CN105336768A - 高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，所述二极管包括玻壳、位于玻壳内的芯片、套设在玻壳两端的引出端，引出端与芯片之间设有焊片，二极管的引出端与玻壳、引出端与焊片、芯片通过高温冶金工艺键合在一起。冶金键合结构具有可靠性高、耐大电流冲击、热阻小的优点，且工作温度范围宽（-55℃～125℃），耐高温焊接（在550℃环境下15分钟，参数不恶化）；产品选材实现了产品的全工作温度范围的热匹配；整个工艺过程中采用氮气为保护气体，生产安全，无危险气体使用；制成的二极管安装体积小，组装密度高，重量轻；工艺操作简单，易实现批量或大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种二极管的封装工艺，具体的说，是一种高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，属于二极管封装技术领域。
背景技术
目前大量使用的小电流肖特基二极管，其封装形式为轴向引线玻璃封装，安装体积大、重量大、引线阻抗大，导致整机的体积增大、可靠性降低，已经不适合高精尖武器装备系统的高密度、高性能、高可靠要求。表面贴装小电流肖特基二极管是以金属硅化物（如MoSi2）为正极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒制成的金属硅化物—硅接触半导体器件。器件芯片势垒是采用金属硅化物—硅接触的肖特基势垒，提高了器件的正向特性；同时芯片采用保护环和多层金属化结构，提高了器件的反向耐压反向特性和抗热疲劳性能。表面贴装玻封小电流肖特基二极管系列具有正向压降低、反向恢复快、体积小、重量轻、效率高等特点，主要作为开关、整流二极管用于开关电源、高频整流等电路中，产品的性能直接影响到主电源系统的运行速度及工作效率，对于提高整机的性能及优化系统设计等方面起到至关重要的作用，产品可广泛应用于计算机、雷达、通讯发射机、航天飞行器、仪器仪表等方面。
目前，表面贴装玻封二极管的芯片与引出端的连接方式为压接，即利用外力（如弹片的形变压力，玻璃高温形变的收缩力）实现芯片与引出端的接卸机械接触，这种连接方式可靠性低，不能满足长期可靠性的要求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，利用该封装工艺制成的二极管可靠性高，工作温度宽，耐高温焊接，热匹配良好。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，所述二极管包括玻壳、位于玻壳内的芯片、套设在玻壳两端的引出端，引出端与芯片之间设有焊片，其特征在于：二极管的引出端与玻壳、引出端与焊片、芯片通过高温冶金工艺键合在一起。
进一步的，本发明所述高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺包括以下步骤：
1）、制备芯片，芯片厚度为210μm±50μm；
2）、用模具将芯片、焊片、引出端和玻壳装配在一起；
3）、氮气烧结，打开烧结炉，按工艺条件设置工作温度及氮气流量，氮气流量为1000ml/min±10ml/min，待炉口温度升到300℃±20℃时，将装有半成品器件的模具放至炉口预热至少10min；炉温升到620℃±20℃后，将模具推入恒温区，达到预定的恒温时间将模具拉至炉口冷却30min，最后取出模具自然冷却到室温，完成封装，实现引出端、焊片与芯片良好的冶金键合以及玻壳与引出端的密封。
进一步的，上述恒温过程中，恒温时间为10-30min。
进一步的，所述焊片为银铜锡片，银铜锡的重量比为6:3:1。
进一步的，所述芯片为势垒能耐600℃以上高温烧结的表面镀银的芯片。
进一步的，所述引出端的材料为杜美丝，引出端的外表面为铜，里面为铁镍合金。
本发明的有益效果：本发明所述封装工艺利用高温冶金工艺将二极管的引出端与玻壳、引出端与焊片、芯片键合在一起，冶金键合结构具有可靠性高、耐大电流冲击、热阻小的优点，且工作温度范围宽（-55℃～125℃），耐高温焊接（在550℃环境下15分钟，参数不恶化）；产品选材实现了产品的全工作温度范围的热匹配；整个工艺过程中采用氮气为保护气体，生产安全，无危险气体使用；制成的二极管安装体积小，组装密度高，重量轻；工艺操作简单，易实现批量或大规模生产。
附图说明
图1为本发明所述表面贴装玻封二极管的结构示意图；
图2为本发明所述表面贴装玻封二极管封装时的结构示意图；
图3为封装过程中的温度曲线图；
图中：1、玻壳，2、芯片，3、引出端，4、焊片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明和限定。
如图1所示，为本实施例中所述表面贴装玻封二极管的结构示意图，包括玻壳1、位于玻壳1中间的芯片2、套设在玻壳1两端的引出端3以及位于引出端3和芯片2之间的焊片4，本实施例中，通过高温冶金键合工艺将玻壳1与引出端3、玻壳1与焊片4、芯片2键合在一起。
