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整流二极管工艺介绍


超级整流二极管 SuperexⅡ技术与应用 突破传统制程之新一代整流二极管 整流二极管是最基本的电子组件, 可将发电厂所供应之交流电转变为电机系统与电子电路所 使用之直流电(如图 1),其功能很单纯却也很重要,小至家电用品,大至工业设备用电,整 流半导体扮演的角色举足轻重,无所不在,少了它电器产品将无法运作,早已经普遍应用在 各式各样的电器用品中,然而自从美国奇异(GE)发明了性

能优异的 GPR 玻璃球全包覆形式 之整流二极管后,直到现在将近三十年的时间,整流二极管护封的技术,并无太大的变化, 直到最近国人推出了 SuperexⅡ,让整流二极管终于有了突破。 整流二极管之运作原理 最常见的半导体材料为四价的硅,然而纯硅导电性并不好,但假如加入五价的磷、砷或锑等 杂质原子, 杂质原子最外围的五个电子除了四个电子跟硅形成共价键外, 多出的一个电子便 会成为可以任意移动的自由电子,而大幅增加导电性(如图 2);同样也可以加入三价的硼、 铟或铝杂质原子, 杂质原子最外围只有三个价电子可跟硅原子形成三个共价键, 仍缺少一个 价电子形成共价键,因此可接受其它价电子之移转,形成电洞之作用。(如图 3)6 f. [" \& Z1 w: z9
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掺杂五价杂质原子之硅半导体,称做 N 型半导体,而掺杂三价杂质原子之硅半导体,称做 P 型半导体。单纯的 P 型及 N 型半导体,并不具有单向导通之整流效果,但假如我们将 P 型 半导体及 N 型半导体,接合在一起后,就会有单向导通之效果,通常我们以接合(Junction) 来称呼半导体组件间之接合,而当我们将 P-N 半导体的 P 面接上正极,N 面接上负极时(如 图 4b),称做顺向偏压,此时 N 面的电子跟 P 面的电洞,会受到受到电压的驱动往中间的 Junction 面移动,并在 Junction 面结合消失,促使电子跟电洞不断朝向 Junction 面移动,达 到电流导通之效果。反之 N 面接上正极,P 面接上负极时(如图 4c),称做逆向偏压,P 面的 电洞及 N 面的电子,各往两端移动,使得半导体中间缺乏载子,没有电荷可以流动,所以 无法导电。这也就是 P-N 二极管可以整流之原因。5 V# ~7 g6 \. z8 P4 L5 j Z 而在实际应用上,P-N 二极管之制造方式,乃是将已经掺杂有磷原子之 N-Type 之硅晶圆, 选择其中一面,做三价硼原子的扩散制程,因此硼原子浓度高的那一面,便成为 P-Type, 另一面则是 N-Type,于是在晶圆中产生 P-N Junction 的界面(如图 5 所示),再依照所需求大 小,把硅晶圆切割成一块一块单一晶粒。$ q: u- g) n% s+ s, ^. P/ l 然而若要使整流二极管达成整流效果,电流必须只能从 Junction 接合处通过,才能有整流作 用;但在逆向偏压状态下,电流也会不经过 Junction 面的阻挡,由晶粒的切割面,透过空气 直接由 N 面流到 P 面,产生逆向漏电(IR)的现象(如图 6),此现象在高电压下尤其明显;因 此在切割面上,还要做护封(Passivation)的处理,以隔绝空气及污染,并避免 P-N 接口之损 伤,来达成整流之作用。也可以说护封效果的好坏,为决定整流二极管质量好坏的最关键因 素。 Junction 护封技术之种类; Z7 R3 y# O, d+ d. W5 x0 X! K 可作为 Junction 护封材料大致可分为三类: 一. 氧化硅(SiO2):因 SiO2 具有良好绝缘性,若在晶粒切割面上,将 Si 氧化成 SiO2, 长上足够厚度之 SiO2 层,就可以保护住 Junction 面,也可达成护封效果;但由于表层的氧 化硅会阻碍氧原子继续扩散进入内部与硅反应,因此 SiO2 层不易增厚,若要达到所需求之 厚度,其技术难度及成本相对提高甚多,所以甚少被采用。 二. 硅胶(Silicone Rubber):硅胶属于高分子聚合物,耐电压较低、绝缘性较差、抗湿气 性较差、且不能承受太高之温度,在高温下长时间使用,材料会有老化现象发生,逐渐失去 护封效果,导致产品 Failure,可靠度最差,但由于便宜有材料成本之优势,因此大多应用 在低阶产品上。

