毕业设计二极管生产流程及问题分析.doc

目 录
1 引言 1
1.1 半导体二极管市场分析 1
1.2 本论文要到达目 1
2 二极管工作原理、作用 3
2.1 二极管工作原理 3
2.2 二极管功能及分类 4
3 二极管（中段）生产工艺流程 5
3.1 焊接 5
3.2 酸 洗 7
3.4 模压 10
4 二极管生产问题及分析优化 11
4.1 测试原则及分析措施 11
4.2 电性不良二极管分析及优化 11
4.3 二极管在（中道）生产过程中其他问题注意事项 14
结 论 15
致 谢 16
参 考 文 献 17

1 引言
伴随科学技术不停发展，人们应用电器设备随之崛起，因此半导体二极管也随之发展，它在许多电路中起着重要。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要多种机器、设备、进行和调整控制；在农业生产、粮食储备、计算机机房，家用电器等都存在二极管。因而二极管对新进社会多种器材和设备是非常有价值。
二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等半导体制成，其关键是PN结。因此正向导通，反向截止、击穿特性（具有单向导电性）。抗震性能好、功耗低、成本低等长处。
1.1 半导体二极管市场分析
信息产业是二十一世纪战略性主导产业，而其关键半导体产业技术水平和产业规模已成为衡量一种国家经济发展、科技进步重要标志，全球半导体市场为2547亿美元，比2275亿美元增长12%，估计将到达2850亿美元。我国半导体市场规模已经到达755亿美元，跃居全球市场首位，其中IC市场销售额632亿美元。而提供应市场产品重要国家是美国、日本和欧盟等国家和地区，如：英特尔、三星、德州仪器、东芝、意法半导体、英飞凌、瑞萨、AMD、海力士、NXP（菲利浦）、飞思卡尔、NEC、台积电等。我国进口半导体产品达1000亿美元。我国IC产值131亿美元，重要集中在长江三角洲、渤海湾、珠江三角洲等沿海地区，如中芯国际、上海华虹NEC、苏州和舰、无锡海力士-意法、无锡华润、上海先进、上海宏力、上海新进、首钢日电（NEC）、上海台积电、上海贝岭等。
分立器件，包括二极管、三极管、功率晶体管、光电器件；广泛应用于家电产品、照明、汽车、通讯等部门。全求年需求量约1万亿只。日本、美国、马来西亚和我国台湾地区是重要产地，我国是生产和消费大户，我国生产分立器件1600亿只，市场销售量2210亿只，，生产1820亿只，而市场需求2700亿只，其他全靠进口，发展分立器件前景仍然广阔。
伴随下一代互联网、新一代移动通信和数字电视逐渐商用，电子整机产业升级换代将为电子材料和元器件产业发展带来巨大市场机遇。
1.2 本论文要到达目
本论文是由于跟工作有关而写，在工作过程中理解到二极管种类繁多，形状各异，最一般二极管便是两端是铜引线，中间是硅片，外观用黑胶封装模样。本论文重要写二极管（中段）生产工艺流程及问题分析。
二极管生产总体包括三大部分，其中有前期扩散，中期制作，后期打印包装。前期扩散重要是针对硅片进行磷和硼扩散。中期制作重要是把芯片通过一系列工序制作成二极管，再由电镀厂电镀，使红毛管变成白毛管。最终进行后期打印包装。
本论文重要简介二极管中期制作，即将硅片通过一系列工序制作成管子，其中中序重要工序包括焊接，酸洗，模压。在此所要做就是将每一粒芯片制作成管子，这中间要通过诸多到工序，先需要让排向机排好引线，然后经装片操作人员装好片，送入焊接炉焊接，最终从焊接炉出来便是一根根最原始管子，它重要是运用焊片作中间介质，将引线和方片连接起来。我们行业一般称之为焊接组件。焊接完毕之后，芯片要通过酸腐蚀才能获得电性，经酸腐蚀芯片还要使其保持洁净和干燥，因此酸洗过程中要用到诸多辅助设备，例如超声波、甩干机、烘箱等。酸洗完毕之后，紧接着就是模压。模压重要是将管子封装，而模压重要材料为黑胶，黑胶成固体状，需要通过预热机先将黑胶加热，使之变软，靠近液体状，此时黑胶才便于封装。在这一系列制作完毕之后要进行检测，这样可以在此过程中发现生产中出现问题同步进行改善。
2 二极管工作原理、作用
二极管又称晶体二极管,二极管作用诸多，二极管它只往一种方向传送电流电子零件。它是一种具有1个零件号接合2个端子器件，具有按照外加电压方向，二极管作用诸多，二极管市场调研汇报显示，二极管使电流流动或不流动性质。晶体二极管为一种由p型半导体和n型半导体形成p-n结，二极管作用在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。二极管作用当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起扩散电流和自建电场引起漂移电流相等而处在电平衡状态。二极管作用均有哪些？下面详解二极管作用及工作原理。

