CN108231909A - 一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管及其制备方法和应用，属于二极管制造技术领域；其包括管体、引线和保护层；其中所述的管体由两根电极和芯片A、芯片B组成，管体***由保护层包裹保护；所述的电极和引线高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，电极引线和管体高温下熔焊键和，即得。本发明二极管尺寸极小，管体直径小于Φ1.5mm，管体长度小于1.8mm，器件同时具备了瞬态电压抑制功能和高压保护功能，可以提升线圈反向电动势的吸收速率，大大简化了在线圈保护电路中的安装方式，该复合二极管能应用于超小型继电器的续流电路中，具有较好的市场推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及二极管制作技术领域，尤其是一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管及其制造方法和应用。
背景技术
继电器内部具有线圈的结构，它在断电时会产生电压很大的反向电动势，会击穿继电器的驱动三极管，为此要在继电器驱动电路中设置二极管保护电路，通常称为续流二极管，以保护继电器驱动管，为了提高继电器的反向电动势的泄放速率，通常采用一端具有整流功能，一端具有瞬态电压抑制功能的复合二极管，目前国际、国内的复合二极管尺寸最小在1.8mm以上，长度在3.3～5mm左右，在安装尺寸受限的情况下，传统的复合二极管不能满足微型继电器的使用要求。
本发明人曾申请过“一种具有瞬态电压抑制和整流功能的玻璃钝化续流二极管的制造方法”，该器件一端具有瞬态电压抑制功能，另一端具有整流二极管的高压保护功能，可以提升线圈反向电动势的吸收速率，但其芯片尺寸分为1.5mm～5mm、管体直径为3mm～8mm几种规格，在一些微型继电器的续流电路中因尺寸过大而仍无法使用或使用不方便。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管及其制备方法和应用，该复合二极管采用玻璃钝化工艺，尺寸极小，同时具备瞬态电压抑制功能和高压保护功能，具有较高的可靠性，能满足微型继电器的使用要求，具有较高的使用推广价值。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管，包括管体、引线和保护层；其中所述的管体由两根电极和芯片A、芯片B组成；所述的芯片A连接在电极的一端，所述的芯片B连接在另一电极的一端，所述的芯片A和芯片B焊接成一体构成管体；所述的管体***由保护层包裹保护；所述的电极和引线高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，电极引线和管体高温下熔焊键和，即得。
所述的管体直径小于Φ1.5mm，管体长度小于1.8mm；所述的芯片直径为Φ0.6mm～Φ0.8mm。
所述的电极为钨电极；所述钨电极的尺寸为Φ0.6mm×0.7～Φ0.8mm×0.7；所述的引线为铁镍丝引线，所述铁镍丝引线的直径为Φ0.2mm。
所述芯片A为具有高压保护功能的芯片，其制作方法为：以N型单晶硅片为材料通过单面深结扩散工艺形成单向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为10μm～15μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.6mm～Φ0.8mm，对芯片表面进行处理，即得。
所述的芯片B为具有瞬态电压抑制功能的芯片，其制作方法为：使用N型单晶硅片作为衬底材料，通过双面深结扩散工艺，形成双向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为10μm～15μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.6mm～Φ0.8mm，对芯片表面进行处理，即得。
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管的制备方法，包括以下步骤：
(1)、芯片焊接：将钨电极和铁镍丝引线高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，然后将电极引线和管体在600～800℃的高温下熔焊键和；
(2)、表面钝化，将步骤(1)熔焊键和后的管体通过酸腐蚀3～4次，每次1min～4min；碱腐蚀2次，每次1min～4min；钝化3～5次，每次1min～4min；
(3)、封装成型，在钝化后的管体表面上均匀涂覆玻璃粉浆，放入低温成型炉中低温成型3h～5h，设置升温速率10℃/min～15℃/min，升温时间45min～65min，烧结温度620℃～660℃，恒温时间5min～40min，降温速率≤10℃/min。
所述步骤(3)中酸腐蚀中酸腐蚀液按质量百分比是分析纯的65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸、≥99.5％的磷酸按体积比1:1.2:1:2：1的混合溶液。
所述步骤(3)中碱腐蚀中碱腐蚀液为3％～6％的氢氧化钾溶液，碱腐蚀液温度为90℃～95℃。
所述步骤(3)中钝化液按质量百分比是≥30％的双氧水、≥85％的磷酸和离子水按2:2:4混合的混合液。
