專利名稱：全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高壓半導(dǎo)體器件，具體為全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，主要應(yīng)用于高壓軟啟動電源、高壓靜止無功補償電源、高壓脈沖功率電源、高壓直流輸電等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件芯片制造，采用芯片和電極片通過焊料高溫焊結(jié)而成，存在焊接應(yīng)力和焊接空洞，但隨著半導(dǎo)體器件電壓的不斷提高和芯片直徑的不斷加大，特別是芯片直徑達(dá)到4吋以上、電壓達(dá)到5000V以上時，高溫焊接芯片的形變應(yīng)力使其可靠性已無法滿足高壓產(chǎn)品和大電流產(chǎn)品的要求，急需采用新的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)來滿足新的需求。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對上述不足，提供了全新內(nèi)部結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件一全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，消除了芯片高溫焊接產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，能滿足電壓5000V以上或芯片直徑4吋以上的高壓半導(dǎo)體器件要求。本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，包括管殼下封接件、下鑰圓片、半導(dǎo)體芯片、上鑰圓片、門極引線組件和管殼上封接件，其特征是所述管殼上封接件中心設(shè)有安裝孔；所述上鑰圓片中心設(shè)有定位孔，門極引線組件卡入該定位孔內(nèi)；管殼下封接件、下鑰圓片、半導(dǎo)體芯片、上鑰圓片、門極引線組件和管殼上封接件依次為壓接接觸。上述部件在元件裝壓外部電極或散熱器時，管殼下封接件與管殼上封接件之間受外部壓力作用而使內(nèi)部部件實現(xiàn)全壓接接觸。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的管殼下封接件與管殼上封接件內(nèi)形成密封腔體，該密封腔體內(nèi)充有壓力低于外部大氣壓的惰性氣體，從而既保證各部件相互接觸 良好，又防止芯片高壓打火。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片的兩個PN結(jié)的邊緣臺面造型采用兩面雙負(fù)角臺面造型；兩面雙負(fù)角臺面造型各面的負(fù)角可以是一個負(fù)角或兩個不同角度的角構(gòu)成的負(fù)角，負(fù)角Θ大小為0.5° < Θ <35°。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片邊緣兩面雙負(fù)角臺面設(shè)有環(huán)形直角圓柱形絕緣保護硅膠環(huán)，雙面表面臺面保護采用多層高純度高絕緣性的有機保護材料進行表面鈍化。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的硅膠環(huán)外層表面設(shè)有凹槽，增加爬電距離。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的上鑰圓片、下鑰圓片的上下表面和管殼上封接件、管殼下封接件內(nèi)外臺面為研磨面，面平面度和平行度要求小于20 μ m。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的上鑰圓片、下鑰圓片的表面涂鍍鈍化層，防止上、下鑰圓片熱氧化。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片陰陽極表面涂覆厚度為10 μ m 50 μ m的金屬導(dǎo)電層。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的下鑰圓片中心設(shè)有定位盲孔；所述管殼下封接件中心設(shè)有安裝盲孔；安裝盲孔內(nèi)安裝有定位柱，并與定位盲孔配合。