整流桥GP，GPP，和一般二极管的工艺差别？性能上的不同

                               
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超級整流二極體SuperexⅡ技術與應用
突破傳統製程之新一代整流二極體
整流二極體是最基本的電子元件，可將發電廠所供應之交流電轉變為電機系統與電子電路所使用之直流電(如圖1)，其功能很單純卻也很重要，小至家電用品，大至工業設備用電，整流半導體扮演的角色舉足輕重，無所不在，少了它電器產品將無法運作，早已經普遍應用在各式各樣的電器用品中，然而自從美國奇異(GE)發明了性能優異的GPR玻璃球全包覆形式之整流二極體後，直到現在將近三十年的時間，整流二極體護封的技術，並無太大的變化，直到最近國人推出了SuperexⅡ，讓整流二極體終於有了突破。
整流二極體之運作原理
最常見的半導體材料為四價的矽，然而純矽導電性並不好，但假如加入五價的磷、砷或銻等雜質原子，雜質原子最外圍的五個電子除了四個電子跟矽形成共價鍵外，多出的一個電子便會成為可以任意移動的自由電子，而大幅增加導電性(如圖2)；同樣也可以加入三價的硼、銦或鋁雜質原子，雜質原子最外圍只有三個價電子可跟矽原子形成三個共價鍵，仍缺少一個價電子形成共價鍵，因此可接受其他價電子之移轉，形成電洞之作用。(如圖3)
摻雜五價雜質原子之矽半導體，稱做N型半導體，而摻雜三價雜質原子之矽半導體，稱做P型半導體。單純的P型及N型半導體，並不具有單向導通之整流效果，但假如我們將P型半導體及N型半導體，接合在一起後，就會有單向導通之效果，通常我們以接合(Junction)來稱呼半導體元件間之接合，而當我們將P-N半導體的P面接上正極，N面接上負極時(如圖4b)，稱做順向偏壓，此時N面的電子跟P面的電洞，會受到受到電壓的驅動往中間的Junction面移動，並在Junction面結合消失，促使電子跟電洞不斷朝向Junction面移動，達到電流導通之效果。反之N面接上正極，P面接上負極時(如圖4c)，稱做逆向偏壓，P面的電洞及N面的電子，各往兩端移動，使得半導體中間缺乏載子，沒有電荷可以流動，所以無法導電。這也就是P-N二極體可以整流之原因。
而在實際應用上，P-N二極體之製造方式，乃是將已經摻雜有磷原子之N-Type之矽晶圓，選擇其中一面，做三價硼原子的擴散製程，因此硼原子濃度高的那一面，便成為P-Type，另一面則是N-Type，於是在晶圓中產生P-N Junction的界面(如圖5所示)，再依照所需求大小，把矽晶圓切割成一塊一塊單一晶粒。
然而若要使整流二極體達成整流效果，電流必須只能從Junction接合處通過，才能有整流作用；但在逆向偏壓狀態下，電流也會不經過Junction面的阻擋，由晶粒的切割面，透過空氣直接由N面流到P面，產生逆向漏電(IR)的現象(如圖6)，此現象在高電壓下尤其明顯；因此在切割面上，還要做護封(Passivation)的處理，以隔絕空氣及污染，並避免P-N介面之損傷，來達成整流之作用。也可以說護封效果的好壞，為決定整流二極體品質好壞的最關鍵因素。
Junction護封技術之種類
可作為Junction護封材料大致可分為三類:
一.        氧化矽(SiO2):因SiO2具有良好絕緣性，若在晶粒切割面上，將Si氧化成SiO2，長上足夠厚度之SiO2層，就可以保護住Junction面，也可達成護封效果；但由於表層的氧化矽會阻礙氧原子繼續擴散進入內部與矽反應，因此SiO2層不易增厚，若要達到所需求之厚度，其技術難度及成本相對提高甚多，所以甚少被採用。
二.        矽膠(Silicone Rubber):矽膠屬於高分子聚合物，耐電壓較低、絕緣性較差、抗濕氣性較差、且不能承受太高之溫度，在高溫下長時間使用，材料會有老化現象發生，逐漸失去護封效果，導致產品Failure，可靠度最差，但由於便宜有材料成本之優勢，因此大多應用在低階產品上。
三.        玻璃(Glass):玻璃本身是一種非晶質的無機物，不但絕緣性佳、可承受高電壓並抗濕氣(參考表一)，是相當好的護封材料，但成本較高，大都應用在中高階的產品上。
傳統護封技術，可分為三類，若再加上SuperexⅡ內含晶片(GPRC)所採用之最新護封技術，則共分為四類(如圖7所示):