所述步骤(4)中玻璃粉的主要含量为二氧化硅、氧化锌、三氧化二硼。
所述复合二极管在微型继电器的续流电路中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明的复合二极管尺寸极小，管体直径小于Φ1.5mm，管体长度小于1.8mm，器件同时具备了瞬态电压抑制功能和高压保护功能，可以提升线圈反向电动势的吸收速率，大大简化了在线圈保护电路中的安装方式，在瞬态电压抑制二极管的芯片制造过程中，采用双面扩散工艺使芯片具有两个击穿电压相同的PN结，在后续的装模烧焊过程中不需要对芯片进行分极性处理，大大提升了器件的生产效率。
(2)芯片分离采用绿光激光切割，与传统的超声切割和吹砂切割工艺不同，绿光激光切割裂片工艺能精确控制芯片的切割尺寸，其切割精度在0.01mm以内，同时绿光能使芯片获得最小的台面损伤层，提升了芯片台面在腐蚀清洗后的稳定性；
(3)本发明采用钨电极作为电极材料，该材料具备了耐酸、碱腐蚀，膨胀系数与硅和玻璃钝化层接近，散热能力强的特点，能提升器件的瞬时散热能力和抗温度冲击能力，因此在复合型二极管在封装尺寸减小的同时，能在-65℃～200℃下稳定工作，满足500次-65℃～200℃温度循环试验考核，同时瞬态电压抑制端仍能实现150W的瞬态功率，满足微型继电器的使用要求。
附图说明
图1为一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管结构示意图；
1为芯片A；2为芯片B；3为玻璃钝化层；4为电极；5为引线；6为管体；
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例一
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管，包括管体6、引线5和保护层3；其中所述的管体6由两根电极4和芯片A1、芯片B2组成；所述的芯片A1连接在电极4的一端，所述的芯片B2连接在另一电极的一端，所述的芯片A1和芯片B2焊接成一体构成管体1；所述的管体1***由保护层3包裹保护；所述的电极4和引线5高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，电极引线和管体6高温下熔焊键和，即得。
所述芯片A(1)为具有高压保护功能的芯片，其制作方法为：以N型单晶硅片为材料通过单面深结扩散工艺形成单向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为15μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成Φ0.8mm，对芯片表面进行处理，即得。
所述的芯片B(2)为具有瞬态电压抑制功能的芯片，其制作方法为：使用N型单晶硅片作为衬底材料，通过双面深结扩散工艺，形成双向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为10μm～15μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.6mm～Φ0.8mm，对芯片表面进行处理，即得。
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管的制备方法，包括以下步骤：
(1)、芯片焊接：将尺寸为Φ0.8mm×0.7的钨电极和Φ0.2mm的铁镍丝引线高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，然后将电极引线和管体在800℃的高温下熔焊键和；
(2)、表面钝化，将步骤(1)熔焊键和后的管体通过体积比为68％的硝酸：95％的氢氟酸：98％的硫酸：99.9％的冰乙酸：99.9％的磷酸＝1：1.2：1：2：1的混合酸液酸腐蚀4次，每次4min；再浸入6％的氢氧化钾溶液95℃碱腐蚀2次，每次4min；最后浸入质量百分比是99.9％的双氧水、99.9％的磷酸和离子水按2:2:4混合的混合液钝化5次，每次4min；
(3)、封装成型，在钝化后的管体表面上均匀涂覆三氧化二硼玻璃粉浆，放入低温成型炉中低温成型5h，设置升温速率14℃/min，升温时间65min，烧结温度660℃，恒温时间40min，降温速率5℃/min。
所述的管体直径为Φ1.4mm，管体长度小于1.7mm；所述的芯片直径为Φ0.8mm。
所述复合二极管应用于微型继电器的续流电路中，能在200℃下稳定工作，同时瞬态电压抑制端仍能实现150W的瞬态功率。
实施例二
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管，包括管体6、引线5和保护层3；其中所述的管体6由两根电极4和芯片A1、芯片B2组成；所述的芯片A1连接在电极4的一端，所述的芯片B2连接在另一电极的一端，所述的芯片A1和芯片B2焊接成一体构成管体1；所述的管体1***由保护层3包裹保护；所述的电极4和引线5高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，电极引线和管体6高温下熔焊键和，即得。
