專利名稱：敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬半導(dǎo)體電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體溫差制冷器用的敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝。
國外DBC技術(shù)發(fā)展較早，如德國的Curamik clectronie，IXYS，日本的東芝，三菱以及美國的通用電器公司，他們所采用是在陶瓷基片上整體敷銅，然后用化學(xué)腐蝕法(三氯化鐵作為腐蝕劑)，將所需要的圖形腐蝕出來，但此方法工藝比較復(fù)雜，成本較高。另外，一定厚度的銅箔在化學(xué)腐蝕加工時，會產(chǎn)生鉆蝕，使圖形邊緣不易做整齊，易呈弧線狀，并且生產(chǎn)后的廢液會對環(huán)境造成污染。
半導(dǎo)體溫差電制冷器通常所采用的氧化鋁金屬化陶瓷基片是采用難熔金屬粉末燒結(jié)法，以Mo或W-Mn金屬化法最具代表性，它是在一定粒度的Mo或W粉中加入一定比例的Mn粉，把這種混合粉末同有機黏合劑一起混合成漿狀，并將混合物用網(wǎng)印的方法涂布在氧化鋁陶瓷基片表面上，然后在適當(dāng)濕度的還原氣氛中于1300-1500℃下燒結(jié)而成。在制作半導(dǎo)體溫差制冷器中，需先在陶瓷片金屬化層表面上鍍鎳或鍍金。然后在鍍鎳或鍍金的金屬化層上焊接銅箔，作為制冷散熱器件，需要具有高熱導(dǎo)率，而運用這樣的氧化鋁金屬化陶瓷基片制作的器件，由于在銅箔和氧化鋁陶瓷基片之間存在一定厚度的中間層，使金屬覆層的熱阻增加。從而大大降低了熱導(dǎo)率。另外，中間層具有較高的電阻率，從而增大電能損耗。
本發(fā)明提出的敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝，是用機械加工的方法先將銅箔按所需圖形加工好，然后用粘結(jié)劑和模具將其固定在基片上，放入鏈?zhǔn)綌?shù)控氮氣爐中燒結(jié)而成，
具體步驟如下1、銅箔機械加工，按設(shè)計的圖形，用機械加工方法制作銅箔；2、銅箔活化處理 將經(jīng)金屬去污劑洗凈(去除銅箔表面油污及雜質(zhì))的上述銅箔放入分析純鹽酸(HCl)溶液中清洗，至PH值呈中性，即為6.5-7.5，然后用工業(yè)酒精對銅箔進行脫水處理，烘干；3、裝貼 將銅箔放入用激光設(shè)備按圖形要求加工的模具中，再放入印有粘結(jié)劑的陶瓷基片，將銅箔裝貼于陶瓷基片上。
本步驟中，粘合劑可用絲網(wǎng)漏印在陶瓷基片上。該粘合劑主要用于固定銅箔，可以采用如下組份按重量配比的配方聚乙稀醇 1(為基數(shù))甘油 0.6-0.9乙醇 0.3-0.5乙二醇 0.03-0.08水 2.5-34、燒結(jié) 把裝貼好銅箔的陶瓷基片放在專用燒結(jié)架上，置于鏈?zhǔn)綌?shù)控氮氣燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。
本步驟中，燒結(jié)時間一般可控制在140-170分鐘，其溫度控制為在40-50分鐘內(nèi)，燒結(jié)溫度從室溫升至1065℃±5℃，最好為1065℃±2℃，保溫5-10分鐘，然后再降至室溫。
本步驟中，燒結(jié)爐內(nèi)的高純氮氣中含有少量氧氣(約0.3％左右)，加熱階段，銅箔與氣體中的氧發(fā)生反應(yīng)，其中少部分氧溶解在銅中，大部分氧經(jīng)反應(yīng)生成Cu2O，當(dāng)達(dá)到最高溫度時，在銅箔與陶瓷基片界面形成液態(tài)Cu-O共晶薄層，這層共晶混合物浸潤氧化鋁陶瓷基片表面，冷卻后銅箔與陶瓷基片之間通過Cu2O-Cu結(jié)晶相高強度地直接焊接在一起。
5、化學(xué)鍍鎳 即用化學(xué)沉積鍍的方法在燒結(jié)銅箔表面鍍上一層鎳，厚度一般為1-8μm。鍍鎳的作用在于增加產(chǎn)品的可焊性，另外，由于在制作半導(dǎo)體溫差電制器時，須用270-350℃的焊料焊接元件，而銅原子在高溫下易向元件中擴散，從而影響元件的制冷性能，所以鎳層還起到將銅原子與制冷元件隔離的作用。
