稳压二极管产品的生产工艺问题及分析

PAGEIIPAGEI摘要稳压二极管是汽车电子发展的核心电子元件之一，随着汽车电子的迅速发展，对贴片二极管的用量也急速增加，导致贴片稳压二极管供不应求，价格上涨。汽车电子化则是被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能的重要技术措施。汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要有效手段。稳压二极管被广泛地使用于汽车操作系统以及软件安装系统等应用。这些应用具有信息处理、通讯、导航、防盗、和娱乐等功能，能够充分感知驾车者和乘客的状况。本文将介绍贴片稳压二极管的制作工艺，基于ASMX（汽车电子工艺）产线，分析其自动化生产工艺及主要问题。关键词：稳压二极管；ASMX；自动化生产工艺；半导体

AbstractZenerdiodeisoneofthecoreelectroniccomponentsinthedevelopmentofautomotiveelectronics.Withtherapiddevelopmentofautomotiveelectronics,theamountofSMDdiodeshasalsoincreasedrapidly,resultinginashortageofSMDZenerdiodesandrisingprices.Automotiveelectronicsisregardedasanimportantsymboltomeasurethelevelofmodernautomobiles,anditisanimportanttechnicalmeasureusedtodevelopnewmodelsandimproveautomobileperformance.Carmanufacturersbelievethatincreasingthenumberofautomotiveelectronicdevicesandpromotingautomotiveelectronicsareimportantandeffectivemeanstocapturethefutureautomotivemarket.Zenerdiodesarewidelyusedinapplicationssuchasautomotiveoperatingsystemsandsoftwareinstallationsystems.Theseapplicationshavefunctionssuchasinformationprocessing,communication,navigation,anti-theft,andentertainment,andcanfullysensetheconditionsofdriversandpassengers.ThisarticlewillintroducethemanufacturingprocessoftheSMDZenerdiode,basedontheASMX(automotiveelectronicsprocess)productionline,andanalyzeitsautomatedproductionprocessandmainproblems.Keywords:Zenerdiode;ASMX;automatedproductionproces;semiconductorPAGE14PAGE151稳压二极管概述1.1二极管分类及主要工艺流程在自然界中所有的自然界的所有物体按其形态来分可分为：固态、液态、气态三种状态，而在固态物体中，按导电能力的大小可分为，导体，半导体，绝缘体。而二极管就是由半导体制造出来的。当外界给予半导体一定的刺激时，会激发出自由电子，同时出现自由空穴的现象，而刺激的成都越高，被激发的电子随之越多，空穴数也越多。因而导电能力越强，由此可见导电能力可通过控制外界的激发强度来进行调制。在半导体中每掺进一个受主杂质就会提供一个自由空穴，使本来不导电的半导体变为空穴导电的P型半导体；在半导体中每掺进一个施主杂质就提供一个自由电子，使本来不导电的半导体变为电子导电的N型半导体[1]。