具有相等标称直径，并与二极管芯片金属化层直接接触。而一字型结构要求芯片两面与两个内电极的端面之间通过冶金键结合。冶金键是在一定温度和压力下，使用两种或多种材料(金属或半导体材料)接触时出现的一种键，在这种温度和压力下能够使材料出现低共熔点的熔体、熔融液或固相扩散并使它们凝固，从而形成含有键中两部分材料的再生长区和再结晶区。本专利技术中，两个内电极具有相同的物理尺寸，在内电极和芯片表面覆有金属化层并直接相互接触。达到合适的温度保温并冷却后，在焊接接触界面处形成了由芯片硅材料、银材料和内电极银材料共同熔化而产生银硅过渡区(再结晶区)。芯片硅基体和内电极钼或钨基体具有良好的表面状态，可以获得较为平坦的金属化结构，因此焊接时熔化程度也较为一致，不易产生空洞气泡等缺陷，具有良好的热阻和接触电阻指标。为了实现良好的焊接，本专利技术采用了具有较低热膨胀系数的钼或钨金属作为内电极基体材料，二极管芯片基体材料为硅，在内电极表面和芯片表面均进行了多层金属化结构的生长。内电极和硅基芯片表面各个金属化层的厚度均在微米级本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二极管芯片熔焊方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(一)、将金属棒加工成为金属柱；步骤(二)、对加工后的金属柱进行表面预处理；步骤(三)、对表面预处理后的金属柱进行球磨处理；步骤(四)、对球磨处理后的金属柱进行金属化结构生长，金属化结构生长顺序依次为镍层、银层，形成内电极；步骤(五)、对硅基二极管芯片进行金属化结构生长，金属化结构生长顺序为钛层、镍层、银层；步骤(六)、将金属化结构生长后的硅基二极管芯与两个内电极进行组装，将硅基二极管芯片放至于两个内电极之间，形成组装体，在位于上侧的内电极表面施加配重，将组装体装入外部模具放入高温炉中；步骤(七)、首先升温，并保持一段时间后降温，完成焊接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏，赵元富，姚全斌，木瑞强，练滨浩，刘晓敏，王娟，
申请(专利权)人：北京时代民芯科技有限公司，北京微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11