本實用新型技術(shù)解決方案中所述的半導(dǎo)體芯片的晶片原始材料為N型〈100〉晶向高阻單晶硅片或N型〈111〉晶向高阻單晶硅片，并采用三氯氧磷吸收工藝技術(shù)對原始單晶片進行預(yù)吸收處理；半導(dǎo)體芯片晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中,P1區(qū)、P2區(qū)為雙層Al擴散形成的P1區(qū)、P2區(qū)。 本實用新型由于采用由管殼下封接件、下鑰圓片、半導(dǎo)體芯片、上鑰圓片、門極引線組件和管殼上封接件構(gòu)成的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，因而半導(dǎo)體芯片與上、下鑰圓片直接壓接而不用再高溫焊結(jié)，這樣就消除了芯片高溫焊結(jié)而產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，進而保證了器件特性的穩(wěn)定性和可靠性，有利于半導(dǎo)體器件向更大直徑、更高電壓發(fā)展；加上半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)用原始硅片優(yōu)選〈100〉晶向高阻硅片，與常規(guī)的〈111〉晶向硅片相比壓接強度更高，也就保證了半導(dǎo)體芯片具有更好的抗壓強度而不易破碎。本實用新型由于在半導(dǎo)體芯片的兩個PN結(jié)邊緣采用臺面造型，并采用兩面雙負(fù)角臺面造型工藝，降低了表面電場強度，有利于半導(dǎo)體芯片擊穿電壓的提高，其臺面造型角度Θ大小為0. 5° < Θ <35° ;與的單面臺面造型相比，在工藝上既簡單易行容易實現(xiàn)，又有利于臺面表面保護，同時減少了陰極面、陽極面導(dǎo)電面積的損失，利于芯片通流能力提高；雙負(fù)角造型與雙正角造型相比，擊穿電壓增加慢，相對穩(wěn)定性好，不易擊穿。本實用新型由于在半導(dǎo)體芯片晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)，且P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)采用AL-AL-P-B每種雜質(zhì)源分別沉積、分別推進擴散、多次氧化光刻形成，P1區(qū)、P2區(qū)通過采用較高表面濃度的雙層Al擴散技術(shù)，分別進行兩次高真空Al預(yù)沉積和兩次高溫Al推進擴散，形成一次低濃度深結(jié)Al和二次高濃度淺結(jié)Al，進而解決了元件耐壓與其他特性間的矛盾，不但實現(xiàn)了具有超高阻斷電壓，同時兼顧提高元件的dv/dt耐量、導(dǎo)通特性、高溫特性。與以往的芯片制造擴散工藝相比，可以制造更高阻斷電壓、更優(yōu)器件特性的半導(dǎo)體芯片。本實用新型由于在半導(dǎo)體芯片邊緣的臺面造型保護上采用強電場絕緣保護技術(shù)，使半導(dǎo)體芯片能承擔(dān)較大的雪崩擊穿電壓而不易擊穿；強電場絕緣保護技術(shù)具體為雙面臺面保護，采用多層高純度高絕緣性的有機保護材料進行表面鈍化，提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。半導(dǎo)體芯片外層雙面臺面保護硅膠環(huán)采用硅橡膠成型技術(shù)進行加工，其外觀為環(huán)形直角圓柱形，增加了表面爬電距離，更有利于半導(dǎo)體芯片承受更高的表面擊穿電壓；同時也有利于半導(dǎo)體芯片雙面中心放置上、下鑰圓片，利用硅膠環(huán)內(nèi)園對上、下鑰圓片進行定位。本實用新型具有可消除芯片高溫焊接產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，能滿足電壓5000V以上或芯片直徑4吋以上的高壓半導(dǎo)體器件要求的特點。本實用新型主要用于高壓軟啟動電源、高壓靜止無功補償電源、高壓脈沖功率電源、高壓直流輸電等領(lǐng)域的高壓半導(dǎo)體器件。

圖1為本實用新型全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型半導(dǎo)體芯片邊緣及硅膠環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖3為本實用新型半導(dǎo)體芯片邊緣及帶凹槽硅膠環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型半導(dǎo)體芯片兩個PN結(jié)邊緣臺面造型結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型半導(dǎo)體芯片晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合圖1至圖5對本實用新型作進一步說明。