一种高可靠表面贴装的二极管及其制备方法与流程

本发明涉及半导体封装技术领域，尤其是涉及一种高可靠表面贴装的二极管及其制备方法。

背景技术：

目前，航天、航空、船舶、兵器等领域大量使用一定电流或功率的表面贴装二极管器件，要求热阻小、耐冲击性能好、可靠性高等特点，为提高整机可靠性提供前提。

目前，表面贴装的具有一定电流或功率的二极管器件大多数为塑料封装。

塑料封装的半导体器件，见图1，受塑封材质和生产工艺的限制其工作温度范围和可靠性都满足不了恶劣环境的使用要求，特别是在潮湿和盐气重的情况下不能长期工作，其封装的特点决定了其不能用于高可靠领域。

因此，如何提供一种可靠性高且生产加工工艺较简单，便于大批量生产的二极管器件是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高可靠表面贴装的二极管，该二极管的可靠性高且生产加工工艺较简单，便于大批量生产。本发明的另外一个目的是提供一种上述高可靠表面贴装的二极管的制备方法。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种高可靠表面贴装的二极管，包括用于封装的外壳、芯片、用于将所述芯片固定于所述外壳上的焊料以及用于将所述芯片的电极与外壳的电极连接的键合丝；

所述外壳包括两块导电片、金属连接柱、陶瓷基座、钼片、打线片、金属环框以及金属盖板；

所述陶瓷基座的部分上表面上开设有用于放置所述芯片的凹坑，所述凹坑的内底面上开设有第一连接孔，所述陶瓷基座的剩余上表面上开设有第二连接孔，所述陶瓷基座的四周侧面上设置有侧面金属化层；

所述钼片通过钎焊固定于所述陶瓷基座上的凹坑中且覆盖所述凹坑中的第一连接孔；

所述打线片通过钎焊固定于所述陶瓷基座的剩余上表面上且覆盖所述第二连接孔；

所述导电片通过钎焊固定于所述陶瓷基座的下底面上；

所述第一连接孔中设置有金属连接柱，且所述第一连接孔中的金属连接柱的上端与所述钼片的下表面钎焊连接，所述第一连接孔中的金属连接柱的下端与一块所述导电片的上表面钎焊连接；

所述第二连接孔中设置有金属连接柱，且所述第二连接孔中的金属连接柱的上端与所述打线片的下表面钎焊连接，所述第二连接孔中的金属连接柱的下端与另一块所述导电片的上表面钎焊连接；

所述金属环框通过钎焊固定在所述陶瓷基座的上表面上的四周边沿处；

所述金属盖板通过平行缝焊密封固定在所述金属环框的上面开口处；

所述芯片通过焊料烧结固定在所述钼片上；

所述键合丝的一端与所述芯片的键合区连接，且所述键合丝的另一端与所述外壳中的打线片连接。

优选的，所述芯片的背面设置有三层复合金属化层，从内到外依次钛-镍-银，所述芯片的正面为铝层，所述铝层的厚度大于2微米。

优选的，所述焊料为铅锡银焊料。

优选的，所述键合丝为铝丝，直径为250μm。

本申请还提供了一种上述的高可靠表面贴装的二极管的制备方法，包括以下步骤：

1)芯片烧结：

待粘片机温度稳定后，用点温计的测温头分别与烧结炉的预热区与烧结区充分接触，控制预热区及烧结区表面温度在工艺条件规定范围内；

然后从氮气柜中取出外壳，然后开始向烧结炉内供给氢气与氮气，控制氢气流量为600mL/min±100mL/min，氮气流量为5L/min±1L/min；

取一只外壳放至预热区进行预热处理，控制预热区表面温度为200℃±5℃，预热时间为4min～6min；

然后将外壳放至烧结区进行烧结处理，控制烧结区表面温度为400℃±10℃，烧结时间不大于2min；

然后夹起焊丝，使焊丝末端接触外壳的钼片，焊丝末端受热熔化成焊料滴于外壳的钼片上，然后将芯片平放在焊料上，移动芯片直至芯片的四周边沿的外侧能够看到焊料；

然后取保护片平放在芯片上，然后将带有芯片的外壳放置在氮气喷口处进行冷却，然后下压保护片2s～3s，冷却10min后取下保护片；

2)超声键合

先通过超声键合处理将所述键合丝的一端与所述外壳中的打线片连接，再通过超声键合处理将所述键合丝的另一端与所述芯片的键合区连接，控制超声键合处理中的相对超声功率为100～150W，相对超声时间为150～300ms，相对超声压力为20～26gf；

3)平行缝焊

通过平行缝焊将所述金属盖板密封固定在所述金属环框的上面开口处，控制点焊功率为1400W～1600W，缝焊功率为1600W～1800W，缝焊压力为0.98N～1.176N，脉冲周期为90ms～110ms，脉冲宽度为6ms～10ms，速度为2.0mm/s～3.0mm/s；至此二极管制备完成。