当一块半导体材料如果一部分是N型，另一部分是P型，那么势必存在N型半导体与P型半导体的“交接面”，这一“交接面”称为P-N结。二极管的晶片内部就具有一个P-N结，利用P-N结的“单向导电向”来实现“整流”，“开关”等功能。二极管大致上可分为整流二极管、齐纳二极管、高频二极管。其中，以整流为主要目的的二极管又可细分为：一般通用整流用，以开关为前提的高速整流用，用于超高速整流的快速恢复型，还有同样具有高速性和低VF特征的肖特基势垒二极管。虽然作了上述分类，但原则上，Si二极管均属由阳极和阴极构成的元器件，表示其本质功能和特性的项目基本相同。那么“究竟有什么区别呢？”，答案就是“根据实际用途，使其部分电气特性达到优化”。二极管主要工艺流程如下图所示：图1主要工艺流程Fig.1Mainprocessflow1.2稳压二极管工作原理稳压二极管，英文名称Zenerdiode，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。1.3二极管的应用场合及发展趋势随着科技的日益发展，自动化的普及，二极管的工艺水平也日渐增长，广泛用于生产，生活各种领域。如：通信，家电，汽车，照明等等。可以说只要有电路的地方就离不开二极管这个基础的电子原件。我国稳压半导体存在巨大的供需缺口，国产替代迫在眉睫。近年来，我国稳压半导体器件产业规模保持较快增长态势，但在器件的生产制造和自身消费之间存在巨大缺口。作为全球最大的稳压半导体器件消费国，我国稳压半导体器件新品等产品仍大量依赖于外国供应商。稳压半导体器件供应链的相对末端，产品以二极管、晶闸管、低压MOSFET等半导体器件为主，而在以新型半导体器件如MOSFET、IGBT、FRED、高压MOSFET为代表的高技术、高附加值、市场份额更大的中高档产品领域，国外企业拥有绝对的竞争优势，国内市场所需产品大量依赖进口，与国外企业存在较大差距。且我国稳压半导体以生产低端器件为主，在高端领域与国外企业存在较大差距。本次我基于ASMX（汽车电子工艺）产线，对SMBJ5338B型号的稳压二极管全过程生产工艺及主要问题分析。如下图1，2所示：图2SMBJ5338B正面Fig.2SMBJ5338Bfront图3SMBJ5338B反面Fig.3SMBJ5338Breverse

2稳压二极管与晶圆晶圆是制作半导体芯片的主要材料，而构成晶圆的主要材料是高纯度的硅，经过照相制版，研磨，抛光，切片等多道程序，降多晶硅融解拉出单晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圆，在此道工艺中，晶圆的电阻厚度和工艺的精度都会对最终的电子元件的导电性产生一定的影响。2.1晶圆贴膜当一片片晶圆被制造出来后首先会经过晶圆贴膜（Wafermounting）这道工序（如图1-1所示）。目前国内外厂家采用的大部分采用的都是全自动贴膜设备，此道工序的主要是将晶圆粘贴在粘膜的保护工艺，在后续的过程中晶圆可能会在机械应力的作用下而破裂或者卷曲，且晶圆的面积越大，约容易受到外力的影响，为了减少废品产生，通常会贴上一片薄薄的蓝膜来用于保护晶圆并方便切割时不散落[2]。在贴膜时，为了使晶圆和蓝膜之间没有间隙或是气泡，需要粘合力，但在切割后，蓝膜的粘黏残留物不得留在晶圆表面。经观察，该工艺会使用粘合力较弱且容易产生气泡的非紫外线减粘膜处理，在机器中设定合适的应力大小后，会使容易产生气泡这一确定大大的减弱，而这种膜的价格低廉，很适合在大批量生产中应用。图1-1晶圆贴膜设备Fig.1-1WaferMountingequipment2.2晶圆切割晶圆切割主要是沿切割道切割晶圆，将晶圆切割为芯片单位。而切割的方法有许多中，常见的主要是砂轮切割，主要用的是Disco的设备。刀片主要以钢刀，树脂刀等。当生产一些工艺精度较高的芯片时，往往会采用，激光切割、划刀劈裂法或是金刚线切割等等。不论哪种切割方法，都会有大量的因素对切割质量造成影响，包括材料，切割仪器，工作环境，切割方法以及其他人为因素等。首先从材料方面来说，每片晶圆的硅分子的分布不同和电路层材料不同，都会导致在切割的过程中使芯片受力方向不同，从而呈现出不同的切割质量（如图1-2，1-3所示）。