CN103194723A - 一种大功率晶闸管的改性钼基片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率晶闸管的改性钼基片及其制备方法。本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钼基片，包括平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm的金属钼片，其特征在于用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层。本发明的改性钼基片成品具有金属钼片与钌钼合金的结合强度高、重复性好和平整度高等优点。本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钼基片的制备方法，具体步骤包括表面预处理、钌钼固溶和退火处理，该制法实施简便、无环境污染产生，实用可靠。
Description
技术领域
本发明属于电子元件加工技术领域，特别涉及一种大功率晶闸管的改性钼基片及其制备方法。
背景技术
钼是一种稀有高熔点金属，不仅具有强度高，刚度大，抗磨损性能好等良好的机械性能，而且具有与硅相近的膨胀系数及良好的导热、导电性等物理化学性能，故常被用作晶闸管硅基片的支撑体——钼片，起着散热、保护芯片正常工作和提高电子元件使用寿命等作用。目前，大功率晶闸管被广泛的应用于机车牵引及传动、高压直流输电、大电流电源、工业传动等领域，这些领域对产品的质量要求特别高，因此，提高大功率晶闸管产品质量成为十分迫切的问题。
作为晶闸管硅基片的支撑体的钼片在高温下容易氧化，压降不稳定，严重影响了芯片的正常工作。为了克服这一缺陷，通常采用的方法有：一是在金属钼片表面镀覆金属钌膜，但存在金属钌膜镀覆层与金属钼片基体之间结合不牢、长期使用易起皮掉落和镀覆层使用寿命较短等问题；二是在金属钼片表面镀覆金属钌膜的基础上加热以提高金属钌膜与金属钼片之间的结合强度，但因没有摆脱金属钼片表面电镀金属钌膜的传统工艺，所以还不能从根本上解决金属钌膜镀覆层与金属钼片基体之间结合不牢的问题；三是在金属钼片表面镀覆多层金属钌膜来提高金属钌膜与金属钼片之间的结合强度，但又存在工艺复杂、难以控制和成品质量难以保障的问题。此外，常用的电镀金属钌膜的方法还存在电镀废液难以处理的环保问题。如何克服现有技术的不足已成为当今电子元件加工技术领域亟待解决的关键难题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种大功率晶闸管的改性钼基片及其制备方法，本发明提供大功率晶闸管的改性钼基片具有金属钼片与钌钼合金的结合强度高、重复性好和平整度高等优点，本发明提供的改性钼基片的制法实施简便、无环境污染产生，实用可靠。
根据本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钼基片，包括平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm的金属钼片，其特征在于用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层。本发明进一步的优选方案是：所述的钌钼合金渗层的厚度为0.2～0.5μm。
根据本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钼基片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，表面预处理：采用平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm的钼片，分别用丙酮、无水乙醇进行超声波各15min清洗后，再进行吹风干燥；
步骤二，钌钼固溶：将完成步骤一表面预处理的金属钼片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度大于99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层，该真空室中的真空度≤8×10-3pa，加速电压为30kv～80kv，金属钌离子束的入射角度为0°～45°，金属钌离子源注入剂量为0.5×1017～1×1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为15μA～30μA；
步骤三，退火处理：对完成步骤二钌钼固溶后的金属钼片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钼基片成品，该退火处理采用氩气为退火保护气、退火温度为650℃～700℃、退火时间为15min～30min。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明的改性钼基片是在金属钌离子与在金属钼片表面发生固溶，由此形成一层厚度为0.2～0.5μm的钌钼合金渗层，该钌钼合金渗层与金属钼片基体之间无界面。二是钌钼合金渗层与金属钼片基体之间结合强度高，附着性好，粘附不破裂和不剥落，彻底解决了传统的电镀钌膜覆层与金属钼片基体结合不牢靠的问题。三是改性后的钼基片表面无变形，能够保持原有金属钼片尺寸精度和表面粗糙度，即平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm。四是本发明的制备方法具有成品率高、重复性好等优点，且无污染环境，符合环保要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
根据本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钼基片，是采用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层而制得。本发明的改性钼基片的制备方法包括如下步骤：
步骤一，表面预处理：采用平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm的钼片，分别用丙酮、无水乙醇进行超声波各15min清洗后，再进行吹风干燥；
步骤二，钌钼固溶：将完成步骤一表面预处理的金属钼片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度大于99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层，该真空室中的真空度≤8×10-3pa，加速电压为30kv～80kv，金属钌离子束的入射角度为0°～45°，金属钌离子源注入剂量为0.5×1017～1×1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为15μA～30μA；该真空室中的最佳工艺条件是：真空度为4×10-3pa、加速电压为50kv、金属钌离子束的入射角度30°、金属钌离子源注入剂量为0.8×1017ions/cm2和金属钌离子束流密度为20μA；
步骤三，退火处理：对完成步骤二钌钼固溶的金属钼片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钼基片成品，该退火处理采用氩气为退火保护气、退火温度为650℃～700℃、退火时间为15min～30min。