优选的，所述焊丝为铅锡银焊丝，成分为Pb92.5％—Sn5％—Ag2.5％。

优选的，所述键合丝为铝丝，直径为250μm，纯度大于等于99.99％。

与现有技术相比，本发明提供了一种高可靠表面贴装的二极管及其制备方法，本申请采用金属陶瓷外壳满足了半导体器件对外壳的可靠性要求，满足了半导体器件中的电路对密封和高介质耐电压的要求，且结构简单，并且所述外壳能适应多种类型的芯片的封装，特别是具有大浪涌电流需要键合多根键合丝或线排或烧结导带的芯片的封装，金属陶瓷外壳属于密封性外壳，可以解决塑料封装器件在潮湿环境下的潮气吸入问题，金属陶瓷外壳工作温度范围比塑封的要宽，有一定电流或功率要求的塑料封装器件的工作温度一般在85℃以下，而金属陶瓷外壳可以实现芯片的极限工作温度范围；

本申请将芯片通过焊料烧结固定在外壳的烧结区上，采用低温合金焊料进行快速合金烧结，解决了外壳基板材料与芯片之间的热膨胀系数匹配的问题，配合烧结过程中氮氢保护气氛的控制防止了氧化层的出现，降低了烧结温度和烧结时间对产品高温性能的影响；

塑料封装器件工作温度受限原因之一是引出端之间通过烧结的方式连接起来，在温度变化较大时，不同材料的热膨胀系数不同产生内部应力无法释放，很容易造成芯片损伤而导致器件失效，为此本申请采用超声键合的方式用键合丝把芯片的键合区与外壳的键合区相连，采高纯铝丝超声键合，键合丝有一定的弧度，在温度变化时材料热膨胀系数不同产生的内部应力可以释放出去，确保了半导体器件工作的可靠性，同时键合前对器件进行等离子清洗，去除芯片表面、引线键合区上的氧化层和杂质，保证烧结焊点之间接触可靠，从而保证产品长期可靠性；

最后采取平行缝焊的方式将外壳中的盖板与外壳中的金属环框密封连接在一起，形成一个密封的整体，使得本发明产品为空腔密封器件，相对于塑封器件的半密封而言，其质量及可靠性得到大幅提升。

综上，本申请提供了一种高可靠表面贴装的二极管及其制备方法，该二极管器件使用金属陶瓷外壳、芯片通过焊料烧结固定在外壳的烧结区、采用超声键合的方式用键合丝把芯片的键合区与外壳的键合区相连以及平行缝焊密封，克服了原有塑料封装器件因工作环境受限不能用于高可靠器件领域的问题，该表面贴装二极管使原有的电路在不改变焊盘尺寸即电路板不作改动的情况下实现原位替代，并且可靠性得到提高，生产加工工艺较简单，便于大批量生产。

附图说明

图1为现有技术中表面贴装塑封器件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高可靠表面贴装的二极管的外壳的分解结构示意图；

图3为图2中的外壳去掉盖板后的陶瓷基座与金属环框的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种高可靠表面贴装的二极管的剖视结构示意图；

图5为图4中的二极管的主视图；

图6为图4中的二极管的仰视图。

图中：1导电片，2金属连接柱，3陶瓷基座，4钼片，5打线片，6金属环框，7金属盖板，8第二连接孔，9侧面金属化层，10凹坑，11芯片，12焊料，13键合丝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“径向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1～图6，图1为现有技术中表面贴装塑封器件的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种高可靠表面贴装的二极管的外壳的分解结构示意图；图3为图2中的外壳去掉盖板后的陶瓷基座与金属环框的结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种高可靠表面贴装的二极管的剖视结构示意图；图5为图4中的二极管的主视图；图6为图4中的二极管的仰视图。

本申请提供了一种高可靠表面贴装的二极管，包括用于封装的外壳、芯片11、用于将所述芯片11固定于所述外壳上的焊料12以及用于将所述芯片11的电极与外壳的电极连接的键合丝13；

所述外壳包括两块导电片1、金属连接柱2、陶瓷基座3、钼片4、打线片5、金属环框6以及金属盖板7；

所述陶瓷基座3的部分上表面上开设有用于放置所述芯片11的凹坑10，所述凹坑10的内底面上开设有第一连接孔，所述陶瓷基座3的剩余上表面上开设有第二连接孔8，所述陶瓷基座3的四周侧面上设置有侧面金属化层9；

所述钼片4通过钎焊固定于所述陶瓷基座3上的凹坑10中且覆盖所述凹坑10中的第一连接孔；

所述打线片5通过钎焊固定于所述陶瓷基座3的剩余上表面上且覆盖所述第二连接孔8；

所述导电片1通过钎焊固定于所述陶瓷基座3的下底面上；

所述第一连接孔中设置有金属连接柱2，且所述第一连接孔中的金属连接柱2的上端与所述钼片4的下表面钎焊连接，所述第一连接孔中的金属连接柱2的下端与一块所述导电片1的上表面钎焊连接；

