CN1042196A - 制造铜-炭纤维复合材料及功率半导体器件中支撑电极的方法 - Google Patents

制造铜-炭纤维复合材料及功率半导体器件中支撑电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜-炭纤维复合材料的复合新工艺和用铜-炭纤维复合材料制造功率半导体器件支撑电极的方法，复合工艺的特点是对多股炭纤维束连续镀铜，工艺过程简单，易控，成品率高。支撑电极的制造方法是将铜-炭纤维复合材料绕制成涡卷状，随后在还原性气氛中热压成片。工艺简便，成本低。用该片代替传统的钼片作支撑电极既克服了钼片易裂、分层、各向异性等缺点，又节省了大量的稀有金属钼，具有显著的经济效益。

Description

本发明涉及一种新的铜-炭纤维复合材料的制造工艺以及用这种铜-炭纤维复合材料制造功率半导体器件中支撑电极的方法。
目前，国内外制造铜-炭纤维复合材料的方法一般为液体渗透法、电沉积-热压法和粉末冶金法等。采用这些方法制成的复合材料使用局限性较大，即具有一定的适用范围，且其生产工艺过程复杂难控，产品质量不易保障。
在电子电气领域中广泛应用的功率半导体器件，其基本结构是硅晶片和铜极。由于硅晶片和铜极的热膨胀系数相差悬殊，所以通常采用热膨胀系数接近硅片的钼作为硅晶片和铜极之间焊接的过渡材料，即支撑电极。但钼为稀有金属，价格昂贵，作为支撑电极对钼片的纯度要求很高，且焊接工艺复杂，性能不易保证。
本发明的目的在于提供一种工艺过程简单易控的制造铜-炭纤维复合材料的新方法-炭纤维连续镀铜工艺和利用该方法制成的铜-炭纤维复合材料制造功率半导体器件中支撑电极的新工艺。
本发明的炭纤维连续镀铜工艺为对炭纤维束在焦磷酸盐电镀液中通过四对电极连续镀铜，其过程为对炭纤维束清洗-表面活化处理-电镀-清洗，所用炭纤维束一般为3～16股，每股为3000根。此工艺过程简单，易控，所得到的铜-炭纤维复合材料性能优良、稳定、可靠，适用范围广，成品率近99%。
本发明利用铜-炭纤维复合材料制造功率半导体器件中支撑电极的工艺为用装有φ1～1.5毫米的针作芯棒的绕线机将铜-炭纤维复合材料按涡卷状绕制，涡卷的外径为支撑电极成品的直径，厚度为成品厚度的3倍，绕制完后，将针芯棒抽出，再将该涡卷状铜-炭纤维复合材料在还原性气氛中热压，热压温度为550-750℃，热压压力为50～55兆帕，时间为30～45分钟，然后保压冷却至100～200℃卸压出炉，由此得到的支撑电极片其内炭纤维的走向为无芯涡卷状。这种用铜-炭纤维复合材料代替稀有金属钼片作支撑电极的工艺，过程简单，形成的薄片支撑电极电阻值低，电损耗小，同时不仅可节省大量的稀有金属钼，降低其成本（仅为钼片的三分之一），还克服了钼片加工过程中易出现裂纹、分层、变形、各向异性等缺点，具有显著的经济效益。
以下将结合附图详述本发明的实施例。
图1：炭纤维连续镀铜装置示意图。
图2：铜-炭纤维复合材料制成的涡卷状支撑电极局部剖面示意图。
一、炭纤维连续镀铜工艺。
图1也为电镀工艺流程图。图中1为炭纤维束，它在电镀液中为阴极，2为传动滚轮，3为清洗液，4为活化液，5为电镀液，6为清洗液，7为阳极，8为阳极，9为阳极，镀铜的工艺过程为：
a.将不上胶的3股炭纤维束1由电动机带动的传动滚轮2传送，经蒸馏水清洗液3清洗;b.将清洗过的炭纤维束1送入活化液4进行活化处理。活化液4为1～15%的氢氧化钠水溶液;C.将活化处理过的炭纤维束1送入电镀液5中进行镀铜。电镀液5为焦磷酸盐溶液，其成分和浓度为：焦磷酸铜50～60克/升，焦磷酸钾为200～300克/升，柠檬酸铵为20～30克/升。电镀过程中炭纤维束1要经过四对电极进行连续镀铜，即阳极7与炭纤维束1组成第一对电极，阳极8与炭纤维束1组成第二、第三对电极，阳极9与炭纤维束组成第四对电极，每对电极的电流需要分别控制。图1中由左至右，第一对电极阴极（即炭纤维束1）的电流密度为0.1安/分米2，第二、第三对电极共用一只电表，其阴极电流密度皆为0.5安/分米2，第四对电极阴极的电流密度为0.8安/分米2。阳极和阴极的面积之比为1∶1～2∶1。电镀液的温度为38～40℃，PH值为7～8，焦磷酸根（P2O7）4-与铜离子浓度之比为7∶1，炭纤维束的传送速度为180毫米/分钟，一般可在100～200毫米/分钟范围内选择;d.经过电镀工序后的铜-炭纤维复合材料即成复合原丝，再经蒸馏水清洗液6清洗;e.将此铜-炭纤维复合原丝在真空中烘干，烘干温度为100～200℃。至此，炭纤维连续镀铜工艺结束。每根炭纤维上都能均匀地镀上1微米厚的镀层。
二、制造支撑电极工艺。
将清洗、烘干后的铜-炭纤维复合原丝用装有φ1～1.5毫米的针作芯棒的绕线机绕制成涡卷状，绕成的涡卷的大小如前所述。绕制完后，收紧，并将针状芯棒抽出，然后热压成片状，即支撑电极片。热压在还原性气氛（如H2）中按前述的温度、压力进行，并保温30～45分钟，然后保压冷却至100～200℃后卸压出炉，即可得到无芯涡卷状铜-炭纤维复合材料支撑电极片成品，如图2所示。

