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摘 要：本文介绍一种原位替代DO-214AB封装的陶瓷贴片封装产品，并进行工艺优化，找出可靠的、高效的、适合批量生产的工艺路线。
关键词：DO-214AB 陶瓷贴片 二极管 工艺优化
1 前言
国内金属-陶瓷贴片封装瞬态电压抑制二极管还处于起步阶段，所使用的表面贴装器件主要还以塑料封装为主，但由于塑料封装因其防湿热性差，机械强度、产品可靠性不高，很难满足高等级产品的要求。随着整机质量可靠性要求的不断提高，塑封产品市场需求中的一部分将会不得不转而采用金属-陶瓷表面贴装器件替代，因此，金属-陶瓷表面贴装器件产品有着良好的市场基础。
2014年9月29日，中国振华电子集团有限公司在贵阳组织召开了新产品鉴定会。会议成立了鉴定委员会，对中国振华集团永光电子有限公司研制的陶瓷片式封装SMCJ、SMDJ系列硅瞬态电压抑制二极管产品进行了鉴定。鉴定委员会听取了研制总结报告，审查了相关技术资料，质询了有关问题，经讨论形成鉴定，鉴定委员会一致同意该系列产品通过新产品鉴定。
我公司在金属-陶贴产品市场的研制处于领先水平，SMD-2、SMD-1、SMD-0.5、SMD-0.3、SMD-0.2、SMD-0.1、SOT-23C等多个封装外形的产品已率先投入市场，经用户使用反应情况良好，我厂自主设计的陶瓷贴片封装SMCJ、SMDJ系列产品所采用的零件可原位替代DO-214AB塑料封装外形尺寸，质量可靠性比塑料封装产品更高。
2结构设计
当瞬态电压抑制二极管器件吸收瞬时高能脉冲时，将导致器件结温升高，结上产生的热量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周围环境。。
瞬态电压抑制二极管在工作时将产生大量的热量，产品封装组件的热容以及散热能力的强弱将直接影响产品的抗瞬态脉冲功率的能力。因此在设计中必须考虑以下三个问题：
（1）器件产生的热量吸收；
（2）管芯产生的热量是否均匀分布；
（3）器件内部材料之间的热匹配。
器件的散热方式主要为热传导，散热的好坏由热阻的大小决定。因此，要考虑到热量传导途径上的热阻大小—即硅片、焊料和管座。针对瞬态电压抑制二极管的特点，它的脉冲功率是瞬时的，器件工作时管芯瞬间会产生很大的热量，热量必须快速被芯片以外的封装组件所吸收，这是设计时必须着重考虑的。针对这一特点，我们做了如下设计来解决这一问题：
器件焊接组装时，为了使管芯瞬间产生的热量能够快速被吸收，在芯片两极都焊接镀镍铜片（如图1所示），因为铜片的热传导效率高，能快速吸收芯片工作时产生的热量，而且铜片与硅片的热匹配也较好，这样更有利于管芯的热量传导热匹配和热传导这两个问题的协调解决，对保证器件的可靠性、大大提高器件的瞬态脉冲能力将起到至关重要的作用。
3 工艺技术难点改进
3.1芯片生产技术的改变
由于我公司生产的陶瓷贴片封装SMCJ、SMDJ系列产品反向漏电流低，可靠性高的特点，台面钝化保护采用玻璃内钝化技术，其原理就是在PN结台面生长一层玻璃钝化膜来保护PN结免受可动离子的沾污和外界条件对器件性能的影响，以提高产品的电气性能，稳定性及可靠性。台面钝化保护是保证产品可靠性的关键工序，因为硅瞬变电压抑制二极管的电气性能，稳定性及可靠性于管芯的表面性质有着密切的关系。
光阻法是一种先进的GPP芯片工艺，采用三层钝化保护（SIPOS/玻璃/LTO）的高可靠的芯片。工艺过程是先在PN结表面沉积一层SIPOS，再在晶片表面均匀覆盖一层光阻玻璃（玻璃胶），烘烤、曝光、显影去掉切割道及焊接面上的玻璃，只在PN结的表面留下需要钝化保护的光阻玻璃，在高温下将粉状玻璃烧结成致密的固态玻璃体，最后再在玻璃表面沉积一层氧化成（LTO）。
3.2 烧焊工艺改进
