玻璃鈍化保護(hù)工藝原理

徐年惠

摘 要：臺面型封裝軸向二極管器件的電氣性能、穩(wěn)定性及可靠性與芯片臺面的性質(zhì)有著密切的關(guān)系，芯片PN結(jié)裸露的表面實(shí)際上是硅晶格排列終止的邊緣，在這終止的邊緣上存在著不飽和鍵或沾污微離子，容易引起芯片臺面狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起器件的電性能參數(shù)及可靠性退化。因此，對于這類器件，必須在芯片臺面上鈍化一層致密的保護(hù)膜，以防止離子的沾污和外界條件對器件電性能參數(shù)及可靠性的影響。目前玻璃鈍化是一種常見的鈍化工藝，掌握和熟悉工藝原理，對于如何做好玻璃鈍化實(shí)體封裝二極管產(chǎn)品來說非常重要。

關(guān)鍵詞：玻璃鈍化 PN結(jié)臺面 工藝原理

一、發(fā)展概況

玻璃鈍化是指在半導(dǎo)體芯片表面附著一層玻璃成份適當(dāng)?shù)拟g化膜。1961年8月在美國底特律城市召開的一個(gè)聯(lián)合會議上，J.A.Perri、H.S.Lehman等4個(gè)美國人首次做了有關(guān)玻璃鈍化的報(bào)道。1966年日立公司用低溫鈍化法得到了鉛玻璃的鈍化層。當(dāng)時(shí)在國外有代表性的玻璃鈍化方法是在SiO2薄膜上淀積一層PbO系玻璃。

在上世紀(jì)70年代中期，玻璃鈍化在日本、美國的半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用比較廣泛，玻璃鈍化工藝技術(shù)非常成熟，在這些國家的市場上購買玻璃鈍化產(chǎn)品是非常容易的。當(dāng)時(shí)美國的IBM公司在計(jì)算機(jī)的SLT線路上使用了玻璃鈍化器件，后續(xù)在日本有很多應(yīng)用電脈法附著玻璃粉的專利，避免了應(yīng)用玻璃鈍化給生產(chǎn)工藝操作帶來的不便。1979年日本發(fā)明者田中知行發(fā)表專利，提出了一種特殊結(jié)構(gòu)的玻璃鈍化膜用以保護(hù)高壓二極管器件。在上世紀(jì)80年代，我國一些工廠在二極管的制造過程中，采用鋅系（鋅含量在45～55%范圍）玻璃粉作為鈍化兼封裝的材料。據(jù)了解，目前在國內(nèi)采用玻璃鈍化工藝生產(chǎn)臺面型實(shí)體軸向二極管的廠家極少，工藝過程仍沿用上世紀(jì)80年代的玻璃鈍化工藝，玻璃粉材料仍為鋅系玻璃粉。

二、玻璃鈍化的作用

由于半導(dǎo)體器件芯片表面容易受到外界氣氛的影響，為保持它的穩(wěn)定性，使之長期穩(wěn)定的工作，硅芯片PN結(jié)表面必須用絕緣材料完全密封，芯片表面受到外界影響的保護(hù)方法有多種多樣，其中用鈍化玻璃保護(hù)是目前比較直接有效的方法。

芯片PN結(jié)表面的玻璃鈍化主要解決以下兩個(gè)方面的問題：1）玻璃本身表征為負(fù)電荷特性，沾污離子一般表征為正電荷特性，在這種情況下，其鈍化玻璃能夠很好的把鈉離子等沾污離子固定住，減少鈉離子的移動；2）在芯片PN結(jié)表面覆蓋一層玻璃鈍化膜，形成鈉離子等沾污離子的阻擋層，避免外界鈉離子等沾污離子進(jìn)入到芯片PN結(jié)表面處。

三、玻璃材料的組成及特點(diǎn)

鈍化玻璃材料主要以Zn、Pb、B、Si、Al等氧化物為主要成份，目前一般用于鈍化粉末狀的玻璃粉主要有鉛系玻璃粉和鋅系玻璃粉。

鉛系玻璃粉一般分為兩種：一種為PbO、B2O3、SiO2為主要成份；另一種為PbO、B2O3、SiO2、Al2O3為主要成份。在鉛系玻璃粉中增加PbO的含量，可以使玻璃的軟化溫度降低，熱膨脹系數(shù)增大，但耐酸性能變差；若增加B2O3的含量，可以降低玻璃鈍化的溫度和熱膨脹，增強(qiáng)鈍化膜的柔性，還能夠降低鈍化膜的粘度。改變玻璃粉PbO的含量可得到軟化溫度在500～800℃范圍內(nèi)的各種玻璃粉。鉛系玻璃粉與SiO2的結(jié)合性能較好，因而可以在SiO2上形成鉛玻璃膜。

鋅系玻璃粉以ZnO、B2O3、SiO2為主要成份，在實(shí)際使用過程中，為改善器件的特性，可在玻璃粉中添加少量氧化物，如MnO2、Ta2O5、CcO2、Sb2O3等氧化物質(zhì)。ZnO是一種堿性氧化物，在鋅系玻璃粉中增加它的含量可以提高鈍化玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，降低鈍化玻璃的熱膨脹系數(shù)，但會提高玻璃的軟化溫度，易導(dǎo)致玻璃的析晶（不是玻璃體）。