图1-2晶圆切割前Fig.1-2Beforecuttingthewafer图1-3晶圆切割后Fig.1-3Aftercuttingthewafer其次是选用不同的切割设备，也会影响切割的质量。新老设备的磨损程度不同，都会使切割动力产生差别，在切割时，为保证刀片不受热变形，会添加冷却水，冷却水的流速和压力也是影响质量的主要因素之一，水流速度过慢会造成冷却效果欠佳，而流速过快会击穿芯片。且由于硅材料导热性能差，切割摩擦产生的热量不能及时导出，在热量累计的过程中。可能造成刀具的豁口，破碎，导致刀片切割能力下降，切割精度降低；此外还会导致切割碎屑不能及时移除而影响刀片的切割能力。再次切割方法则主要是对设备的要求，当确定好机器中预设的切割深度，刀片旋转速度以及进给速度时，切割将会按预设步骤进行下去，适宜的参数就是保证获得良好切割质量的前提[3]。最后的人为因素就很好了解了，员工今天的心情，操作熟练度，都是会对晶圆切割质量产生影响。

3稳压二极管与自动焊接自动焊接其实是自动组合和焊接的统称，是采用锡膏作为焊接材料将芯片和铜片固定在框架上，形成电气连接的过程。本次研究的是ASM自动焊接线上焊接SMBJ5338B的设备，如图2-1所示；是由DA1固晶机（AD838）、DA2固晶机（AD838）、CB固铜片机（CB830）、ROOVEN焊接炉（RO830）设备连线组合而成，具有高精度和高速度等优点。[4]图2-1自动焊接设备Fig.2-1Automaticweldingequipment3.1DA固晶设备DA1固晶机与DA2固晶机功能一样，将SMBJ5338B芯片从蓝膜上焊接到料片上的焊接设备。主要有六个部分组成。（一）上料部分：是由抓料臂和放料台组成，抓料臂将放料台上的料片利用真空自动吸放到导轨上，以实现自动上料功能。（二）点胶部分：是由左点胶控制器和点胶头和右点胶控制器和点胶头组成，左右点胶头分工，左点胶头点料片下半部分pad（见图2-2）上方，右点胶头点料片上半部分pad上方，相互配合以提高速度。（三）焊接头部分：功能是将晶圆片上切割分离后的单颗芯片利用真空和力吸放到料片Pad上的规定位置，依靠之前Pad上的点胶来固定芯片，从而完成芯片的焊接。（四）晶圆装载部分：是由晶圆装载部件和顶针部件组成，晶圆装载部件用于将粘在晶圆片上的蓝膜绷住，顶针部件的作用是在焊接头吸蓝膜上的芯片时将单颗芯片顶起来以实现芯片和蓝膜分离。（五）自动装载晶圆片部分:是由晶圆片料盒放置台和自动抓片臂组成，晶圆片料盒放置台用于放置装晶圆片的料盒，自动抓片臂的作用是在更换晶圆片时将晶圆片推回和拉进晶圆装载部件中，以实现自动换料功能。（六）光学镜头部分：是由焊接光学镜头和晶片识别镜头组成，焊接光学镜头用于在焊接芯片前对料片的Pad进行识别，找准位置。晶片识别镜头是在焊接头吸取芯片前对圆盘上的芯片进行识别，以找准SMBJ5338B芯片的位置。图2-2焊盘结构Fig.2-1Padstructure3.2CB固铜片机CB830固铜片机是在DA1和DA2已完成芯片焊接和Lead点胶的情况下，继续在SMBJ5338B芯片的表面点胶，然后由铜片焊接头将铜片焊在芯片表面和Lead脚上，以完成整个焊接过程，实现其电路连接。主要由四个部分组成:（一）点胶头部分：同固晶机一样，左右点胶头分工，左点胶头点料片前半部分芯片上面，右点胶头点料片后半部分芯片上面，相互分工以提高速度。（见图2-3）（二）焊接头部分：在芯片和Lead脚上焊接铜片，以实现其电路连接。（三）导轨部分：由前后导、四个夹爪、垫块组成，前后导轨用于固定焊接垫块及传递料片。夹爪用于夹住料片向前传递。垫块功能（点胶垫块和焊接垫块组成）是托住料片。（四）光学镜头部分：焊接光学镜头用于在焊接铜片前对料片的Pad进行识别，找准焊接位置。图2-3铜片结构Fig.2-3Coppersheetstructure3.3ROOVEN焊接炉焊接炉是将DA1和DA2及CB设备已完成的SMBJ5338B材料进行烘烤，让锡膏进行固化，并对锡膏里面的混合物进行分离掉，从而完成整个焊接的前道过程。主要由四个部分组成:（一）进料部分：是将CB830铜片焊接设备和焊接炉的炉膛的连接部分，用于传递料片。（二）铜片卷传送部分：是固定铜片卷和传送铜片带的部件，员工只需更换卷盘机器便能一直运行下去。