本实施中，所述高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺包括以下步骤：
1）、制备芯片，芯片厚度为210μm±50μm；
2）、用模具将芯片、焊片、引出端和玻壳装配在一起，如图2所示；
3）、氮气烧结，打开烧结炉，按工艺条件设置工作温度及氮气流量，氮气流量为1000ml/min±10ml/min，待炉口温度升到300℃±20℃时，将装有半成品器件的模具放至炉口预热至少10min；炉温升到620℃±20℃后，将模具推入恒温区，恒温20min后将模具拉至炉口冷却30min，最后取出模具自然冷却到室温，完成封装，实现引出端、焊片与芯片良好的冶金键合以及玻壳与引出端的密封。烧结过程中的温度变化曲线如图3所示。
本实施例中，所述焊片为银铜锡片，银铜锡的重量比为6:3:1。所述芯片的表面为银，其势垒能耐600℃以上高温烧结。所述引出端的材料为杜美丝，引出端的外表面为铜，里面为铁镍合金。
本实施例所述高可靠表面贴装玻封二极管具有耐大电流冲击、连接可靠、热阻小等优势。封装时，需要综合考虑肖特基芯片耐受高温能力、芯片金属化、玻壳材料、引出端材料等因素，满足热匹配、机械强度、电流传输等要求。因此，为了实现产品的电参数要求和可靠连接，应该考虑产品的参数特点和结构特性。
玻壳采用GLASS8532型玻壳，玻壳软化点温度为560℃，玻壳工作点最高温度为760℃；焊片采用银铜锡片，在600℃左右出现液态，到720℃全部液态，密度为9.57g/cc，因此确定高温键合温度为620℃±20℃。引出端的材料为杜美丝，引出端的外表面为铜，里面为铁镍合金。所述芯片的表面为银，其势垒能耐600℃以上高温烧结。
组成二极管的主要原料为引出端、玻壳、芯片、焊片（主要成分是Ag），各种材料的热膨胀系数见表1原材料热膨胀洗漱表，根据材料的膨胀系数来确定产品芯片硅层的厚度x和芯片银层厚度和焊片厚度y，一般取硅层厚度x为0.21mm，芯片银层厚度0.01mm，根据公式(x+0.01+y)*8.0×10-6=x*4.2×10-6+(0.01+y)*18.9×10-6计算出焊片厚度y，实现热匹配。
根据产品结构特征，主要考虑玻壳和杜美丝引出端的热匹配性。从上表中可以看出，这两种材料的热膨胀系数相近，热匹配性良好。所以我们采用与杜美丝膨胀系数相匹配的玻壳，并在氮气保护气氛中烧结，保证产品长期可靠性。
产品烧结成型后做过多次有关热匹配的试验，包括抗玻璃裂化试验，热冲击试验（液体-液体），500次温度冲击试验等各项环境机械试验考核合格，从而证明产品的高可靠性满足国家军用标准要求。
以上只是对本发明的原理进行进一步的描述和解释，以使本领域技术人员能够更好的理解本发明，应该明白的是，下述内容仅起到解释、说明的作用，并不对本发明实质性内容进行限定，所有在本发明思路之内的改进，都应该在本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，所述二极管包括玻壳、位于玻壳内的芯片、套设在玻壳两端的引出端，引出端与芯片之间设有焊片，其特征在于：二极管的引出端与玻壳、引出端与焊片、芯片通过高温冶金工艺键合在一起。
2.根据权利要求1所述的高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1）、制备芯片，芯片厚度为210μm±50μm；
2）、用模具将芯片、焊片、引出端和玻壳装配在一起；
3）、氮气烧结，打开烧结炉，按工艺条件设置工作温度及氮气流量，氮气流量为1000ml/min±10ml/min，待炉口温度升到300℃±20℃时，将装有半成品器件的模具放至炉口预热至少10min；炉温升到620℃±20℃后，将模具推入恒温区，达到预定的恒温时间将模具拉至炉口冷却30min，最后取出模具自然冷却到室温，完成封装，实现引出端、焊片与芯片良好的冶金键合以及玻壳与引出端的密封。
3.根据权利要求2所述的高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，其特征在于：所述恒温时间为10-30min。
4.根据权利要求1或3所述的高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，其特征在于：所述焊片为银铜锡片，银铜锡的重量比为6:3:1。
5.根据权利要求4所述的高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，其特征在于：所述芯片为势垒能耐600℃以上高温烧结的表面镀银的芯片。
6.根据权利要求5所述的高可靠表面贴装玻封二极管的封装工艺，其特征在于：所述引出端的材料为杜美丝，引出端的外表面为铜，里面为铁镍合金。
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