焊接工序是降低热阻、减少空洞、提高瞬态功率的关键工序。烧焊工艺控制的好坏直接关系到器件的抗浪涌能力，换句话说就是器件所能承受的瞬时脉冲功率。这就要求烧焊时，管芯与铜片之间，铜片与底座之间键合牢固，沾润平整，消除烧焊缝隙，减小空洞，最大限度地保证芯片有效面积，减小热阻，及时将管芯产生的热量吸收。使用烧氢炉生产的产品，存在一个问题，即烧焊剪切力和温度循环直接的矛盾，烧焊时间较长、温度偏高的情况下，可以提高剪切力，但会提高温度循环的淘汰率，反之，烧焊时间较短、温度偏低的情况下，温度循环很容易，剪切力却不好，甚至会出现无残留的情况。为提高烧焊工艺质量，我们使用了德国进口的QMT型真空回流焊炉，该设备具有真空功能，采用热风回流加热，产品均匀性好，空洞低，烧焊质量高。
3.3 箝位测试夹具的改进
陶瓷贴片零件的引脚尺寸有限，而功率为3KW的SMDJ系列产品中SMDJ5.0（C）A ～SMDJ10（C）A的箝位测试电流为176.5A～326.1A，在箝位测试时，将产品置于测试夹具中，瞬时电流通过这么小的接触面，一旦稍有接触不良，在某些部位形成尖端放电，在产品的引脚上留下不可恢复的损伤痕迹。目前我公司生产的SMDJ5.0（C）A ～SMDJ10（C）A在箝位测试时因引脚损伤导致的淘汰率有8%～23%，造成很大的成本浪费，据资料显示，应对这种大电流冲击一般都使用弹簧针作为接触介质，考虑到产品引脚是镀金的，因此使用镀金的弹簧针做箝位测试夹具的接触材料，是夹具和引脚之间形成良好软接触，又能紧密的接触在一起，避免接触不良以致打火。
3.4 零件改进
全镀镍零件在烧焊、压焊的操作和剪切力、拉力方面有很强的优势，但成品在外协电镀时始终存在一定不可控的风险，而且镀金零件有可以缩短生产周期等优点，综合两者优点，使用一种内部镀镍、外部镀金的陶瓷贴片零件是最好的选择，这样既保留了镀镍零件使用中的优点又避免二次电镀，可以很好的解决目前产品需要二次电镀的问题。
结语
陶瓷贴片封装产品近几年来增长迅猛，过去几年每年订货翻倍增长，通过对陶瓷贴片封装瞬变电压抑制二极管生产中遇到的困难和瓶颈进行梳理、分析和改进，找出可靠的、高效的、适合批量生产的工艺路线，为保证陶瓷贴片封装产品的供货、占据市场和为公司创造效益打下坚实基础。
参考文献：
[1]半导体器件工艺. 电子工业半导体专业工人技术编寫组.
[2]功率器件热设计及散热器的优化. 付桂翠，高泽溪，邹航，王诞燕
[3]功率器件热设计及散热计算. 鲍承斌
关键词：DO-214AB 陶瓷贴片 二极管 工艺优化
1 前言
国内金属-陶瓷贴片封装瞬态电压抑制二极管还处于起步阶段，所使用的表面贴装器件主要还以塑料封装为主，但由于塑料封装因其防湿热性差，机械强度、产品可靠性不高，很难满足高等级产品的要求。随着整机质量可靠性要求的不断提高，塑封产品市场需求中的一部分将会不得不转而采用金属-陶瓷表面贴装器件替代，因此，金属-陶瓷表面贴装器件产品有着良好的市场基础。
2014年9月29日，中国振华电子集团有限公司在贵阳组织召开了新产品鉴定会。会议成立了鉴定委员会，对中国振华集团永光电子有限公司研制的陶瓷片式封装SMCJ、SMDJ系列硅瞬态电压抑制二极管产品进行了鉴定。鉴定委员会听取了研制总结报告，审查了相关技术资料，质询了有关问题，经讨论形成鉴定，鉴定委员会一致同意该系列产品通过新产品鉴定。
我公司在金属-陶贴产品市场的研制处于领先水平，SMD-2、SMD-1、SMD-0.5、SMD-0.3、SMD-0.2、SMD-0.1、SOT-23C等多个封装外形的产品已率先投入市场，经用户使用反应情况良好，我厂自主设计的陶瓷贴片封装SMCJ、SMDJ系列产品所采用的零件可原位替代DO-214AB塑料封装外形尺寸，质量可靠性比塑料封装产品更高。
2结构设计
当瞬态电压抑制二极管器件吸收瞬时高能脉冲时，将导致器件结温升高，结上产生的热量大部分先流入芯片，然后流入焊料和管座，最后流入周围环境。。
瞬态电压抑制二极管在工作时将产生大量的热量，产品封装组件的热容以及散热能力的强弱将直接影响产品的抗瞬态脉冲功率的能力。因此在设计中必须考虑以下三个问题：
（1）器件产生的热量吸收；
（2）管芯产生的热量是否均匀分布；
（3）器件内部材料之间的热匹配。