（三）焊接炉膛部分：焊接炉膛部分是将DA和CB完工的材料进行烘烤，以达到工艺要求，并分离出锡膏中的混合物。（四）出料部分：出料部分是将通过焊接炉烘烤完成的材料收集到料盒的机构，以便于管理和材料的流通。3.4自动焊接工艺的探索通过对ASMX产线自动焊接工艺的研究，我个人有些许心得与体会。首先需要明白怎么机器是怎么动的，明白哪些参数控制哪些动作，能达到什么效果。深度熟悉焊接机的操作页面后，会发现工艺中的参数都是搭配起来使用的，如焊接时间，焊接功率，焊接压力等，一般来说功率会大于或等于压力15个单位。点胶头的接触时间，接触压力，接触功率，是焊接动作时的控制参数等[5]。焊接时也会遇到的一些问题，气孔过大是经常遇到的，首先应确定是否是外部因素造成的，如瓷嘴，连接片污染，压板支架不平，是否要增加压力等，后面再去找参数原因，锡膏如何才能融合的好，不是功率越大，压力越大，结合的越好，要看温度，球形参数的调节，这个要靠个人经验和产品特性。[6]最后还需要保持一个谦虚学习的心，明白原理再去多多实践

4稳压二极管的中段工艺如果说之前我们探究的都是二极管制造的前端，那么自动焊接后的清洗、成型、后固去胶切连筋，回流焊、高速电镀、退火、整形，这一套工艺就是SMBJ5338B二极管制造的中段工艺了。在这一章我将简单的阐述一下，该段工艺的主要作用，以及如何为接下来的电气元件测试做准备。4.1从清洗到整形（一）清洗：当自动焊接结束后，这些材料会被送往清洗间清洗，清洗的主要目的是为了祛除自动焊接过程中产生的残留和锡球，在工业中，一般会采用环保，水溶性清洗剂，对于一些特殊要求的二极管，也会进行蒸汽洗，旨在做到高效率低耗能。（二）成型：成型设备主要是通过融化绿色环保低应力环氧注入到模具当中再将芯片及连接片组成的电路保护起来。成型过程中，最重要的阶段就是保压阶段，是持续施加压力，压实熔体，增加环氧密度，提高机械应力的一个过程。(三)后固化：该过程是使成型后产品内部环氧反应充分，形成稳定的状态，会采用高温烘烤的方式，保证100%固化完成。根据不同型号的电子，烘烤时间会从8小时到12小时不等。（四）去胶切连筋：在过往的切筋过程中，往往采用的人工切除，这种工艺费时费力，且产能不高，而现在采用的是全自动化设备，并且配有自动监控进出料，能有效的切除料片上产品间连筋，使电镀时产品引脚能全部镀上锡，不仅降低了成本，还大大提高了产能。（五）回流焊：此处回流焊的作用并不是将元器件焊接到某一板材上，而是通过最高温度260°，模拟客户使用环境，恶化早期失效产品，使其能在测试被筛选出。所有产品都会经过这一步骤，为接下来的测试做准备。(六)高速电镀：高速电镀的电沉积速度很快，一般高于普通电镀数倍乃至数百倍。例如，电镀20-30μm的镀层，普通电镀要用1小时，甚至数小时，采用高速电镀仅需数分钟，有时甚至不到1min。[7]高速电镀需用特殊装置，使镀液在阴阳极间高速流动，并按面积施以数十至数百安培的高阴阳极电流密度，被镀零件表面以很高的沉积速度获得所需的镀层厚度，从而增强可焊性。（七）退火：再次进行高温烘烤1小时，祛除产品内湿气，确保产品管脚足够烘干，防止锡须产生。（八）整形：此步也摒弃了人工整形，采用HAMI全自动切筋整形设备，将材料从料片分割成单颗产品（如下图3-1,3-2所示），同时完成管脚折弯成型。图3-1整形前Fig.3-2Formingbefore图3-1整形后Fig.3-2Afterforming4.2中段工艺的探索在上述的工艺中，往往会出现很多问题，比如切筋模具中就存在着重大的缺陷。其一就是切筋时材料需要反放，而大多切筋材料则是正放切筋，这就对第一次切筋的工作人员产生了惯性误导，会将材料放反，造成材料的损失或是机器的损害。其二则是在切筋装管时因没有剖面问题，导致阻碍装管顺利进行，耗时耗力。又比如通过资料查询，发现锡膏是有免清洗产品的，但在引进的过程中，也需要考虑很多因素，需要和低残留锡膏加环保型清洗剂，水溶性锡膏加水溶性清洗剂进行对比，在时间成本，材料成本，人工成本三个维度进行实际实验，探寻此产品是否能够代替现有产品。随着现代化工业的发展，绿色环保也各大企业争相重视的部分，而在稳压二极管的中段工艺中，绿色材料的使用便为重中之重，首先是绿色环氧，环保清洗剂的使用，保证高环氧利用率，其次是包装盒、废料的回收，优化各个工艺，减少固废的产生。再次是高效率高速电镀工艺，该工艺可减少废水排放。最后还是需要注意避免机器的空转，减少产线上水电气的消耗。

