玻璃钝化保护工艺原理
时间：2020-03-31 05:16:08 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：台面型封装轴向二极管器件的电气性能、稳定性及可靠性与芯片台面的性质有着密切的关系，芯片PN结裸露的表面实际上是硅晶格排列终止的边缘，在这终止的边缘上存在着不饱和键或沾污微离子，容易引起芯片台面状态发生变化，从而引起器件的电性能参数及可靠性退化。因此，对于这类器件，必须在芯片台面上钝化一层致密的保护膜，以防止离子的沾污和外界条件对器件电性能参数及可靠性的影响。目前玻璃钝化是一种常见的钝化工艺，掌握和熟悉工艺原理，对于如何做好玻璃钝化实体封装二极管产品来说非常重要。
关键词：玻璃钝化 PN结台面 工艺原理
一、发展概况
玻璃钝化是指在半导体芯片表面附着一层玻璃成份适当的钝化膜。1961年8月在美国底特律城市召开的一个联合会议上，J.A.Perri、H.S.Lehman等4个美国人首次做了有关玻璃钝化的报道。1966年日立公司用低温钝化法得到了铅玻璃的钝化层。当时在国外有代表性的玻璃钝化方法是在SiO2薄膜上淀积一层PbO系玻璃。
在上世纪70年代中期，玻璃钝化在日本、美国的半导体行业的应用比较广泛，玻璃钝化工艺技术非常成熟，在这些国家的市场上购买玻璃钝化产品是非常容易的。当时美国的IBM公司在计算机的SLT线路上使用了玻璃钝化器件，后续在日本有很多应用电脉法附着玻璃粉的专利，避免了应用玻璃钝化给生产工艺操作带来的不便。1979年日本发明者田中知行发表专利，提出了一种特殊结构的玻璃钝化膜用以保护高压二极管器件。在上世紀80年代，我国一些工厂在二极管的制造过程中，采用锌系（锌含量在45～55%范围）玻璃粉作为钝化兼封装的材料。据了解，目前在国内采用玻璃钝化工艺生产台面型实体轴向二极管的厂家极少，工艺过程仍沿用上世纪80年代的玻璃钝化工艺，玻璃粉材料仍为锌系玻璃粉。
二、玻璃钝化的作用
由于半导体器件芯片表面容易受到外界气氛的影响，为保持它的稳定性，使之长期稳定的工作，硅芯片PN结表面必须用绝缘材料完全密封，芯片表面受到外界影响的保护方法有多种多样，其中用钝化玻璃保护是目前比较直接有效的方法。
芯片PN结表面的玻璃钝化主要解决以下两个方面的问题：1）玻璃本身表征为负电荷特性，沾污离子一般表征为正电荷特性，在这种情况下，其钝化玻璃能够很好的把钠离子等沾污离子固定住，减少钠离子的移动；2）在芯片PN结表面覆盖一层玻璃钝化膜，形成钠离子等沾污离子的阻挡层，避免外界钠离子等沾污离子进入到芯片PN结表面处。
三、玻璃材料的组成及特点
钝化玻璃材料主要以Zn、Pb、B、Si、Al等氧化物为主要成份，目前一般用于钝化粉末状的玻璃粉主要有铅系玻璃粉和锌系玻璃粉。
铅系玻璃粉一般分为两种：一种为PbO、B2O3、SiO2为主要成份；另一种为PbO、B2O3、SiO2、Al2O3为主要成份。在铅系玻璃粉中增加PbO的含量，可以使玻璃的软化温度降低，热膨胀系数增大，但耐酸性能变差；若增加B2O3的含量，可以降低玻璃钝化的温度和热膨胀，增强钝化膜的柔性，还能够降低钝化膜的粘度。改变玻璃粉PbO的含量可得到软化温度在500～800℃范围内的各种玻璃粉。铅系玻璃粉与SiO2的结合性能较好，因而可以在SiO2上形成铅玻璃膜。
锌系玻璃粉以ZnO、B2O3、SiO2为主要成份，在实际使用过程中，为改善器件的特性，可在玻璃粉中添加少量氧化物，如MnO2、Ta2O5、CcO2、Sb2O3等氧化物质。ZnO是一种碱性氧化物，在锌系玻璃粉中增加它的含量可以提高钝化玻璃的化学稳定性，降低钝化玻璃的热膨胀系数，但会提高玻璃的软化温度，易导致玻璃的析晶（不是玻璃体）。
综上所述，对于铅系玻璃粉和锌系玻璃粉具有以下各自的特点：