Claims (5)

1、一种铜-炭纤维复合材料的复合工艺，其特征是对炭纤维束在焦磷酸盐电镀液中通过四对电极连续镀铜，其工艺过程为对炭纤维束清洗-表面活化处理-电镀-清洗。所用炭纤维束一般为3～16股。
2、按权利要求1所述的铜-炭纤维复合材料的复合工艺，其特征是电镀过程中每对电极的电流分别控制，第一对电极阴极电流密度为0.1安/分米2，第二和第三对电极共用一只电表，其阴极电流密度皆为0.5安/分米2，第四对电极阴极电流密度为0.8安/分米2。
3、按权利要求1所述的铜-炭纤维复合材料的复合工艺，其特征是电镀中所用的焦磷酸盐电镀液的成分和浓度为：焦磷酸铜50～60克/升，焦磷酸钾为200～300克/升，柠檬酸铵为20～30克/升，电镀液中焦磷酸根（P2O7）4与铜离子的浓度之比为7∶1，PH值为7～8，温度为38～40℃，阳极和阴极的面积之比为1∶1～2∶1，炭纤维束的传送速度为180毫米/分钟。
4、按权利要求1所述的铜-炭纤维复合材料的复合工艺，其特征是活化处理过程中所用的活化液为1～15%的氢氧化钠水溶液。
5、一种用铜-炭纤维复合材料制造功率半导体器件中支撑电极的工艺，其特征是：
（1）.用装有φ1～1.5毫米的针作芯棒的绕线机将铜-炭纤维复合材料绕制成涡卷状，涡卷的外径是支撑电极成品的直径，厚度是成品厚度的3倍，绕制完后将针芯棒抽出;
（2）.将绕制成的无芯铜-炭纤维涡卷在还原性气氛中热压，热压温度为550～750℃，压力为50～55兆帕，时间为30～45分钟，然后保压冷却至100～200℃后卸压出炉。
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