三. 玻璃(Glass):玻璃本身是一种非晶质的无机物,不但绝缘性佳、可承受高电压并抗 湿气(参考表一),是相当好的护封材料,但成本较高,大都应用在中高阶的产品上。, @* w% F5
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传统护封技术,可分为三类,若再加上 SuperexⅡ内含芯片(GPRC)所采用之最新护封技术, 则共分为四类(如图 7 所示): 一、 Open Junction:( K9 R: g9 e. [4 d" ^7 {4 _. A2 w 护封材料为硅胶,护封形式为全切面护封,其制作流程如下: 晶圆表面金属化:镀上一层金属膜,以利导接。 a. b. 晶圆切割:切割成要求之晶粒尺寸。 c. 焊接导线:使用锡铅合金之焊料,进行软焊(焊接工作温度三百多度)。 d. 晶粒酸洗:晶粒切割完后, 切割面会有微裂及不平整现象, 所以必须做酸洗处理。}$ i# '
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e. : Junction 面护封:在切割面上涂覆硅胶,完成 Junction 之护封。 f. 硅胶熟化处理(Curing):最后将成品置入烤箱,以高温(200℃)将硅胶做熟化处理。 从图 7 中可看到硅晶粒的切割面,被硅胶整个包覆住,包覆效果相当好,可惜受硅胶本身材 质特性之限制,在 HTRB 及 HTIR 表现不佳,逆向漏电流(IR)较大,可靠度最差(参考图 8 及表二),但是其制程比较简单,无高温制程,且材料便宜,是低阶市场之产品主流,价格 仅为玻璃护封 1/3~1/4 价位。 二、 GPP(Glass Passivated Pellet):- @! p2 m7 M' K* f0 A 护封材料为玻璃,护封方式为半切面护封,护封玻璃厚度约为 50~100?m,制作流程如下: a. 晶圆开沟:在晶圆表面涂布光阻剂,以感光显影之光罩制程,依照所需之晶粒大小, 在晶圆表面蚀刻出细沟,但不穿透晶圆,以露出 P-N Junction 界面,并分隔晶粒(如图 9)。&
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b. Junction 面护封:同样以感光显影制程,在细沟内涂布玻璃浆,经过 600℃~900℃的 高温,烧成玻璃。 c. 晶粒金属化:再进行一次感光显影之光罩制程, 将晶粒表面镀上金属膜, 完成金属化 制程,以利导接之用。 d. 晶粒切割:切下个别的晶粒,完成整个流程。8 ?; _8 L' o2 u1 a" u5 V/ a GPP 的优点在于产品完成后为片型,采用低温软焊即可与导线焊接,可适用于现有的各种 包装形式,且由于采用玻璃材质护封,在逆向漏电及可靠度测试,都要比 Open Junction 来 的佳,是目前中高阶产品之主流。缺点在于制程较为繁复,需要三道光阻显影之光罩制程, 而在成型切片时,常会有因切割而造成之微细裂缝,且边缘呈现 90 度之锐角状,加工时容 易受到碰撞所损伤。另外从图 7 来看,GPP 玻璃只包覆切割面的一部份,并无法包覆整个 切割面,且由于护封玻璃厚度很薄,通常只能承受小于 1600V 之逆向电压。 K6 G- O% L! G4 j9 V 三、 GPR(Glass Passivated Rectifier); p' {& |# } Z) k( A 护封材料为玻璃,护封方式为全切面护封,护封玻璃厚度大于 1000?m 以上,制作流程如下: a. 晶圆表面金属化:镀上一层金属铝膜,以利导接。/ x C: i( x* Q b. 晶圆切割:以喷砂方式,将晶圆切割成要求之晶粒尺寸。, t9 B. f, \5 \7 @ c. 晶粒酸洗:以酸液对晶粒切割面,进行清洗。6 F* t5 f% w3 [( Y d. 焊接导线:将钼粒(Moly Slug)置于金属导线与晶粒间,以高温硬焊方式(680℃ ~730℃),将三者焊接在一起。 e. 酸洗:将焊好之成品,再做一次清洗。 f. Junction 面护封:将钼块与晶粒,裹上玻璃膏,以高温(约 600℃)将玻璃烧成,完成整 个流程。: N9 U, n+ U; ~" `9 n