1）铅系玻璃粉的负电荷易于显著变化，它的离子迁移率比锌系玻璃粉高，所以锌系玻璃的电绝缘性能更好。2）在高温下铅离子更易于迁移，锌系玻璃粉的钝化温度高于铅系玻璃，因此，锌系玻璃粉钝化的器件高温工作性能更好，其温度工作范围比铅系玻璃钝化的器件宽。3）由于锌原子较铅原子活波得多，故锌系玻璃粉的耐酸耐碱性能差，而铅系玻璃粉的耐酸、耐碱性能更好。4）锌系玻璃的热膨胀系数与硅（热膨胀系数为2.5×10-6/℃）接近，故锌系玻璃粉比铅系玻璃粉更容易形成厚膜，一般常用于高压器件作钝化封装用，其钝化效果比铅系玻璃粉要好。5）使用锌系玻璃粉钝化，在工艺操作难度上比铅系玻璃粉困难得多。
目前对于常用的铅系玻璃粉和锌系玻璃粉中典型的钝化玻璃的组成主要有SiO2、PbO、ZnO、B2O3、Al2O3等，其膨胀系数在3.7×10-6/℃～5.6×10-6/℃范围，软化点在610～825℃。
使用玻璃钝化材料要根据具体的工艺和设计，适当选择玻璃粉的成份。玻璃含有的各种氧化物的成份不同，其玻璃钝化膜的形成温度、电学性能的稳定和机械性能、热膨胀系数等都有很大的变化。而作为玻璃钝化材料的基本要求为：电学性能好、绝缘性能好、电阻率高、玻璃材料中的可动离子少（一般钠离子的含量不允许超过10ppm）；另外要求玻璃粉的热膨胀系数与硅接近、化学稳定性好、耐酸碱、耐水等。
四、玻璃钝化的原理及特点
玻璃粉的温度与玻璃膜的形成存在一定特性关系，不同的玻璃粉材料具有不同的转化温度、软化温度、结晶温度。由于玻璃粉自身的附着性能好，将它附着在芯片表面上后，经过适当的加温处理形成微晶玻璃膜。在此膜中不仅有玻璃微晶体，而且含有大量极细微的结晶体，这样的玻璃经析晶转变而得到类似于陶瓷体的保护膜，该膜具有均匀、致密、比重小、化学稳定性和热稳定性好的特点，该膜能使芯片表面与周围的气氛完全相隔绝，具有以下3个方面特点：1）高温性能好；2）击穿电压高、可获得高反压器件；3）器件的反向漏电流小。
具有上述3个方面特点的原理为：我们知道，在芯片制作过程中，尤其是台面型轴向二极管器件，其芯片台面上不可避免会沾附上沾污离子，当为金属沾污离子时，这类离子具有电荷转移的特性，使得芯片台面处的电导率增大，并产生复合中心，使PN结表面的反向漏电流增大，器件的性能降低，在常温下处于相对稳定的电荷物质，但在高温和强电场作用下，这些沾污杂质被电离，使得反向漏电流进一步增加、器件的击穿电压降低。玻璃钝化薄膜是微晶玻璃，具有玻璃网格结构，且膜的厚度较一般钝化膜厚，表面致密无针孔，具有负电荷性能的钝化层，能够固定住沾污离子，且在高温下能够阻止欲电离的电荷物质，阻止膜内离子的迁移和外界离子的浸入。
玻璃钝化膜具有上述优点的同时，也有一些缺点：1）难于找到低熔点的玻璃粉，造成了在工艺操作上的不便，对于某些特殊器件，会影响到器件的成品率；2）玻璃膜一般较厚，兼外形封装，这就造成结构及成份比较复杂，难于进行物理分析；3）玻璃钝化膜对于温度应力和机械应力较敏感，在器件使用过程中，需要避免引入温度应力和机械应力而导致器件性能退化。
五、结束语
玻璃钝化实体封装轴向二极管器件，是国内非常成熟的器件，广泛应用于航空、航天、兵器、船舶等国家国防工程，器件可靠性水平的高低对我国国防建设的发展产生重要影响。作为一名军工人，我们有责任和义务去提高电子元器件的质量可靠性，这就需要我们对这类器件的工艺原理、关键原材料的质量和工艺水平的现状有更深入的了解和认识，通过工艺水平的提高、原材料质量的提高等措施，来提高器件的质量可靠性，以便更好的为国家国防建设配套服务。
参考文献：
[1]刘万万、许澄嘉、王国栋：玻璃钝化技术高压硅堆的应用《半导体技术》
[2]台面型半导体装置的玻璃覆盖膜的形成方法
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