一、        Open Junction:
護封材料為矽膠，護封形式為全切面護封，其製作流程如下:
a.        晶圓表面金屬化:鍍上一層金屬膜，以利導接。
b.        晶圓切割:切割成要求之晶粒尺寸。
c.        銲接導線:使用錫鉛合金之銲料，進行軟銲(銲接工作溫度三百多度)。
d.        晶粒酸洗:晶粒切割完後，切割面會有微裂及不平整現象，d.        晶粒酸洗:晶粒切割完後，切割面會有微裂及不平整現象，所以必須做酸洗處理。
e.        : Junction面護封:在切割面上塗覆矽膠，完成Junction之護封。
f.        矽膠熟化處理(Curing):最後將成品置入烤箱，以高溫(200℃)將矽膠做熟化處理。
從圖7中可看到矽晶粒的切割面，被矽膠整個包覆住，包覆效果相當好，可惜受矽膠本身材質特性之限制，在HTRB及HTIR表現不佳，逆向漏電流(IR)較大，可靠度最差(參考圖8及表二)，但是其製程比較簡單，無高溫製程，且材料便宜，是低階市場之產品主流，價格僅為玻璃護封1/3~1/4價位。
二、        GPP(Glass Passivated Pellet):
護封材料為玻璃，護封方式為半切面護封，護封玻璃厚度約為50~100μm，製作流程如下:
a.        晶圓開溝:在晶圓表面塗佈光阻劑，以感光顯影之光罩製程，依照所需之晶粒大小，在晶圓表面蝕刻出細溝，但不穿透晶圓，以露出P-N Junction界面，並分隔晶粒(如圖9)。
b.        Junction面護封:同樣以感光顯影製程，在細溝內塗佈玻璃漿，經過600℃~900℃的高溫，燒成玻璃。
c.        晶粒金屬化:再進行一次感光顯影之光罩製程，將晶粒表面鍍上金屬膜，完成金屬化製程，以利導接之用。
d.        晶粒切割:切下個別的晶粒，完成整個流程。
GPP的優點在於產品完成後為片型，採用低溫軟銲即可與導線銲接，可適用於現有的各種包裝形式，且由於採用玻璃材質護封，在逆向漏電及可靠度測試，都要比Open Junction來的佳，是目前中高階產品之主流。缺點在於製程較為繁複，需要三道光阻顯影之光罩製程，而在成型切片時，常會有因切割而造成之微細裂縫，且邊緣呈現90度之銳角狀，加工時容易受到碰撞所損傷。另外從圖7來看，GPP玻璃只包覆切割面的一部份，並無法包覆整個切割面，且由於護封玻璃厚度很薄，通常只能承受小於1600V之逆向電壓。
三、        GPR(Glass Passivated Rectifier)
護封材料為玻璃，護封方式為全切面護封，護封玻璃厚度大於1000μm以上，製作流程如下:
a.        晶圓表面金屬化:鍍上一層金屬鋁膜，以利導接。
b.        晶圓切割:以噴砂方式，將晶圓切割成要求之晶粒尺寸。
c.        晶粒酸洗:以酸液對晶粒切割面，進行清洗。
d.        銲接導線:將鉬粒(Moly Slug)置於金屬導線與晶粒間，以高溫硬焊方式(680℃~730℃)，將三者銲接在一起。
e.        酸洗:將銲好之成品，再做一次清洗。
f.        Junction面護封:將鉬塊與晶粒，裹上玻璃膏，以高溫(約600℃)將玻璃燒成，完成整個流程。
GPR之優點在於晶粒整個切面，被玻璃全部包覆(參考圖7)，不但可耐高電壓，在逆向漏電及可靠度上的表現，都是屬於最高等級，因此都應用在高階產品上。然而受限於製程，必須加上鉬塊，以做為矽及銅導線間之熱膨脹緩衝，並必須以高溫硬焊方式銲於導線與晶粒之間，不但製造難度較高，製作出來成品為體積較大之圓球導線狀，成品大部份為導線型式，無法應用在各種封裝形式，尤其是SMD 扁平式封裝，這跟目前市場上薄形化的潮流，背道而馳；且昂貴的鉬塊，也大幅增加成本，更因為技術方面的問題無法克服，很難做出超過三安培之產品。
四、        GPRC(Glass Passivated Rectifier Chip):
這個也就是SuperexⅡ所使用之晶片，與GPR一樣使用玻璃作為護封材料，並為全切面護封形式，護封玻璃厚度為500~1000μm，製作流程如下:
a.        晶圓光阻劑塗附:將晶圓塗上光阻劑做保護層，以抵抗後面之化學製程之酸蝕液。