所述芯片A(1)为具有高压保护功能的芯片，其制作方法为：以N型单晶硅片为材料通过单面深结扩散工艺形成单向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为10μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.6mm，对芯片表面进行处理，即得。
所述的芯片B(2)为具有瞬态电压抑制功能的芯片，其制作方法为：使用N型单晶硅片作为衬底材料，通过双面深结扩散工艺，形成双向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为10μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.6mm，对芯片表面进行处理，即得。
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管的制备方法，包括以下步骤：
(1)、芯片焊接：将尺寸为Φ0.6mm×0.7mm的钨电极和直径为Φ0.2mm的铁镍丝引线高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，然后将电极引线和管体在600℃的高温下熔焊键和；
(2)、表面钝化，将步骤(1)熔焊键和后的管体通过体积比为65％～68％的硝酸：40％的氢氟酸：95％的硫酸：99.5％的冰乙酸：99.5％的磷酸＝1：1.2：1：2：1的混合酸液酸腐蚀3次，每次2min；再浸入3％的氢氧化钾溶液90℃碱腐蚀2次，每次2min；最后浸入质量百分比是30％的双氧水、85％的磷酸和离子水按2:2:4混合的混合液钝化3次，每次2min；
(3)、封装成型，在钝化后的管体表面上均匀涂覆二氧化硅玻璃粉浆，放入低温成型炉中低温成型3h，设置升温速率12℃/min，升温时间45min，烧结温度620℃，恒温时间30min，降温速率1℃/min。
所述的管体直径为Φ0.6mm，管体长度为0.8mm；所述的芯片直径为Φ0.6mm。
所述复合二极管应用于微型继电器的续流电路中，能在-65℃下稳定工作，同时瞬态电压抑制端仍能实现150W的瞬态功率。
实施例三
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管，包括管体6、引线5和保护层3；其中所述的管体6由两根电极4和芯片A1、芯片B2组成；所述的芯片A1连接在电极4的一端，所述的芯片B2连接在另一电极的一端，所述的芯片A1和芯片B2焊接成一体构成管体1；所述的管体1***由保护层3包裹保护；所述的电极4和引线5高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，电极引线和管体6高温下熔焊键和，即得。
所述芯片A(1)为具有高压保护功能的芯片，其制作方法为：以N型单晶硅片为材料通过单面深结扩散工艺形成单向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为3μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.7mm，对芯片表面进行处理，即得。
所述的芯片B(2)为具有瞬态电压抑制功能的芯片，其制作方法为：使用N型单晶硅片作为衬底材料，通过双面深结扩散工艺，形成双向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为14μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.7mm，对芯片表面进行处理，即得。
一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管的制备方法，包括以下步骤：
(1)、芯片焊接：将尺寸为Φ0.7mm×0.7mm的钨电极和直径为Φ0.2mm的铁镍丝引线高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，然后将电极引线和管体在600～800℃的高温下熔焊键和；
(2)、表面钝化，将步骤(1)熔焊键和后的管体通过体积比为65％～68％的硝酸：60％的氢氟酸：97％的硫酸：99.7％的冰乙酸：99.6％的磷酸＝12:9:12:6：6的混合酸液酸腐蚀3次，每次4min；再浸入5％的氢氧化钾溶液92℃碱腐蚀2次，每次3min；最后浸入质量百分比是50％的双氧水、90％的磷酸和离子水按2:2:5混合的混合液钝化4次，每次3min；
(3)、封装成型，在钝化后的管体表面上均匀涂覆氧化锌玻璃粉浆，放入低温成型炉中低温成型4h，设置升温速率13℃/min，升温时间55min，烧结温度640℃，恒温时间35min，降温速率3℃/min。
所述的管体直径为Φ1.1mm，管体长度为1.4mm；所述的芯片直径为Φ0.7mm。
所述复合二极管应用于微型继电器的续流电路中，能在175℃下稳定工作，同时瞬态电压抑制端仍能实现150w的瞬态功率。
试验例 抗温度冲击和箝位冲击试验研究
试验一：抗温度循环能力测试
对照例：专利“一种具有瞬态电压抑制和整流功能的玻璃钝化续流二极管的制造方法”所述制备方法制造的二极管，产品尺寸为Φ1.8；
试验例：本发明实施例一制造的复合二极管；
试验方法：抗温度循环能力测试，温度-65℃±3℃～200℃±2℃，循环500次，先低温后高温，器件在高低温转换时，转移时间≤1min，保持30min，测试结果见表1、表2。
表1对照例抗温度循环能力测试
表2试验例抗温度循环能力测试