所述第二连接孔8中设置有金属连接柱2，且所述第二连接孔8中的金属连接柱2的上端与所述打线片5的下表面钎焊连接，所述第二连接孔8中的金属连接柱2的下端与另一块所述导电片1的上表面钎焊连接；

所述金属环框6通过钎焊固定在所述陶瓷基座3的上表面上的四周边沿处；

所述金属盖板7通过平行缝焊密封固定在所述金属环框6的上面开口处；

所述芯片11通过焊料12烧结固定在所述钼片4上；

所述键合丝13的一端与所述芯片11的键合区连接，且所述键合丝13的另一端与所述外壳中的打线片5连接。

在本发明的一个实施例中，所述芯片11的背面设置有三层复合金属化层，从内到外依次钛-镍-银，所述芯片11的正面为铝层，所述铝层的厚度大于2微米。

在本发明的一个实施例中，所述焊料12为铅锡银焊料。

在本发明的一个实施例中，所述键合丝13为铝丝，直径为250μm。

本申请还提供了一种上述的高可靠表面贴装的二极管的制备方法，包括以下步骤：

1)芯片烧结：

待粘片机温度稳定后，用点温计的测温头分别与烧结炉的预热区与烧结区充分接触，控制预热区及烧结区表面温度在工艺条件规定范围内；

然后从氮气柜中取出外壳，然后开始向烧结炉内供给氢气与氮气，控制氢气流量为600mL/min±100mL/min，氮气流量为5L/min±1L/min；

取一只外壳放至预热区进行预热处理，控制预热区表面温度为200℃±5℃，预热时间为4min～6min；

然后将外壳放至烧结区进行烧结处理，控制烧结区表面温度为400℃±10℃，烧结时间不大于2min；

然后夹起焊丝，使焊丝末端接触外壳的钼片4，焊丝末端受热熔化成焊料滴于外壳的钼片4上，然后将芯片11平放在焊料12上，移动芯片11直至芯片11的四周边沿的外侧能够看到焊料12；

然后取保护片平放在芯片11上，然后将带有芯片11的外壳放置在氮气喷口处进行冷却，然后下压保护片2s～3s，冷却10min后取下保护片；

2)超声键合

先通过超声键合处理将所述键合丝13的一端与所述外壳中的打线片5连接，再通过超声键合处理将所述键合丝13的另一端与所述芯片11的键合区连接，控制超声键合处理中的相对超声功率为100～150W，相对超声时间为150～300ms，相对超声压力为20～26gf；

3)平行缝焊

通过平行缝焊将所述金属盖板7密封固定在所述金属环框6的上面开口处，控制点焊功率为1400W～1600W，缝焊功率为1600W～1800W，缝焊压力为0.98N～1.176N，脉冲周期为90ms～110ms，脉冲宽度为6ms～10ms，速度为2.0mm/s～3.0mm/s；至此二极管制备完成。

在本发明的一个实施例中，所述焊丝为铅锡银焊丝，成分为Pb92.5％—Sn5％—Ag2.5％。

在本发明的一个实施例中，所述键合丝13为铝丝，直径为250μm，纯度大于等于99.99％。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种高可靠表面贴装的二极管的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

一种高可靠表面贴装的二极管的制备方法，包括以下步骤：

1)芯片烧结：

待粘片机温度稳定后，用点温计的测温头分别与烧结炉的预热区与烧结区充分接触，控制预热区及烧结区表面温度在工艺条件规定范围内；

然后从氮气柜中取出外壳，然后开始向烧结炉内供给氢气与氮气，控制氢气流量为600mL/min，氮气流量为6L/min；

取一只外壳放至预热区进行预热处理，控制预热区表面温度为200℃，预热时间为5min；

然后将外壳放至烧结区进行烧结处理，控制烧结区表面温度为410℃，烧结时间为1.5min；

然后夹起焊丝，使焊丝末端接触外壳的钼片4，焊丝末端受热熔化成焊料滴于外壳的钼片4上，然后将芯片11平放在焊料12上，移动芯片11直至芯片11的四周边沿的外侧能够看到焊料12；

所述焊丝为铅锡银焊丝，成分为Pb92.5％—Sn5％—Ag2.5％。

然后取保护片平放在芯片11上，然后将带有芯片11的外壳放置在氮气喷口处进行冷却，然后下压保护片3s，冷却10min后取下保护片；

2)超声键合

先通过超声键合处理将所述键合丝13的一端与所述外壳中的打线片5连接，再通过超声键合处理将所述键合丝13的另一端与所述芯片11的键合区连接，控制超声键合处理中的相对超声功率为135W，相对超声时间为250ms，相对超声压力为25gf；

所述键合丝13为铝丝，直径为250μm，纯度为99.99％；

3)平行缝焊

通过平行缝焊将所述金属盖板7密封固定在所述金属环框6的上面开口处，控制点焊功率为1500W，缝焊功率为1700W，缝焊压力为1.1N，脉冲周期为100ms，脉冲宽度为8ms，速度为2.6mm/s；至此二极管制备完成。

本发明未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。