GPR 之优点在于晶粒整个切面,被玻璃全部包覆(参考图 7),不但可耐高电压,在逆向漏电 及可靠度上的表现,都是属于最高等级,因此都应用在高阶产品上。然而受限于制程,必须 加上钼块, 以做为硅及铜导线间之热膨胀缓冲, 并必须以高温硬焊方式焊于导线与晶粒之间, 不但制造难度较高,制作出来成品为体积较大之圆球导线状,成品大部份为导线型式,无法 应用在各种封装形式, 尤其是 SMD 扁平式封装, 这跟目前市场上薄形化的潮流, 背道而驰; 且昂贵的钼块,也大幅增加成本,更因为技术方面的问题无法克服,很难做出超过三安培之 产品。8 f$ l0 ?2 B0 {/ ~# `% b 四、 GPRC(Glass Passivated Rectifier Chip):2 k2 @) y; R6 K g' S 这个也就是 SuperexⅡ所使用之芯片, GPR 一样使用玻璃作为护封材料, 与 并为全切面护封 形式,护封玻璃厚度为 500~1000?m,制作流程如下:+ e5 B6 u5 w4 R+ h a. 晶圆光阻剂涂附:将晶圆涂上光阻剂做保护层,以抵抗后面之化学制程之酸蚀液。 b. 晶圆切割:将晶圆切割成之晶粒。 c. 晶粒酸洗:将晶粒切割面酸洗。 d. Junction 面护封:将晶粒切割面涂附玻璃浆,以高温将玻璃烧成。, R3 z. a; `* R e. 晶粒金属化:将晶粒表面,镀上金属膜,以利导接,完成整个制程。 GPRC 之制程不仅比起 GPP 及 GPR 要来的简单, 由图 7 之比较看来, GPRC 可说是整合 GPP 及 GPR 之优点,它不但有 GPP 的片形外观,可适用于各种封装形式,且因圆弧状的全切面 玻璃包覆,玻璃厚度为 GPP 十倍以上,在加工时切割面不易受到损坏,可耐到 2000V 之高 电压,在焊接时使用低温软焊即可,不需要使用昂贵钼块做高温硬焊,成本可大幅降低,也 可轻易制作大尺寸高安培数产品,更因为全切面玻璃护封,电气特性及可靠度可与 GPR 相 匹敌,参看图八及表二。 D. k, a4 a$ r; e# {' G4 `/ S; c SuperexⅡ之应用% l0 C6 a" C0 z. W O2 Q 所谓 SuperexⅡ,即是由 GPRC 所衍生成各种封装形式之整流二极管,其应用广泛,可依外 型及功能加以分类:4 O* h$ y+ a8 b5 y) [5 Y 1. 导线型(Axial Lead): GPRC 封成导线型,除了有全切面玻璃护封的优异特性之外,在顺向电压降、Forward Surge 之表现与成本上,均优于 GPR,从一安培到六安培全系列,均可以轻易制作,可以完全取 代 GPR 之高阶地位。 2. 表面黏着型(SMD): 电子组件的薄形化是大势所趋,使得 SMD 类的产品逐渐成为主流,但由于 GPR 产品不易 做成 SMD 形式,SMD 类产品均都由 GPP 所主导,也因此 SMD 类产品一直无法达到 GPR 等级之电气特性及可靠度,然而由于 GPRC 的应用,使得鱼(扁平化)与熊掌(电性品质),一 起兼得。" x# Z3 R5 n+ [: M, ` 3. 桥式整流器(Bridge):' j5 l% T6 K$ N2 {3 H 桥式整流器乃是将四颗芯片组装在一起,来达到全波整流之目的,GPR 由于外形之限制, 无法组装成 Bridge,只能使用 GPP 来组装,而在四颗芯片中只要一颗特性不佳或损坏,就 会影响 Bridge 之质量及良率,因此对于芯片的质量要求,更是重要,所以在 Bridge 上之应 用,GPRC 比起 GPP 有更大之优势。 4. 高压堆栈整流器(Stack Rectifier): 在某些应用场合需要使用到超高压,如雷击(突波)产生器,微波炉及 Monitor 上之高压产生 器,电压由数千伏特到上万伏特不等,单一颗芯片无法承受如此高压,需要将好几颗芯片串 接堆栈一起,才能承受如此之高压,由于 GPRC 具有全切面玻璃护封之特点,抗电压性佳 及漏电流低,加工时晶粒不易损坏,应用在高压整流器上,将会有相当可靠之质量。 5. 车用整流器(Auto Rectifier):0 \8 n2 h5 P3 J: e* L" r

车用整流器,主要将汽车发电机所产生之交流电,整流成直流电,以供全车电力系统使用。 目前市场上对于整流器质量要求,除了航天及军用外,就是以汽车要求最高,因为汽车的引 擎在运作时,内部经常处于相当高温的状态,甚且会随着地域的不同,而遭遇到种种不同的 挑战,从热带沙漠的高温、寒带雪地的低温、海边盐雾、雨天湿气的侵袭,到恶劣路面之冲 击,因此需有如下之要求:1.良好之机械强度,可耐震荡及冲击。2.良好温度适应性,可耐高 温及反复的高低温冲击。3.电流规格较高,从 25A~80A。由于 GPR 无法做出大安培数产品, 以 GPRC 优异之特性,将能胜任此一工作,超越市面上同类型之产品。 6. 模块形式(Module): S+ m. m* E; h4 h7 S# {0 t V) u: s 将两颗以上之芯片,焊在散热性良好的金属或陶瓷基板上,再加以封装,成为一个模块。一 般都是应用在高安培数的电力系统上,对于产品质量的要求自不在话下,由于 GPRC 具有 可大可小,及片形易于封装加工之特性,同样可以轻易应用于此种产品上。 除了以上所列之应用外,将来还可应用于 COB(Chip On Board)之特殊应场合,及下一代更 高等级的片形陶瓷整流二极管(Glass Passivated Ceramic Package Chip Diode)。0 {3 _) y$ ]2 p7 |3 ~*
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Superex 可说是革命性的产品, 它同时拥有 GPP 及 GPRC 产品之优点, 满足高阶应用之需求, 对于中高阶市场而言,尤其具有极大影响力,将来必可以取代 GPP 及 GPR 之地位,开启了 新一代半导体整流二极管之新纪元


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