綜上所述，對于鉛系玻璃粉和鋅系玻璃粉具有以下各自的特點(diǎn)：

1）鉛系玻璃粉的負(fù)電荷易于顯著變化，它的離子遷移率比鋅系玻璃粉高，所以鋅系玻璃的電絕緣性能更好。2）在高溫下鉛離子更易于遷移，鋅系玻璃粉的鈍化溫度高于鉛系玻璃，因此，鋅系玻璃粉鈍化的器件高溫工作性能更好，其溫度工作范圍比鉛系玻璃鈍化的器件寬。3）由于鋅原子較鉛原子活波得多，故鋅系玻璃粉的耐酸耐堿性能差，而鉛系玻璃粉的耐酸、耐堿性能更好。4）鋅系玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅（熱膨脹系數(shù)為2.5×10-6/℃）接近，故鋅系玻璃粉比鉛系玻璃粉更容易形成厚膜，一般常用于高壓器件作鈍化封裝用，其鈍化效果比鉛系玻璃粉要好。5）使用鋅系玻璃粉鈍化，在工藝操作難度上比鉛系玻璃粉困難得多。

目前對于常用的鉛系玻璃粉和鋅系玻璃粉中典型的鈍化玻璃的組成主要有SiO2、PbO、ZnO、B2O3、Al2O3等，其膨脹系數(shù)在3.7×10-6/℃～5.6×10-6/℃范圍，軟化點(diǎn)在610～825℃。

使用玻璃鈍化材料要根據(jù)具體的工藝和設(shè)計(jì)，適當(dāng)選擇玻璃粉的成份。玻璃含有的各種氧化物的成份不同，其玻璃鈍化膜的形成溫度、電學(xué)性能的穩(wěn)定和機(jī)械性能、熱膨脹系數(shù)等都有很大的變化。而作為玻璃鈍化材料的基本要求為：電學(xué)性能好、絕緣性能好、電阻率高、玻璃材料中的可動離子少（一般鈉離子的含量不允許超過10ppm）；另外要求玻璃粉的熱膨脹系數(shù)與硅接近、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐水等。

四、玻璃鈍化的原理及特點(diǎn)

玻璃粉的溫度與玻璃膜的形成存在一定特性關(guān)系，不同的玻璃粉材料具有不同的轉(zhuǎn)化溫度、軟化溫度、結(jié)晶溫度。由于玻璃粉自身的附著性能好，將它附著在芯片表面上后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募訙靥幚硇纬晌⒕РＡぁＴ诖四ぶ胁粌H有玻璃微晶體，而且含有大量極細(xì)微的結(jié)晶體，這樣的玻璃經(jīng)析晶轉(zhuǎn)變而得到類似于陶瓷體的保護(hù)膜，該膜具有均勻、致密、比重小、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，該膜能使芯片表面與周圍的氣氛完全相隔絕，具有以下3個(gè)方面特點(diǎn)：1）高溫性能好；2）擊穿電壓高、可獲得高反壓器件；3）器件的反向漏電流小。

具有上述3個(gè)方面特點(diǎn)的原理為：我們知道，在芯片制作過程中，尤其是臺面型軸向二極管器件，其芯片臺面上不可避免會沾附上沾污離子，當(dāng)為金屬沾污離子時(shí)，這類離子具有電荷轉(zhuǎn)移的特性，使得芯片臺面處的電導(dǎo)率增大，并產(chǎn)生復(fù)合中心，使PN結(jié)表面的反向漏電流增大，器件的性能降低，在常溫下處于相對穩(wěn)定的電荷物質(zhì)，但在高溫和強(qiáng)電場作用下，這些沾污雜質(zhì)被電離，使得反向漏電流進(jìn)一步增加、器件的擊穿電壓降低。玻璃鈍化薄膜是微晶玻璃，具有玻璃網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，且膜的厚度較一般鈍化膜厚，表面致密無針孔，具有負(fù)電荷性能的鈍化層，能夠固定住沾污離子，且在高溫下能夠阻止欲電離的電荷物質(zhì)，阻止膜內(nèi)離子的遷移和外界離子的浸入。

玻璃鈍化膜具有上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有一些缺點(diǎn)：1）難于找到低熔點(diǎn)的玻璃粉，造成了在工藝操作上的不便，對于某些特殊器件，會影響到器件的成品率；2）玻璃膜一般較厚，兼外形封裝，這就造成結(jié)構(gòu)及成份比較復(fù)雜，難于進(jìn)行物理分析；3）玻璃鈍化膜對于溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力較敏感，在器件使用過程中，需要避免引入溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致器件性能退化。

五、結(jié)束語

玻璃鈍化實(shí)體封裝軸向二極管器件，是國內(nèi)非常成熟的器件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、船舶等國家國防工程，器件可靠性水平的高低對我國國防建設(shè)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。作為一名軍工人，我們有責(zé)任和義務(wù)去提高電子元器件的質(zhì)量可靠性，這就需要我們對這類器件的工藝原理、關(guān)鍵原材料的質(zhì)量和工藝水平的現(xiàn)狀有更深入的了解和認(rèn)識，通過工藝水平的提高、原材料質(zhì)量的提高等措施，來提高器件的質(zhì)量可靠性，以便更好的為國家國防建設(shè)配套服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]臺面型半導(dǎo)體裝置的玻璃覆蓋膜的形成方法