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1、超级整流二极管Superex技术与应用, ( g7 ?- j, E5 w突破传统制程之新一代整流二极管: L) f; R C % X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Superex，让整流二极管终于有了突破。2
2、 U0 t/ j6 # u) M1 l整流二极管之运作原理2 M0 h0 o9 O/ O- N( F1 n5 J. M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 V$ r* 4 I掺杂五价杂质原子之硅半导体，称做N型半
3、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
4、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 jZ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，
5、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。! 0 N/ F9 W Y+ NvJunction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:% l# U4 B7 Q3 1 v# y: f$ W t* d一. 氧化硅(SiO2):因SiO2具
6、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。$ |& l! t4 I6 9 p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。1 K%
7、e- H9 qI( _; X. Z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 h1 n/ J传统护封技术，可分为三类，若再加上Superex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): 0 h8 N- h/ S+ F6 Z5 8 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:& x- W0 Y( A: oa. 晶圆表面金属化:镀上一层
8、金属膜，以利导接。6 1 k0 t* D9 i7 S% y4 G( M7 b. 晶圆切割:切割成要求之晶粒尺寸。) H/ * # G* - / i, Z. M! fc. 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)。2 J- ; 9 M; w1 T% X* rd. 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# q2 b) ?9 l9 C5 Dm2 pe. : Junction面护封:在切割面上涂覆硅胶，完成Junction之护封。2 b/ a! W9 K& Zz0 v+ i7 f. 硅胶熟化处理(Curing):最后将成品置入烤箱，以高温
9、(200)将硅胶做熟化处理。- ! U- i, 5 o: b A0 $ H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1/31/4价位。0 T8 h, u4 - f2 t! c( i9 V* d0 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50100m，制作流程如下:4
10、 d- H5 G9 ( ga. 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)。& c+ m8 T1 E$ X( c5 _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600900的高温，烧成玻璃。+ Y2 # t) x _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。5 % Q. Q6 | r1 V7 V$ T* f , ld. 晶粒切割:切下个别的晶粒，完成整个流程。8 ?; _8 L o2
11、 u1 a u5 V/ aGPP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 Rec
12、tifier); 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1000m以上，制作流程如下:9 i2 B4 S* F3 _; I: K+ ya. 晶圆表面金属化:镀上一层金属铝膜，以利导接。/ xC: i( x* Qb. 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 ( Yd. 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(680730)，将三者焊接在一起。% B# N& O( T4 G; Ds; I! m# g4 le
13、. 酸洗:将焊好之成品，再做一次清洗。1 3 f& Z9 v; C/ ) W, j7 vf. 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 nGPR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
14、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 Kg S这个也就是Superex所使用之芯片，与GPR一样使用玻璃作为护封材料，并为全切面护封形式，护封玻璃厚度为5001000m，制作流程如下:+ e5 B6 u5 w4 R+ ha. 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。! i7 T( ; t+ Q; V) T/ ; a1 X$ eb. 晶圆
15、切割:将晶圆切割成之晶粒。. Q7 S5 2 z g. Yf- Dc. 晶粒酸洗:将晶粒切割面酸洗。$ B) R4 % N, _) D# 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; * Re. 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。/ A WA. Ok, u( Y kGPRC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GP
