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摘要：微型倒装晶体管是电子产品微小型化的必然要求，对微型倒装晶体管的制造及工艺进行了探讨
关键词：倒装晶体管；芯片；框架
中图分类号：TN32 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2006)02-0146-03
1 前言
随着手表手机、照相手机等微型电子产品的发展，对晶体管微小型化的要求也越来越高，在保证一定性能及可靠性前提下，越小越好，传统的用金丝作内引线互连的工艺已不能满足要求。因此，用芯片倒装、凸点互连、把芯片与引线框架直接连接的倒装晶体管便成为必然趋势。
如图1(a)，目前国内现有水平的SOT-723封装的晶体管，引线框厚度为0.1mm，芯片厚度要求0.1~0.15mm，金丝弧高0.15mm，为保证可靠性，上下塑封体厚度均不能小于0.07mm，因此总厚度很难达到0.5mm。另外金丝在横向（水平方向）有跨度，两边各为0.3mm左右，因此SOT-723（黑体尺寸为1.2mm×0.8mm×0.5mm）的管子很难生产。
采用芯片倒装工艺，如图1(b)和(c)，由于没有金丝弧高与弧宽的限制，塑封体可做得很薄，框架厚度0.1mm，芯片厚度0.1mm左右，凸点厚度0.05mm，塑封体上下厚度0.15mm，总厚度可做到0. 45mm，水平方向，无弧宽限制，在尺寸为1mm×0.8mm×0.45mm（本文称SOT-923）黑体中，可装0.8mm ×0.6mm的芯片，类似晶体管的芯片尺寸封装。
倒装晶体管的难点主要在芯片制造上。芯片制造主要有两个问题：一是减少饱和压降，改善晶体管的电流特性及散热特性；二是芯片上凸点的制作。本文就上述两个问题，进行讨论。
2 集电极电流性能的改善
一般双极型晶体管的芯片是在一高浓度n +单晶片上，做一层n型外延层，在外延层上先用B离子注入的方法做一个p型基区，同时形成集电结，然后在基区内一特定范围磷扩散，形成n +发射区及发射结，如图2所示。然后正面蒸铝，反刻铝形成发射极E，基极B，背面做多层金属形成集电极C。晶体管在工作时，发射结加正向电压，集电结加反向电压，发射区的电子扩散到基区，受集电结反向强电场吸引，进入集电区，垂直流过只有10 mm厚的外延层，便到高浓度低电阻率的衬底n +区，从集电极流出（电流方向同电子流方向相反），因此有良好的电流特性及散热特性。而倒装晶体管，发射极，基极，集电极三个电极都是从芯片表面引出的。如图3所示，倒装晶体管发射的电子，按箭头方向流动（电流方向相反），大部份越过集电结后，要通过长距离的横向流动，然后再流向表面集电极。由于集电区外延层是高阻的，比衬底电阻率高1000倍，电流通过时阻力比较大，因此电流性能比较差。同时集电结的热量也必须从表面集电极引出，且集电极接触面积比图2芯片背面集电极小得多，因此散热性能也比较差。
有一种新工艺，采用深结穿通外延层的扩散工艺，可以改善倒装晶体管芯片的电流特性与散热特性。如图4所示，在集电极引出部位下面，先进行高浓度n+磷予扩散，把n型外延层扩穿，使集电极与n+衬底连通起来，形成形状近似于一个无盖长方体容器全部内壁的n+等电位层。这个等电位层即为集电极，电子流动可以认为是阻力很小的，电子可以同原先一样，先就近到达基区底部衬底，然后迅速流到表面集电极流出（参见图4中箭头流动方向）。
3 微型倒装晶体管的设计考虑
（1）微型倒装晶体管，本文晶体管型号为 DZ8050，设计尺寸为1mm×0.8mm×0.45mm的黑体（SOT-923）中。