+4
+4
+4
+4
自由电子
空 穴
束缚电子

图1 半导体内部构造
2.1 二极管工作原理
二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，此外，尚有初期真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流电子器件。晶体二极管为一种由p型半导体和n型半导体形成p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起扩散电流和自建电场引起漂移电流相等而处在电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场互相抑消作用使载流子扩散电流增长引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场深入加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关反向饱和电流I0。当外加反向电压高到一定程度时，p-n空间电荷层中电场强度到达临界值产生载流子倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大反向击穿电流，称为二极管击穿现象。
在电子电路中，将二极管正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须阐明，当加在二极管两端正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管正向电流十分微弱。只有当正向电压到达某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）后来，二极管才能直正导通。导通后二极管两端电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管“正向压降”。
2.2 二极管功能及分类
二极管种类有诸多，按照所用半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不一样用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管等其作用各有不一样。
（1）整流二极管
运用二极管单向导电性，可以把方向交替变化交流电变换成单一方向脉冲直流电。
（2）开关元件
二极管在正向电压作用下电阻很小，处在导通状态，相称于一只接通开关;在反向电压作用下，电阻很大，处在截止状态，如同一只断开开关。运用二极管开关特性，可以构成多种逻辑电路。
（3）限幅元件
二极管正向导通后，它正向压降基本保持不变(硅管为0.7v，锗管为0.3v)。运用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。
(4)继流二极管
在开关电源电感中和继电器等感性负载中起继流作用。
(5)检波二极管
在收音机中起检波作用。
(6)变容二极管
使用于电视机高频头中。
3 二极管（中段）生产工艺流程
二极管中序制作重要由焊接、酸洗、模压三大环节构成。每一道工序均有其重要之处，并且缺一不可，通过这三大环节制作，最终完毕二极管中段生产制作。
焊接 酸洗 模压
图2 中序生产工艺流程
3.1 焊接
焊接工艺目：运用焊片通过一定温度，使芯片与金属引线连接，形成欧姆触角。这是二极管初始形状如图
管芯
引线

图3 焊接好二极管
3.1.1 焊接流程图
出炉
转换
焊接
入炉
装片
排线

图4 焊接流程
重要操作流程：
（1）将石墨舟放在排线机上，排线机把引线导入石墨舟内为下一道装片做准备。

图5 排好引线石墨舟
（2）把焊片倒入吸盘中调整其气体把吸盘吸好焊片和芯片依次倒入打好引线石墨舟上进行然后进行下一步制作。

图6 吸盘吸好焊片
图7 装好焊片及芯片石墨舟
（3）反转一种装满引线并刷过助焊剂石墨舟，置于装完片石墨舟上，抽出托板并用托板振动引线，使之完全落位，再用垫板轻压引线，合模完毕。
（4）将制作好管子放入焊接炉内进行焊接，焊接炉是用于导体器件烧结、焊接、烘干、管壳气密封装等。链（带）式烧结炉特点有如下几方面:此设备为气氛保护炉，保护气氛为氢气、氮气、氩气等；设备具有持续工作性，保证生产效率； 独特气幕帘与机械幕帘结合，保证炉膛与空气隔绝； 多温区控制炉温，以便调整工艺曲线； 链带速度无级持续可调；根据顾客规定可配加湿器。