试验二：抗箝位冲击能力测试
对照例：专利“一种具有瞬态电压抑制和整流功能的玻璃钝化续流二极管的制造方法”所述制备方法制造的二极管，产品尺寸为Φ1.8mm；
试验例：本发明实施例一制造的复合二极管；
试验方法：抗箝位冲击能力测试：TA＝25℃±2℃下，按照瞬态功率150W进行试验，施加峰值脉冲电流4.1A(tr/tp:10μs/1000μs)，每次脉冲间隔时间大于1min,共100次。
表3对照例150W箝位冲击测试结果
表4试验例150W箝位冲击测试结果
结合表1、表2、表3和表4可知，本发明专利制造的玻璃钝化复合二极管相比于本发明人曾申请的“一种具有瞬态电压抑制和整流功能的玻璃钝化续流二极管的制造方法”所制备的二极管，通过抗温度循环能力测试可知，本发明在-65℃±3℃～200℃±2℃的温度范围内，循环500次后，瞬态电压抑制端和高压保护端的电流范围更广，说明其抗温度冲击能力更强；通过150W箝位冲击测试，本发明产品在封装尺寸更小的前提下，通过相同脉冲功率，本发明二极管电流更小，说明本发明能提升器件的瞬时散热能力和抗温度冲击能力。因此在复合型二极管在封装尺寸减小的同时，本发明能在-65℃～200℃下稳定工作，满足500次-65℃～200℃温度循环试验考核，同时瞬态电压抑制端仍能实现150W的瞬态功率，满足微型继电器的使用要求。
Claims (10)
1.一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管，其特征在于，包括管体(6)、引线(5)和保护层(3)；其中所述的管体(6)由两根电极(4)和芯片A(1)、芯片B(2)组成；所述的芯片A(1)连接在电极(4)的一端，所述的芯片B(2)连接在另一电极的一端，所述的芯片A(1)和芯片B(2)焊接成一体构成管体(1)；所述的管体(1)***由保护层(3)包裹保护；所述的电极(4)和引线(5)高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，电极引线和管体(6)高温下熔焊键和，即得。
2.如权利要求1所述的超小型玻璃钝化复合二极管，其特征在于，所述的管体直径小于Φ1.5mm，管体长度小于1.8mm；所述的芯片直径为Φ0.6mm～Φ0.8mm。
3.如权利要求1所述的超小型玻璃钝化复合二极管，其特征在于，所述的电极为钨电极；所述钨电极的尺寸为Φ0.6mm×0.7～Φ0.8mm×0.7；所述的引线为铁镍丝引线，所述铁镍丝引线的直径为Φ0.2mm。
4.如权利要求1所述的超小型玻璃钝化复合二极管，其特征在于，所述芯片A(1)为具有高压保护功能的芯片，其制作方法为：以N型单晶硅片为材料通过单面深结扩散工艺形成单向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为10μm～15μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.6mm～Φ0.8mm，对芯片表面进行处理，即得；
所述的芯片B(2)为具有瞬态电压抑制功能的芯片，其制作方法为：使用N型单晶硅片作为衬底材料，通过双面深结扩散工艺，形成双向PN结，通过电子束蒸发或真空镀膜的方式在管芯表面制作厚度为10μm～15μm金属薄膜层，制作完成后将管芯采用绿光激光切割成直径Φ0.6mm～Φ0.8mm，对芯片表面进行处理，即得。
5.一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、芯片焊接：将钨电极和铁镍丝引线高温烧结后，焊成一个整体的电极引线，然后将电极引线和管体在600℃～700℃的高温下熔焊键和；
(2)、表面钝化，将步骤(1)熔焊键和后的管体通过酸腐蚀3～4次，每次1min～4min；碱腐蚀2次，每次1min～4min；钝化3～5次，每次1min～4min；
(3)、封装成型，在钝化后的管体表面上均匀涂覆玻璃粉浆，放入低温成型炉中低温成型4h～6h，设置升温速率10/min～15℃/min，升温时间45min～65min，烧结温度620℃～660℃，恒温时间5min～40min，降温速率≤10℃/min。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中酸腐蚀中酸腐蚀液按质量百分比是分析纯的65％～68％的硝酸、≥40％的氢氟酸、95％～98％的硫酸、≥99.5％的冰乙酸、≥99.5％的磷酸按体积比1:1.5:1:2：1的混合溶液。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中碱腐蚀中碱腐蚀液为3％～6％的氢氧化钾溶液，碱腐蚀液温度为90℃～95℃。
8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中钝化液按质量百分比是≥30％的双氧水、≥85％的磷酸和离子水按2:2:4混合的混合液。
9.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中玻璃粉的主要含量为二氧化硅、氧化锌、三氧化二硼，其膨胀系数为4.3×10-6/℃～4.5×10-6/℃。
10.一种高可靠超小型玻璃钝化复合二极管，其特征在于，所述复合二极管在微型继电器的续流电路中的应用。
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