实施例1，以制得5英寸圆形大功率晶闸管的改性钼基片为例，具体步骤如下：
步骤一，表面预处理：采用平面度4μm、平行度10μm和表面粗糙度0.3μm，直径为5英寸的圆形金属钼片分别用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗各15min后，吹风干燥，以备与金属钌离子固溶；
步骤二，钌钼固溶：将完成步骤一表面预处理的金属钼片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度为99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层，该真空室中的真空度4×10-3pa，加速电压为30kv，金属钌离子束的入射角度为0°，金属钌离子源注入剂量为0.5×1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为15μA；
步骤三，退火处理：对完成步骤二钌钼固溶后的金属钼片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钼基片成品，该退火处理采用氩气作为退火保护气、退火温度为650℃、退火时间为15min。
改性钼基片成品检测：测得该钌钼合金渗层厚度0.2μm，钌钼合金渗层与金属钼片基体之间无界面，退火处理后金属钼片保持原有的尺寸精度，平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm，满足大功率晶闸管用金属钼片的技术要求。
实施例2，以制得6英寸圆形大功率晶闸管的改性钼基片为例，具体步骤如下：
步骤一，表面预处理：采用平面度4μm、平行度10μm和表面粗糙度0.3μm，直径为6英寸的圆形金属钼片分别用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗各15min后，吹风干燥，以备与金属钌离子固溶；
步骤二，钌钼固溶：将完成步骤一表面预处理的金属钼片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度为99.5%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层，该真空室中的真空度为4×10-3pa，加速电压为50kv，金属钌离子束的入射角度为30°，金属钌离子源注入剂量为0.8×1017ions/cm2，金属钌离子束流密度20μA；
步骤三，退火处理：对完成步骤二钌钼固溶后的金属钼片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钼基片成品，该退火处理采用氩气作为退火保护气、退火温度为675℃、退火时间为20min。
改性钼基片成品检测：测得该钌钼合金渗层厚度0.35μm，钌钼合金渗层与金属钼片基体之间无界面，退火处理后金属钼片保持原有的尺寸精度，平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm，满足大功率晶闸管用金属钼片的技术要求。
实施例3，以制得4英寸圆形大功率晶闸管的改性钼基片为例，具体步骤如下：
步骤一，表面预处理：采用平面度4μm、平行度9μm和表面粗糙度0.25μm，直径为4英寸的圆形金属钼片分别用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗各15min后，吹风干燥，以备与金属钌离子固溶；
步骤二，钌钼固溶：将完成步骤一表面预处理的金属钼片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度为99.9%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层，该真空室中的真空度为4×10-3pa，加速电压为80kv，金属钌离子束的入射角度为45°，金属钌离子源注入剂量为1×1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为30μA；
步骤三，退火处理：对完成步骤二钌钼固溶后的金属钼片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钼基片成品，该退火处理采用氩气作为退火保护气、退火温度为700℃、退火时间为30min。
改性钼基片成品检测：测得该钌钼合金渗层厚度0.5μm，钌钼合金渗层与金属钼片基体之间无界面，退火处理后金属钼片保持原有的尺寸精度，平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm，满足大功率晶闸管用金属钼片的技术要求。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种大功率晶闸管的改性钼基片，包括平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm的金属钼片，其特征在于用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层。
2.根据权利要求1所述的改性钼基片，其特征在于钌合金渗层的厚度为0.2～0.5μm。
3.如权利要求1或2所述的大功率晶闸管的改性钼基片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，表面预处理：采用平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm的金属钼片，分别用丙酮、无水乙醇进行超声波各15min清洗后，再进行吹风干燥；
步骤二，钌钼固溶：将完成步骤一表面预处理的金属钼片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度大于99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层，该真空室中的真空度≤8×10-3pa，加速电压为30kv～80kv，金属钌离子束的入射角度为0°～45°，金属钌离子源注入剂量为0.5×1017～1×1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为15μA～30μA；
步骤三，退火处理：对完成步骤二钌钼固溶后的金属钼片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钼基片成品，该退火处理采用氩气为退火保护气、退火温度为650℃～700℃、退火时间为15min～30min。
4.根据权利要求3所述的大功率晶闸管的改性钼基片的制备方法，其特征在于步骤二的钌钼固溶中，该真空室中的真空度为4×10-3pa、加速电压为50kv、金属钌离子束的入射角度为30°、金属钌离子源注入剂量为0.8×1017ions/cm2和金属钌离子束流密度为20μA。
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