图8 焊接炉
3.1.2 焊接生产工艺工具选择
在生产每一种二极管时根据所生产二极管与之对应工具型号均有对应规定，如1N4007二极管，它所对应石墨舟为S40-S42型号、焊片为1.25*0.05mm、引线直径为0.69cm、吸盘为S42。每一种不一样二极管都要根据参数表进行选择相对应材料及制作工具，如下：
表1-焊接生产工艺参数
产品类别
晶片尺寸
石墨舟
引线型号
上焊片型号
下焊片型号
1A STD-H/L
S40-S44
0.7 S42 1500孔
DO-41-150
1.25*0.05
1.25*0.05
DB3
1A STD-H
S40-S42
A405 S42 1500孔
A405-150
1.25*0.05
1.25*0.05
1.5A STD-H
1.5A FR-H/L
1.5AHER-H/L
S52-S55
0.75 S55 1200孔
DO-15-185
1.57*0.08
1.57*0.08
TVS P6KE
2A STD-H
2A SF-H/L
S58-S60
0.75 S60 1200孔
DO-15-205
1.57*0.1
1.57*0.1
3A STD-H/L
S80
1.2 S80 480孔
1.2 DO-27-285
2.28*0.08
2.28*0.08
1N5408H
5A HER-H/L
H110
1.2 H110 480孔
1.2 DO-27-310
2.7*0.08
2.7*0.08
MINI 3A
H90
1.0 H92 480孔
1.0 R-3
2.28*0.05
2.28*0.05
6A STD-H
H110
1.28 H110 480孔
1.28 DO-27-310
2.7*0.08
2.7*0.08
10A STD-H
H135
1.28 H135 480孔
1.28 DO-27-385/375
3.0*0.1
3.0*0.1
ER504
S95
1.2 S98 480孔
1.2 DO-27-350
3.0*0.1
3.0*0.1
ER604/606
S110
1.28 H135 480孔
1.2 DO-27-350
3.0*0.1
3.0*0.1
3.2 酸 洗
酸洗目：运用多种酸和水，对芯片 P-N 结周围边缘表面进行化学腐蚀，以改善机械损伤，祛除表面吸附杂质，减少表面电场，使 P-N 结击穿首先从体内发生，以获得于理论值靠近反向击穿电压和极小表面漏电流。
3.2.1 酸洗机作用
酸洗机是二极管生产过程中专用设备，具有质量好、速度快、产量高、自动化程度高、工艺调整以便等长处。

（a）酸洗前
（b）酸洗中
图9 酸洗机酸洗过程

二极管在酸洗生产中，通过三种酸腐蚀才能产生电性能，二极管芯片通过一号酸腐蚀把表面划痕和杂志清除，腐蚀到一定大小，在通过二号酸清除一号酸反应所形成反应物，形成保护层。三号酸清除二号酸反应所形成残留物，形成保护层，防止水中金属离子抵达管芯部位影响管子质量。
3.2.2 酸洗流程图及作用
白胶固化
上 胶
梳条烘干
酸洗

图10 酸洗流程
目：运用化学品将晶片表面加以侵蚀，使 P-N 接面展现正角比例以获得最佳之电性品质。于晶片表面 形成 sio2，已到达绝缘之目。
种类：碱洗（绝对正角，不腐蚀金属；较不污染环境） 酸洗（反应速率快，轻易清洗） 冲水
流程：.混合酸 .铜亮液 .双氧水 上下冲水 .超声波清洗 热风干燥
酸洗化合物配比:
. HNO3:HF:CH3COOH:H2SO4=9:9:12:4
H2SO4: HNO3:HCL=40%：12%：0.8%
. H2O2=30% Si+HNO3+6HF=H2SiF6+H2O+H2 HF:溶解 SiO2，与 HNO3 形成交互反应，以便控制反应。
作用：
CH3COOH：为缓冲剂，克制 HF 对 Cu 离子侵蚀速；
H2SO4：为缓冲剂，克制混合酸对晶片反应速率；
铜亮液：清除引线及焊接点上氧化层；
H2O2：氧化晶片表面上杂质，形成结晶后以便冲洗祛除。
修补SiO2酸洗构造：反应气体颜色;淡黄色、白色深黄至红棕色；
酸洗反应现象如下：
表2-酸反应颜色

1号酸
反应气体颜色
酸洗颜色
沉淀物数量
现象
淡黄色
微黄
很少
正常
白色
透明无色
少
反应太慢，酸洗局限性
深黄至红棕色
蓝绿色
多
反应剧烈，呈沸腾状，乃过蚀现象
2号酸
红棕色气体产生
绿色
少
白色泡沫
3.2.3 梳条
梳条作用是将酸洗后酸洗板上二极管转换到铝条上在放入到烘箱中进行1小时左右预烘。在进行下一道上白胶。

图11 梳 条
3.2.4 白胶固化工艺目
固化上胶层使硅橡胶中心液剂深入挥发， 胶层固化使起与管芯牢固结合，使器件具有良好可操作性 能和防止成型时受到冲击而损伤作用。
作用：将二极管管芯与环境隔离开来，以防止周围杂质对器件性能影响，可起保护管芯、稳定管芯表面作用。

图(a)上胶
图(b)上交机
图12 上白胶过程图
3.4 模压
模压是将酸洗过后进行上好白胶白毛管，使管芯与外界环境隔离，防止有害气体侵蚀，并使表面光洁和具有特定几何形状，起到保护管芯、稳定表面、固定管芯内引线，提高二极管机械强度，以便客户使用作用（即将白毛管转变为红毛管机器）。
3.4.1 模压流程图
抹 料
软化黑胶
模 压
成型后固化