b.        晶圓切割:將晶圓切割成之晶粒。
c.        晶粒酸洗:將晶粒切割面酸洗。
d.        Junction面護封:將晶粒切割面塗附玻璃漿，以高溫將玻璃燒成。
e.        晶粒金屬化:將晶粒表面，鍍上金屬膜，以利導接，完成整個製程。
GPRC之製程不僅比起GPP及GPR要來的簡單，由圖7之比較看來，GPRC可說是整合GPP及GPR之優點，它不但有GPP的片形外觀，可適用於各種封裝形式，且因圓弧狀的全切面玻璃包覆，玻璃厚度為GPP十倍以上，在加工時切割面不易受到損壞，可耐到2000V之高電壓，在銲接時使用低溫軟銲即可，不需要使用昂貴鉬塊做高溫硬焊，成本可大幅降低，也可輕易製作大尺寸高安培數產品，更因為全切面玻璃護封，電氣特性及可靠度可與GPR相匹敵，參看圖八及表二。
SuperexⅡ之應用
所謂SuperexⅡ，即是由GPRC所衍生成各種封裝形式之整流二極體，其應用廣泛，可依外型及功能加以分類:
1.        導線型(Axial Lead):
GPRC封成導線型，除了有全切面玻璃護封的優異特性之外，在順向電壓降、Forward Surge之表現與成本上，均優於GPR，從一安培到六安培全系列，均可以輕易製作，可以完全取代GPR之高階地位。
2.        表面黏著型(SMD):
電子元件的薄形化是大勢所趨，使得SMD類的產品逐漸成為主流，但由於GPR產品不易做成SMD形式，SMD類產品均都由GPP所主導，也因此SMD類產品一直無法達到GPR等級之電氣特性及可靠度，然而由於GPRC的應用，使得魚(扁平化)與熊掌(電性品質)，一起兼得。
3.        橋式整流器(Bridge):
橋式整流器乃是將四顆晶片組裝在一起，來達到全波整流之目的，GPR由於外形之限制，無法組裝成Bridge，只能使用GPP來組裝，而在四顆晶片中只要一顆特性不佳或損壞，就會影響Bridge之品質及良率，因此對於晶片的品質要求，更是重要，所以在Bridge上之應用，GPRC比起GPP有更大之優勢。
4.        高壓堆疊整流器(Stack Rectifier):
在某些應用場合需要使用到超高壓，如雷擊(突波)產生器，微波爐及Monitor上之高壓產生器，電壓由數千伏特到上萬伏特不等，單一顆晶片無法承受如此高壓，需要將好幾顆晶片串接堆疊一起，才能承受如此之高壓，由於GPRC具有全切面玻璃護封之特點，抗電壓性佳及漏電流低，加工時晶粒不易損壞，應用在高壓整流器上，將會有相當可靠之品質。
5.        車用整流器(Auto Rectifier):
車用整流器，主要將汽車發電機所產生之交流電，整流成直流電，以供全車電力系統使用。目前市場上對於整流器品質要求，除了航太及軍用外，就是以汽車要求最高，因為汽車的引擎在運作時，內部經常處於相當高溫的狀態，甚且會隨著地域的不同，而遭遇到種種不同的挑戰，從熱帶沙漠的高溫、寒帶雪地的低溫、海邊鹽霧、雨天濕氣的侵襲，到惡劣路面之衝擊，因此需有如下之要求:1.良好之機械強度，可耐震盪及衝擊。2.良好溫度適應性，可耐高溫及反覆的高低溫衝擊。3.電流規格較高，從25A~80A。由於GPR無法做出大安培數產品，以GPRC優異之特性，將能勝任此一工作，超越市面上同類型之產品。
6.        模組形式(Module):
將兩顆以上之晶片，銲在散熱性良好的金屬或陶瓷基板上，再加以封裝，成為一個模組。一般都是應用在高安培數的電力系統上，對於產品品質的要求自不在話下，由於GPRC具有可大可小，及片形易於封裝加工之特性，同樣可以輕易應用於此種產品上。
除了以上所列之應用外，將來還可應用於COB(Chip On Board)之特殊應場合，及下一代更高等級的片形陶瓷整流二極體(Glass Passivated Ceramic Package Chip Diode)。
Superex可說是革命性的產品，它同時擁有GPP及GPRC產品之優點，滿足高階應用之需求，對於中高階市場而言，尤其具有極大影響力，將來必可以取代GPP及GPR之地位，開啟了新一代半導體整流二極體之新紀元

                               
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