如圖1所示。全壓 接封裝高壓半導(dǎo)體器件，由管殼下封接件1、下鑰圓片2、半導(dǎo)體芯片3、上鑰圓片4、門極引線組件6、管殼上封接件5采用冷壓封裝而成。管殼上封接件5中心開孔安裝門極引線組件6，門極引線組件6高出管殼上封接件5表面，卡入上鑰圓片4中心通孔，對上鑰圓片定位。器件臺面直徑D為23mm彡D彡140mm，管殼厚度H為23mm ^ 40mm。器件內(nèi)部半導(dǎo)體芯片3與上、下鑰圓片2、4和管殼上、下封接件1、5之間在外部壓力作用下實現(xiàn)全壓接接觸，上、下鑰圓片2、4上下表面和管殼上下封接件1、5內(nèi)外臺面采用研磨工藝加工,表面平面度和平行度要求小于20 μ m。上、下鑰圓片2、4表面涂鍍鈍化材料，防止鑰圓片熱氧化；半導(dǎo)體芯片3陰陽極表面涂覆厚度為ΙΟμπ Μ 50μπι的金屬導(dǎo)電層。器件內(nèi)部先抽真空，再充惰性氣體，通過對器件內(nèi)充氣量和內(nèi)部氣壓的精確控制，使內(nèi)部氣壓低于外部氣壓，從而既保證各部件相互接觸良好，又防止芯片高壓打火。下鑰圓片2和管殼下封接件I中心也可以開盲孔，安裝定位柱進行定位。采用全壓接封裝工藝后，半導(dǎo)體芯片3與上、下鑰圓片2、4直接壓接而不用燒結(jié)，消除了芯片因燒結(jié)變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，更利于芯片向更大直徑和更高電壓發(fā)展。半導(dǎo)體芯片3生產(chǎn)用原始硅片優(yōu)選〈100〉晶向高阻硅片，與常規(guī)的〈111〉晶向硅片相比，壓接強度更聞。如圖2、圖3所示。半導(dǎo)體芯片3邊緣雙面臺面表面保護，采用多層高純度高絕緣性的有機保護材料進行表面鈍化，使芯片能承擔(dān)較大的雪崩擊穿電壓而不易擊穿。內(nèi)外雙層臺面鈍化保護，提高了元件的穩(wěn)定性和可靠性。第一層臺面保護層，采用較稀的高純度高絕緣性的有機保護材料，利用自制的專用設(shè)備——硅片雙面自動涂膠甩膠機(實用新型專利號201120482060. 3)，對晶片3進行臺面雙面涂膠保護；第二層臺面保護層，采用較厚的高純度高絕緣性的硅橡膠對臺面雙面及邊緣進行模具注膠成型保護，硅膠環(huán)7、8外觀為環(huán)形直角圓柱形；半導(dǎo)體芯片3雙面中心放置上、下鑰圓片4、2，并利用保護膠內(nèi)園對上、下鑰圓片4、2進行定位。硅膠環(huán)8上下表面，也可以有凹槽9增加爬電距離。如圖4所示。半導(dǎo)體芯片3的兩個PN結(jié)邊緣的臺面造型，采用兩面雙負(fù)角臺面造型工藝，既降低了表面電場強度，有利于芯片擊穿電壓的提高，又減少了陰極面、陽極面導(dǎo)電面積的損失；其臺面造型角度Θ大小為0. 5°彡Θ彡35°。在工藝上，利用自制的專用設(shè)備一晶片大角磨角機，對晶片兩面分別采用機械控制、單面自動磨角進行臺面造型，既簡單易行，又易于臺面保護。負(fù)角還可以是兩個角Θ1、Θ2。如圖5所示。半導(dǎo)體芯片3晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)成。P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)采用Al-Al-P-B每種雜質(zhì)源分別沉積、分別擴散推進、多次氧化光刻形成。P1區(qū)、P2區(qū)通過采用雙層Al擴散技術(shù)，分別進行兩次高真空Al預(yù)沉積和兩次高溫Al推進擴散，形成的一次低濃 度深結(jié)Al和二次高濃度淺結(jié)Al，進而解決了元件耐壓與其他特性間的矛盾，不但實現(xiàn)了具有超高阻斷電壓，同時兼顧提高元件的dv/dt耐量、導(dǎo)通特性、高溫特性。N2區(qū)擴散通過采用磷預(yù)沉積和高溫推進氧化兩次擴散完成；P+區(qū)擴散通過采用噴B涂源和高溫推進擴散完成，利于與導(dǎo)電層形成良好的歐姆接觸。晶片擴散采用長少子壽命吸收技術(shù)。在晶片擴散中，引入三氯氧磷吸收工藝對原始硅單晶片進行η+層雜質(zhì)吸收處理；同時，在擴散氧化過程中摻入三氯乙烷氧化清洗管道吸收雜質(zhì)，并在陽極面噴硼作P+擴散雜質(zhì)吸收。通過采用多次雜質(zhì)吸收工藝，減少了硅片原始少子壽命的降低，大大提高了半導(dǎo)體芯片的少子壽命和參數(shù)均勻性，進而保證了元件參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性。`