器件的散热方式主要为热传导，散热的好坏由热阻的大小决定。因此，要考虑到热量传导途径上的热阻大小—即硅片、焊料和管座。针对瞬态电压抑制二极管的特点，它的脉冲功率是瞬时的，器件工作时管芯瞬间会产生很大的热量，热量必须快速被芯片以外的封装组件所吸收，这是设计时必须着重考虑的。针对这一特点，我们做了如下设计来解决这一问题：
器件焊接组装时，为了使管芯瞬间产生的热量能够快速被吸收，在芯片两极都焊接镀镍铜片（如图1所示），因为铜片的热传导效率高，能快速吸收芯片工作时产生的热量，而且铜片与硅片的热匹配也较好，这样更有利于管芯的热量传导热匹配和热传导这两个问题的协调解决，对保证器件的可靠性、大大提高器件的瞬态脉冲能力将起到至关重要的作用。
3 工艺技术难点改进
3.1芯片生产技术的改变
由于我公司生产的陶瓷贴片封装SMCJ、SMDJ系列产品反向漏电流低，可靠性高的特点，台面钝化保护采用玻璃内钝化技术，其原理就是在PN结台面生长一层玻璃钝化膜来保护PN结免受可动离子的沾污和外界条件对器件性能的影响，以提高产品的电气性能，稳定性及可靠性。台面钝化保护是保证产品可靠性的关键工序，因为硅瞬变电压抑制二极管的电气性能，稳定性及可靠性于管芯的表面性质有着密切的关系。
光阻法是一种先进的GPP芯片工艺，采用三层钝化保护（SIPOS/玻璃/LTO）的高可靠的芯片。工艺过程是先在PN结表面沉积一层SIPOS，再在晶片表面均匀覆盖一层光阻玻璃（玻璃胶），烘烤、曝光、显影去掉切割道及焊接面上的玻璃，只在PN结的表面留下需要钝化保护的光阻玻璃，在高温下将粉状玻璃烧结成致密的固态玻璃体，最后再在玻璃表面沉积一层氧化成（LTO）。
3.2 烧焊工艺改进
焊接工序是降低热阻、减少空洞、提高瞬态功率的关键工序。烧焊工艺控制的好坏直接关系到器件的抗浪涌能力，换句话说就是器件所能承受的瞬时脉冲功率。这就要求烧焊时，管芯与铜片之间，铜片与底座之间键合牢固，沾润平整，消除烧焊缝隙，减小空洞，最大限度地保证芯片有效面积，减小热阻，及时将管芯产生的热量吸收。使用烧氢炉生产的产品，存在一个问题，即烧焊剪切力和温度循环直接的矛盾，烧焊时间较长、温度偏高的情况下，可以提高剪切力，但会提高温度循环的淘汰率，反之，烧焊时间较短、温度偏低的情况下，温度循环很容易，剪切力却不好，甚至会出现无残留的情况。为提高烧焊工艺质量，我们使用了德国进口的QMT型真空回流焊炉，该设备具有真空功能，采用热风回流加热，产品均匀性好，空洞低，烧焊质量高。
3.3 箝位测试夹具的改进
陶瓷贴片零件的引脚尺寸有限，而功率为3KW的SMDJ系列产品中SMDJ5.0（C）A ～SMDJ10（C）A的箝位测试电流为176.5A～326.1A，在箝位测试时，将产品置于测试夹具中，瞬时电流通过这么小的接触面，一旦稍有接触不良，在某些部位形成尖端放电，在产品的引脚上留下不可恢复的损伤痕迹。目前我公司生产的SMDJ5.0（C）A ～SMDJ10（C）A在箝位测试时因引脚损伤导致的淘汰率有8%～23%，造成很大的成本浪费，据资料显示，应对这种大电流冲击一般都使用弹簧针作为接触介质，考虑到产品引脚是镀金的，因此使用镀金的弹簧针做箝位测试夹具的接触材料，是夹具和引脚之间形成良好软接触，又能紧密的接触在一起，避免接触不良以致打火。
3.4 零件改进
全镀镍零件在烧焊、压焊的操作和剪切力、拉力方面有很强的优势，但成品在外协电镀时始终存在一定不可控的风险，而且镀金零件有可以缩短生产周期等优点，综合两者优点，使用一种内部镀镍、外部镀金的陶瓷贴片零件是最好的选择，这样既保留了镀镍零件使用中的优点又避免二次电镀，可以很好的解决目前产品需要二次电镀的问题。
结语
陶瓷贴片封装产品近几年来增长迅猛，过去几年每年订货翻倍增长，通过对陶瓷贴片封装瞬变电压抑制二极管生产中遇到的困难和瓶颈进行梳理、分析和改进，找出可靠的、高效的、适合批量生产的工艺路线，为保证陶瓷贴片封装产品的供货、占据市场和为公司创造效益打下坚实基础。
参考文献：
[1]半导体器件工艺. 电子工业半导体专业工人技术编寫组.
[2]功率器件热设计及散热器的优化. 付桂翠，高泽溪，邹航，王诞燕
[3]功率器件热设计及散热计算. 鲍承斌