本發(fā)明所制作的DBC陶瓷散熱基片與傳統(tǒng)金屬化法及整體敷銅法制作的陶瓷散熱基片相比，具有突出的優(yōu)點a銅箔與陶瓷之間界面層很薄，熱阻低，導(dǎo)熱率高。
b銅箔導(dǎo)電率高，損耗低。
c圖形邊緣整齊、垂直，工藝簡單且成本低，容易形成規(guī)模生產(chǎn)，而且無污染。
用本工藝制備的產(chǎn)品不僅可用于半導(dǎo)體溫差制冷器件上，還可應(yīng)用在功率半導(dǎo)體模塊及功率電源DC/DC、DC/AC變換器等多種電子元器件上。
1、銅箔活化處理a、用堿性的金屬去污劑配置濃度為15％的溶液5升，將預(yù)先按圖形要求用機械加工好的銅箔放入溶液中(10kg/5升)浸泡30分鐘，在浸泡過程中，應(yīng)每隔5分鐘翻動銅箔，使銅箔充分浸泡在溶液中，然后用流動的清水將銅箔沖洗干凈，直至PH值達(dá)到中性即6.5-7.5此步驟需3-4次，將銅箔表面油污及雜質(zhì)徹底洗凈。
b、用分析純HCl配置濃度為5％的溶液5升，將清洗好表面的銅箔浸泡在溶液中30分鐘，每隔10分鐘攪拌一次，然后用流動的清洗沖洗干凈，直至PH值呈中性，即6.5-7.5。
c、用工業(yè)酒精將銅箔進行脫水處理，然后烘干。
2、裝貼首先，在氧化鋁陶瓷基片上用絲網(wǎng)漏印法印刷粘結(jié)劑，用于固定銅箔，粘合劑的成分為聚乙稀醇、甘油、乙醇、乙二醇、水，重量配比為∶0.2∶0.14∶0.08∶0.01∶0.57。
將銅箔放入用激光設(shè)備按圖形要求加工的高精度模具中，然后放入印有粘合劑的陶瓷基片，最后將粘貼好的陶瓷基片從模具取出。
3、燒結(jié)把裝貼好的陶瓷基片放在專用燒結(jié)架上，然后放入鏈?zhǔn)綌?shù)控氮氣燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度曲線如

圖1所示。
4、分選本工序的目的是將不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品分選出來，例如，因銅箔變形而造成銅箔與陶瓷基片未完全燒結(jié)的產(chǎn)品是不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的。分選主要采用光透法。氧化鋁陶瓷基片具有一定透光性的原理，如果銅箔與氧化鋁陶瓷基片緊密結(jié)合，則光線無法穿透，反之，銅箔未燒結(jié)部分則有透光現(xiàn)象。
5、化學(xué)鍍鎳將燒結(jié)好的銅箔表面上用化學(xué)沉積鍍的方法，鍍上一層厚度為1-8μm(根據(jù)用戶需要)的鎳。
化學(xué)鍍鎳的鍍液成分如下成分 用量氯化鎳 75g/L次氬磷酸鈉 30-40g/L檸檬酸三鈉 110-130g/L氯化銨 70-80g/L氫氧化鈉 12-16g/L用于調(diào)整PH值氨水 8-10g/LPH值 7.5具體操作(1)將分選合格的DBC基片插入專用工裝上，然后放入濃度為70％的硝酸中，進行表面處理，時間為20秒，取出后用流動的清水洗凈。(2)把表面處理好的基片放入濃度為10％的氯化鈀溶液中，進行銅箔表面活化處理，用分析純HCl調(diào)整溶液的PH值即PH值1-1.5活化時間為30秒，然后再用流動的清水洗凈。(3)把活化好的基片放入已配置好的化學(xué)鍍液中進行化學(xué)沉積鍍，再隔10分鐘攪拌一次鍍液，這樣使兩個銅箔上的鍍鎳層一致，施鍍時間為90分鐘，鍍液溫度為57℃±-2℃。(4)把已鍍好的基片用流動的清水將其洗凈，然后浸泡在熱是凈水槽中，時間為3分鐘，取出后用酒精脫水，放入熱風(fēng)機內(nèi)將其烘干。
6、將已鍍好的基片進行分選，然后用真空包裝法把基片進行真空包裝入庫，真空包裝主要防止鎳層氧化，影響產(chǎn)品的可焊性。
權(quán)利要求