5稳压二极管与TMTT测试TMTT是通过设备起到测试、印字、分选、包装的作用，将元件测试分类,激光打印并包装，确保元件电性能和正确的销售类型（见图5-1）TMTT主要工作原理是电性筛选，[8]分为手动和自动等各种测试机器，自动的测试机器还装有真空吸附转盘，可以保证测试和移动的进行。在测试的过程中湿度和温度不仅会影响机器的运转还会影响被测芯片的电性参数，当此批被测产品良率发生异常时，需要及时开出异常隔离单，并对此次测试产品（以SMBJ5338B为例）进行电性研究，找出问题的产生，避免问题的下次产生。图5-1测试设备Fig.5-1Testequipment在SMBJ5338B测试的过程中测试数值往往与工艺文件上不同，也是考虑到了许多因素，如伏安特性曲线，温度，顾客要求和制造者对芯片的本身要求，经过计算和测试，选择出一个最合适的区间去选择测试品。数值上需要测试的有：（一）最大整流电流If，If是指二极管长时间运行时允许通过的最大正向平均电流。在规定散热条件下，若二极管的正向平云电流超过此值，将导致二极管先发热，甚至烧毁。（二）最大反向电压Ur，Ur是指二极管工作时允许加的最大反向工作电压，若超过此值，二极管有可能被反向击穿而损坏，通常在Ur是二极管击穿电压Ubr的一半。（三）反向电流Ir，Ir是指二极管未击穿时的反向电流。此值越小，二极管的单项导电性越好，而Ir会测三次原因主要是因为Ir对温度很敏感，在进行镭射印字后需要进行复测，检验温度是否损害了芯片内部。（四）最高工作频率fm，fm是指二极管的工作频率上限，外加电压频率超过此值时，由于结电容效应，二极管有可能失去单向导电性。需要注意的是，半导体器件的参数具有一定的分散性，同一型号不同个体的参数也可能有较大的差异，器件手册上给出的参数往往是上限值、下限值，或是一个范围，而且，应注意器件手册各参数的测试条件，当使用条件与测试条件不同时，器件的参数也会有所不同。测试完成后将会把产品装入包装盒并贴附正确标贴，需要注意的是在处理和搬运过程中防止物理或静电损伤。至此SMBJ5338B型号的稳压二极管制作工艺流程全部讲解完毕。

6结论半导体工艺最基本的功能是保护电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响）。所以，在最初的微半导体工艺中，是用金属罐（MetalCan）作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，半导体工艺也在慢慢异化。一般来说顾客所需要的并不是芯片，而是由芯片和PKG构成的半导体器件。PKG是半导体器件的外缘，是芯片与实装基板间的界面。因此无论PKG的形式如何，半导体工艺最主要的功能应是芯片电气特性的保持功能。通常认为，半导体工艺主要有电气特性的保持、芯片保护、应力缓和及尺寸调整配合四大方面，工艺的主要作用是实现和保持从集成电路器件到系统之间的连接，包括电学连接和物理连接。目前，集成电路芯片的I/0线越来越多，它们的电源供应和信号传送都是要通过工艺的进步来实现与系统的连接。芯片的速度越来越快，功率也越来越大，使得芯片的散热问题日趋严重，由于芯片钝化层质量的提高，用以保护电路功能的作用其重要性正在下降。半导体工艺的进步也愈发重要。随着物联网、5G、联网汽车等技术的日益普及，对不同类型的联网技术的需求正在增加，这将推动该行业未来的增长，这些技术需要大量的二极管组件，这不仅是机遇，也是挑战，衷心希望中国可以在半导体行业中蒸蒸日上。

参考文献[1]李家贵,黄灿灿.低压稳压二极管芯片制造工艺综述[J].科学技术创新,2018(31):179-180.[2]陈良惠，量子阱光电子器件的发展与中国光电子器件产业的形成[J]。中国工1999，(03)[3]刘长蔚,一种双向稳压二极管DB3芯片的生产工艺.天津市,天津市中环半导体股份有限公司,2014-03-05.[4]李双美，朱晓萍，高宏.21世纪微电子技术的发展趋势与展望[J].沈阳电力高等专科学校学报,2002，(03)[5]侯宇.低压齐纳二极管的制作方法[P].香港：CN1728348,200