大功率防雷擊二極管產(chǎn)品工藝研究

胡忠

摘 要：防雷擊二極管是一種高效能的電路保護(hù)器件，具有體積小、響應(yīng)快、瞬間吸收功率大、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在國外已廣泛應(yīng)用到家用電器、電子儀器、精密設(shè)備、自動控制系統(tǒng)等各個領(lǐng)域，本文將對大功率防雷擊二極管產(chǎn)品的工藝進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：防雷擊；大功率；燒焊空洞；熱匹配

0 引言

大功率防雷擊二極管在國外大都采用塑料封裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要問題是可靠性不是特別高，使用環(huán)境受到一定的限制，而本方案采用的金屬封裝結(jié)構(gòu)，則是全密封封裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，具有更高的可靠性型。

1 實(shí)際大功率和防雷擊需要解決的問題

要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品同時具有大功率和防雷擊兩大功能，必須解決三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題：（1）大功率防雷擊二極管二極管管芯制造技術(shù)；（2）大面積PN結(jié)臺面造型和鈍化技術(shù)；（3）解決無空洞焊接技術(shù)難題，降低熱阻、提高瞬態(tài)功率。并通過采用新型的電極材料，從而使產(chǎn)品具備大功率和防雷擊功能。

2 解決措施

研制大功率防雷擊二極管所需要的材料有：制作管芯的硅片、銅引線、管座、銅片、焊片、管帽、上引線，針對產(chǎn)品的特點(diǎn)，重點(diǎn)解決以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題，使生產(chǎn)線能夠具備大功率防雷擊二極管產(chǎn)品組裝工藝技術(shù)。

（一）大功率硅瞬態(tài)電壓抑制二極管管芯制造技術(shù)

在芯片單位面積一定時，要提高產(chǎn)品的瞬態(tài)脈沖功率，必須解決PN結(jié)結(jié)面的平整性和均勻性問題，工廠將通過嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量、采用恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)散方法來解決這一問題，從而提高管芯的抗浪涌能力。

（二）攻克大面積PN結(jié)臺面造型技術(shù)

對于大功率防雷擊二極管來說，PN結(jié)臺面選型的好壞以及PN結(jié)臺面的鈍化效果都將嚴(yán)重影響器件的瞬態(tài)脈沖功率，可采用吹砂成型技術(shù)和酸、堿腐蝕工藝來解決PN結(jié)臺面選型。

（三）解決無空洞焊接技術(shù)難題，降低熱阻、提高瞬態(tài)功率

焊接質(zhì)量的好壞，對硅瞬態(tài)電壓抑制二極管瞬態(tài)功率的影響非常大，可通過提高管芯背面金屬化層質(zhì)量、優(yōu)化燒焊爐爐溫、調(diào)整燒焊保護(hù)氣體等措施，達(dá)到全面解決無空洞焊接的技術(shù)難題，進(jìn)一步降低熱阻，提高瞬態(tài)脈沖功率。

（四）主要研究研究內(nèi)容得出的結(jié)論

（1）針對PN結(jié)結(jié)面的平整性和均勻性以及提高抗浪涌能力的問題，我們在PN結(jié)制造上采用紙源擴(kuò)散代替原有的涂源擴(kuò)散，在材料的選擇上采用熱傳導(dǎo)性能更好的鉬銅合金作為與管芯接觸的電極材料。

（2）如圖所示面積由高濃度側(cè)向低濃度側(cè)方向減少的磨角，稱正斜角。正斜角使表面空間電荷區(qū)向上彎曲，由于低摻雜區(qū)的彎曲程度上大于高摻雜區(qū)，因此表面空間電荷區(qū)變寬，表面電場強(qiáng)度下降。

正斜角的特點(diǎn)：①最大電場強(qiáng)度值隨傾斜角減小而單調(diào)下降。②即使是90°的斜角（不磨角），表面最大電場強(qiáng)度始終低于體內(nèi)最大電場強(qiáng)度。③最大電場強(qiáng)度的位置隨斜角減小而遠(yuǎn)離PN結(jié)。

對于大功率瞬態(tài)電壓抑制二極管我們所希望的芯片造型為正斜角造型，使PN結(jié)擊穿盡可能發(fā)生于體內(nèi)，提高器件承受瞬態(tài)脈沖功率能力和可靠性。

（3）燒焊工藝效果的優(yōu)劣取決于浸潤程度，即熔融的焊料在焊接表面的流動擴(kuò)散情況。在燒焊過程中會有大量的氣體產(chǎn)生：焊料中的焊劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體、裝架時裹帶的空氣和焊料熔化時產(chǎn)生的氣體。如果這些氣體不能排放出去，就會存在于熔化的焊料層中，影響焊料在焊接表面的流動擴(kuò)散。當(dāng)焊料冷卻時就形成了空洞。如圖2所示。A類空洞會使通過芯片的電流不均勻，容易形成局部"熱斑"；B類和C類空洞降低了焊料層的導(dǎo)熱能力。

對于圖2所示的A類空洞，我們對芯片雙面進(jìn)行多元金屬化，管芯表面金屬化每層的厚度和蒸發(fā)質(zhì)量是降低熱阻的關(guān)鍵，在工藝實(shí)施過程中通過嚴(yán)格控制蒸發(fā)設(shè)備的真空度和蒸發(fā)源材料的質(zhì)量，提高多元金屬化層的質(zhì)量，從而提高焊接質(zhì)量、降低接觸電阻，解決此類空洞問題。

對于如圖2所示的B類和C類空洞，在燒焊工藝中通過選用質(zhì)量等級高的焊料及助焊劑，采用合適的燒焊保護(hù)氣體，采用高精度的低溫?zé)Y(jié)爐精確的控制升、降溫曲線，使焊料中殘存的氣體充分得到釋放，盡可能減少管芯、焊料、底座之間的空洞，保證管芯與底座粘結(jié)良好，最大限度地增加了管芯與底座之間的接觸面積。

通過采用以上方法對燒焊工藝調(diào)整，燒焊空洞有了大幅度的好轉(zhuǎn)，使空洞率控制在了5%以內(nèi)，為產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)大功率提供了保障。

3 結(jié)語

要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品具有大功率和防雷擊功能，須做到：（1）將管芯結(jié)構(gòu)成型為梯形臺面，減弱管芯的表面電場使管芯的擊穿效應(yīng)發(fā)生在體內(nèi)，從而提高產(chǎn)品的可靠性。（2）采用與管芯熱膨脹系數(shù)相近的合金片替代銅片作為管芯與底座間的過度電極片，因?yàn)殂~材料與管芯熱膨脹系數(shù)相差較大，承受多次環(huán)境突變的沖擊后會將管芯拉裂。

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