1.一種敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝，其特征在于用機械加工方法先將銅箔按所需圖形加工好，然后粘結(jié)劑和模具將其固定在基片上，放入鏈?zhǔn)綌?shù)控氮氣爐中燒結(jié)而成，具體步驟如下(1)銅箔機械加工，按設(shè)計的圖形，用機械加工方法制作銅箔；(2)銅箔活化處理 將經(jīng)金屬去污劑洗凈(去除銅箔表面油污及雜質(zhì))的上述銅箔放入分析純鹽酸(HCl)溶液中清洗，至PH值呈中性，即為6.5-7.5，然后用工業(yè)酒精對銅箔進行脫水處理，烘干；(3)裝貼 將銅箔放入用激光設(shè)備按圖形要求加工的模具中，再放入印刷有粘結(jié)劑的陶瓷基片，將銅箔裝貼于陶瓷基片上。(4)燒結(jié) 把裝貼好銅箔的陶瓷基片放在專用燒結(jié)架上，置于鏈?zhǔn)綌?shù)控氮氣燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。本步驟中，燒結(jié)時間一般可控制在140-170分鐘，其溫度控制為在40-50分鐘內(nèi)，燒結(jié)溫度從室溫升至1065℃±5℃，最好為1065℃±2℃，保溫5-10分鐘，然后再降至室溫。本步驟中，燒結(jié)爐內(nèi)的高純氮氣中含有少量氧氣(約0.3％左右)，加熱階段，銅箔與氣體中的氧發(fā)生反應(yīng)，其中少部分氧溶解在銅中，大部分氧經(jīng)反應(yīng)生成Cu2O，當(dāng)達(dá)到最高溫度時，在銅箔與陶瓷基片界面形成液態(tài)Cu-O共晶薄層，這層共晶混合物浸潤氧化鋁陶瓷基片表面，冷卻后銅箔與陶瓷基片之間通過Cu2O-Cu結(jié)晶相高強度地直接焊接在一起。(5)化學(xué)鍍鎳 即用化學(xué)沉積鍍的方法在燒結(jié)銅箔表面鍍上一層鎳，厚度一般為1-8μm。鍍鎳的作用在于增加產(chǎn)品的可焊性，另外，由于在制作半導(dǎo)體溫差電制器時，須用270-350℃的焊料焊接元件，而銅原子在高溫下易向元件中擴散，從而影響元件的制冷性能，所以鎳層還起到將銅原子與制冷元件隔離的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝，其特征在于裝貼銅箔用的粘結(jié)劑組份按重量配比的配方如下聚乙稀醇 1甘油 0.6-0.9乙醇 03-05乙二醇0.03-0.08水2.5-3
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝，其特征在于燒結(jié)時間控制為140-170分鐘，溫度控制為在40-50分鐘內(nèi)，從室溫升至1065℃±5℃，保溫5-10分鐘，然后再降到室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝，其特征在于化學(xué)鍍鎳的鍍液成分如下成分 用量氯化鎳 75g/L次氬磷酸鈉 30-40g/L檸檬酸三鈉 110-130g/L氯化銨 70-80g/L氫氧化鈉 12-16g/L氨水 8-10g/LPH值 7.5。
全文摘要
本發(fā)明是一種半導(dǎo)體溫差電制冷器用的敷銅型陶瓷散熱基片的制造工藝。它是用機械加工方法先將銅箔按所需圖形加工好，然后用粘結(jié)劑和模具將其固定在陶瓷基片上，放入鏈?zhǔn)綌?shù)控氮氣爐中燒結(jié)而成。本發(fā)明的優(yōu)點銅箔與陶瓷之間界面薄，熱阻低，銅箔導(dǎo)電率高，損耗低；圖形邊緣整齊，工藝簡單且成本低，無污染，便于規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號F25B21/00GK1416182SQ0213760
公開日2003年5月7日 申請日期2002年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月24日
發(fā)明者李衛(wèi), 朱國, 許鴻林, 閻學(xué)秀, 范榮亮 申請人:上海利浦電子陶瓷廠