（2）DZ8050倒装晶体管，其主要参数为，最大集电极电流ICM=1.5A，集电极-发射极最大反向击穿电压BVceo>25V，集电极-发射极间反向饱和压降Vces<0.5V，共发射极静态电流传输比 hFE在100~300之间。
（3）DZ8050芯片尺寸为0.8mm×0.6mm，如图5所示，为6条条状发射极结构。
（4）为了更有效利用芯片面积，DZ8050管脚排列与一般SOT-23系列的管脚排列有些不同，集电极在芯片的一侧引出（如图6所示）。
4 主要工序工艺流程
DZ8050微型倒装晶体管，其制作过程，大部分工艺，沿用一般双极型晶体管工艺。
（1）硅外延片准备：采用n/n+ 掺砷外延片，外延片电阻率ρ为2.3~3Ω·cm，外延层厚度 W1为12~15μm，外延片厚度W为370μm±20μm。
（2）预氧化：因预扩散要把外延层扩穿，深度深，因此作为扩散掩蔽膜的氧化层应比较厚，采用水汽氧化，湿氧+干氧的方法。
（3）预光刻：刻出集电极环状区域。
（4）预扩散：在集电极环状区域范围内，高浓度磷扩散，扩穿外延片外延层的厚度，使环状区域的n +与集电区衬底n+连通起来，形成n +高浓度等电位区域。
主要工艺条件为1150℃磷扩散，时间6~10h，结深15~18μm。
（5）一次光刻：刻基区，虚线框范图内为基区。
（6）硼离子注入：用离子注入的方法，形成 P型基区及集电结，结深Xjc=3μm。
（7）二次光刻：刻发射区窗口，DZ8050采用6条发射极条状结构（见图5）。
（8）发射区扩散：采用POCL3 液态源作发射区磷扩散，形成发射区及发射结，X je=2μm。
（9）CVD：为了提高晶体管的可靠性及稳定性，在做金属化层之前进行氮化硅表面保护钝化工艺。
（10）刻引线孔（电极孔）用等离子刻蚀的方法，同时刻出发射极、基极、集电极引线孔。
（11）蒸铝：蒸发一层厚度为1.5μm的铝层，准备作金属电极用。
（12）电极反刻：把集电极、基极、发射极，三个铝电极刻蚀出来。
（13）凸点制作[1]：
a.圆片芯片涂光刻胶；
b.圆片光刻刻出AL焊区窗口；
c.圆片第一次浸锌，铝与镀层金属锡合金形成的镀层金属是疏松的，必须先浸锌，浸锌是在强碱性的锌酸盐溶液中进行的，在去除AL焊区金属表面的氧化层的同时化学沉积一层锌，既可以防止氧化层的再生成，又可以作为粘附层，在其上化学镀其他金属；
d.芯片二次浸锌，第一次浸锌形成的结晶较粗大而疏松，应局部去除，以使AL表面呈现均匀细致的活化状态，裸露的颗粒就成为再次浸锌的晶核，故所得二次浸锌层更加致密、均匀，从而增强了与AL的结合力，第一次浸Zn层可用硝酸退除，经去离子水冲洗后在二次浸Zn液中再次浸Zn；
e.化学镀Ni
先化学镀Ni，厚度为20μm，作为中间过渡层，化学镀时Ni沉积在电极处Zn层上面；
f.化学镀锡合金，沉积在Ni电极之上，厚度为20μm；
g.圆片去胶，因电极以外的区域，是光刻胶保护着的，去胶时，除电极处外所沉积的金属全部去掉，只有电极处形成铝，锌，镍，锡合金的凸点；
h.圆片凸点形成。
（14）硅片减薄：因制作凸点，圆片不能过薄，因此减薄只能放在凸点制作后进行，要求硅片厚度减薄到0.1mm左右。
（15）划片：把一个个管芯分割开来。
（16）倒装焊接：用倒装焊接机同时完成三个凸点与框架焊区的焊接。
（17）封装；用包封压机注入塑料树脂把组装好的管子包封起来。
（18）切筋；把封装好的管子一只只分离开。
（19）测试：用自动测试机测试管子的电参数，合格品编带，淘汰不合格品。 |