權(quán)利要求1.一種全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，包括管殼下封接件(I)、下鑰圓片(2)、半導(dǎo)體芯片(3)、上鑰圓片(4)、門極引線組件(6)和管殼上封接件(5)，其特征是所述管殼上封接件(5)中心設(shè)有安裝孔；所述上鑰圓片(4)中心設(shè)有定位孔，門極引線組件(6)卡入該定位孔內(nèi)；管殼下封接件(I)、下鑰圓片(2)、半導(dǎo)體芯片(3)、上鑰圓片(4)、門極引線組件(6)和管殼上封接件(5)依次為壓接接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述管殼下封接件(I)與管殼上封接件(5)內(nèi)形成密封腔體，該密封腔體內(nèi)充有低于外部大氣壓的惰性氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述半導(dǎo)體芯片(3)的兩個PN結(jié)的邊緣臺面造型采用兩面雙負(fù)角臺面造型；兩面雙負(fù)角臺面造型,各面的負(fù)角是一個負(fù)角或兩個不同角度的角構(gòu)成的負(fù)角，負(fù)角Θ大小為0. 5° < Θ < 35°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述半導(dǎo)體芯片 (3 )邊緣兩面雙負(fù)角臺面設(shè)有環(huán)形直角圓柱形絕緣保護硅膠環(huán)(7、8 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述硅膠環(huán)(8)外層表面設(shè)有凹槽(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述上鑰圓片(4)、下鑰圓片(2)的上下表面和管殼上封接件(5)、管殼下封接件(I)內(nèi)外臺面為研磨面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述上鑰圓片(4)、下鑰圓片(2)的表面涂鍍鈍化層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述半導(dǎo)體芯片 (3)陰陽極表面涂覆厚度為10μm- 50μm的金屬導(dǎo)電層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述下鑰圓片(2)中心設(shè)有定位孔；所述管殼下封接件(1)中心設(shè)有安裝盲孔；定位孔內(nèi)安裝有定位柱。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，其特征在于所述半導(dǎo)體芯片(3)的晶片原始材料為N型〈100〉晶向高阻單晶硅片或N型〈111〉晶向高阻單晶硅片，并采用三氯氧磷吸收工藝技術(shù)對原始單晶片進行預(yù)吸收處理；半導(dǎo)體芯片(3)晶片內(nèi)部微觀縱向結(jié)構(gòu)由P+P1N1P2N2對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中，P1區(qū)、P2區(qū)為雙層Al擴散形成的P1區(qū)、P2區(qū)。
專利摘要本實用新型的名稱為全壓接封裝高壓半導(dǎo)體器件，屬于高壓半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。它主要是解決現(xiàn)有芯片和電極片通過焊料高溫焊結(jié)而存在焊接應(yīng)力和焊接空洞的問題。它的主要特征是管殼下封接件、下鉬圓片、半導(dǎo)體芯片、上鉬圓片、門極引線組件和管殼上封接件依次為壓接接觸；管殼上封接件中心設(shè)有安裝孔；上鉬圓片中心設(shè)有定位孔，門極引線組件卡入該定位孔內(nèi)。本實用新型具有可消除芯片高溫焊接產(chǎn)生的形變和應(yīng)力，能滿足電壓5000V以上或芯片直徑4吋及以上的高壓半導(dǎo)體器件要求的特點，主要用于高壓軟啟動電源、高壓靜止無功補償電源、高壓脈沖功率電源、高壓直流輸電等領(lǐng)域的高壓半導(dǎo)體器件。
文檔編號H01L23/04GK202888149SQ20122059118
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者劉鵬, 張橋, 顏家圣, 吳擁軍, 孫亞男, 楊寧, 林煜風(fēng), 張明輝, 李嫻, 任麗, 劉小俐 申請人:湖北臺基半導(dǎo)體股份有限公司