重要环节：
（1） 将白胶固化后白毛摆入料架上。
（2） 把料架上白毛管放入模压机上进行模压，当模压机到达一定温度和压力时放入黑胶进行模压。
（3） 再将模压成型二极管放入烘箱中进行固化。
3.4.2 成型固化工艺目
对模压后二极管塑封料通过高温烘烤，以提高塑封料可靠性。挥刊登面油污和释放黑胶收缩压力，剔除初期不良品、失效管，提高二极管稳定性。 祛除残胶：祛除管子外引线及塑封料本体表面油污、溶料，以便于电镀、印字。

图13 模压过程
图14 模压完毕
4 二极管生产问题及分析优化
4.1 测试原则及分析措施
（1）测试原则如下图：
表3-原则测试参数
项 目
测试条件
规 范
Min
Nom
Max
Unit
VF
IF=8A

1250
mA
VB
IB=2μA
400

V
IR
VR=450V

380
V
DV1
IB1=2μA， IB2=100μA

50

(2)分析措施
a外观检查
b常温环境电性能测试
c高温环境电性能测试
d烘烤后电性能测试
e超声波检测
f化学开盖
g探针测试液晶分析
h显微镜观测（光学）
4.2 电性不良二极管分析及优化
4.2.1 抽检成果描述
在抽检成品二极管ER604是时发现其存在严重电性变化，成品管再次测试变化为4%（电压衰降），当放置48小时后电性变化率增长至2.5%
根据测试原则分析：SKY产品Tj肯定是超过125℃，因此出问题90%以上是封装问题。有如下几点需关注：焊接温度、焊锡量、引线钉头与晶粒P面接触面尺寸、塑封料型号、固化、外观等方面有关系。
4.2.2 分析环节
（1）首先从外观进行检查

图15 失效品正面外观

通过对二极管外观检查没有发既有外观有任何缺陷。由此可以推断此失效二极管不是有于外观问题而失效。
（2）开盖检测
开盖后对二极管进行二极管内部构造外观进行检测
芯片对角突出

芯片对角突出

图（a）二极管内部
图(b)二极管内部
图16 二极管内部构造外观
通过开盖后在光学显微镜下可以看出二极管芯片对角突出，有也许导致在模压过程中使芯片压伤。然后在对开盖后二极管进行硬特性测试，测试成果如下表：
表4-失效管测试数据
样品编号
TRR
VF
VB
DV1
IR
#1
28
1140
517
0.763
0.063
#2
30
1095
273.1
171
2.498
#3
27
1176
415
23.19
0.066
#4
28
1157
175.3
183.6
2.498
通过对以上数据分析可以得出1号管电性是正常，而2号、3号、4号管电性为软管，其测试示意图如下图
图17 二极管软管电性

根据上面开盖检查推断出由于二极管芯片损伤导致二极管电性不正常。因此在次用显微镜对其芯片进行检测：
玻璃损伤

气孔
玻璃上有焊锡

图18 #1失效品芯片正面外观
图19 #1失效品芯片正面外观
玻璃损伤

芯片开裂

图20 #2效品芯片正面外观
图21 #2效品芯片背面外观
通过对失效二极管芯片再次检查可以肯定本次二极管失效完全是由于芯片在制作过程中压伤及焊锡过多现象，导致二极管硬特性不良。

4.2.3 二极管优化过程
在制作二极管过程中最轻易使二极管芯片压伤及焊锡过多问题重要是在焊接及模压这两道工序上。由于肖特基芯片比其他二极管芯片易碎，因此在制作中不能用跟其他二极管措施进行制作。
首先在引线方面进行改善，把引线直径加大由本来1.20直径改为1.28引线直径使芯片在引线面积之内就不会使二极管在模压过程中把芯片压碎。再者就是改善焊片大小，有本来3.0*0.08cm改为2.7*0.08cm这样就不会使焊锡量过多使芯片玻璃上有焊锡导致芯片失去电性。
4.3 二极管在（中道）生产过程中其他问题注意事项
（1） 排向操作时，要将弯引线挑出，并用直引线填满石墨舟。
（2） 装片操作时，先将吸力大小调好，防止吸双层或漏吸。
（3） 焊接和酸洗转换时，对使用补料，防止混料。
（4） 酸洗操作时，必须随时检查注酸状况及注酸量。
（5） 推酸洗板时，要注意不能卡盘。
（6） 所用酸洗设备，例如超声波换水时要先关电源，再放水。
（7） 梳条操作时，梳完材料要及时入烘箱，防止被沾污，影响电性。
（8） 烘完材料要及时涂胶，道理同上。
（9） 涂胶操作时，不能用纸、布等物品擦管芯部位。
（10） 后固化时，保证足够烘烤时间。