CN111755400A - 散热元件及其制备方法和igbt模组 - Google Patents

散热元件及其制备方法和igbt模组 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种散热元件及其制备方法和IGBT模组，该散热元件包括铝碳化硅基板(1)和通过焊层(2)连接在所述铝碳化硅基板(1)上的铜柱(3)，所述铜柱(3)具有未与所述焊层(2)连接的第一表面和与所述焊层(2)连接的第二表面，所述第一表面上具有第一镀镍层(4)，所述铝碳化硅基板(1)的表面具有第二镀镍层(5)，以所述铜柱(3)的第二表面的表面积为基准，所述铜柱(3)与铝碳化硅基板(1)之间的结合力为9～33N/mm2，以所述铜柱(3)的总表面积为基准，所述铜柱(3)的第二表面的氧化物含量为0.05～0.18g/m2。本公开的散热元件具有较高的强度，且散热性能更好。

Description

散热元件及其制备方法和IGBT模组
技术领域
本公开涉及一种散热元件及其制备方法和IGBT模组。
背景技术
铝碳化硅AlSiC是一种颗粒增强金属基复合材料，采用Al合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能，在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等的封装散热材料领域广泛应用。
中国发明专利申请CN201510638985.5公开了一种具有铝柱的铝碳化硅板的制备方法，主要通过将铝铸件正面压入型砂中，通过感应加热将铝铸件加热至熔融，将铝碳化硅板按压在所述熔融的铝上，然后冷却以使所述铝碳化硅板与铝柱结合为一体，得到带铝质散热柱的铝碳化硅散热板。其缺陷是铝柱与铝碳化硅间的结合力较低，难以满足产品的使用需求，且铝柱的传热性能较差。
发明内容
本公开的目的是提供一种散热元件及其制备方法和IGBT模组，该散热元件具有较高的强度，且散热性能更好。
为了实现上述目的，本公开第一方面：提供一种散热元件，包括铝碳化硅基板和通过焊层连接在所述铝碳化硅基板上的铜柱，所述铜柱具有未与所述焊层连接的第一表面和与所述焊层连接的第二表面，所述第一表面上具有第一镀镍层，所述铝碳化硅基板的表面具有第二镀镍层，以所述铜柱的第二表面的表面积为基准，所述铜柱与铝碳化硅基板之间的结合力为9～33N/mm2，以所述铜柱的总表面积为基准，所述铜柱的第二表面的氧化物含量为0.05～0.18g/m2。
可选地，以所述铜柱的第二表面的表面积为基准，所述铜柱与铝碳化硅基板之间的结合力为16～24N/mm2，以所述铜柱的总表面积为基准，所述铜柱的第二表面的氧化物含量为0.090～0.095g/m2。
可选地，所述第一镀镍层的厚度为5～8μm；所述第二镀镍层的厚度为5～13μm。
可选地，所述焊层为铅层、锡层、银层或锑层，或者它们中的两种或三种形成的复合金属层，所述焊层的厚度为0.08～0.20mm。
本公开第二方面：提供制备本公开第一方面所述的散热元件的方法，该方法包括以下步骤：
a、将铜柱进行镀镍处理后得到所述第一表面和所述第二表面分别具有镀镍层的铜柱，将所述第二表面上的镀镍层去除，得到所述具有第一镀镍层的铜柱；
b、对步骤a得到的所述具有第一镀镍层的铜柱的第二表面进行化学清洗处理和化学保护处理，得到化学处理后的铜柱；
c、将铝碳化硅基板进行镀镍处理，得到具有第二镀镍层的铝碳化硅基板，通过焊片将步骤b得到的所述化学处理后的铜柱焊接于所述具有第二镀镍层的铝碳化硅基板上，所述化学处理后的铜柱的第二表面贴合所述焊片。
可选地，步骤b中，所述化学清洗处理包括：在70～90℃下，采用碱性化学清洗剂对所述具有第一镀镍层的铜柱的第二表面进行超声清洗10～20min，然后用清水冲洗，再用酸溶液对所述第二表面进行冲洗1～10min。
可选地，所述碱性化学清洗剂含有氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠或十二烷基硫酸钠，或者它们中的两种或三种的组合；
所述酸溶液为硫酸溶液、盐酸溶液或柠檬酸溶液，或者它们中的两种或三种的组合。
可选地，所述碱性化学清洗剂含有氢氧化钠、碳酸钠和磷酸钠，所述氢氧化钠的浓度为14～16g/L，所述碳酸钠的浓度为18～25g/L，所述磷酸钠的浓度为8～10g/L；
所述酸溶液的浓度为5～8重量％。
可选地，步骤b中，所述化学保护处理包括：在20～30℃下，将经过化学清洗处理后的铜柱的所述第二表面与铜保护剂接触2～5min，然后用清水冲洗，再在50～60℃下烘干。
可选地，所述铜保护剂为含有苯并三氮唑的醇溶液、BCu-10保护剂或二巯基苯并噻唑保护剂；所述铜保护剂的浓度为1～10g/L。
可选地，该方法还包括：步骤c中，进行所述焊接前，将焊接设备内的真空度降低至10pa以下。
可选地，该方法还包括：步骤c中，所述焊接包括第一阶段和第二阶段，所述第一阶段在保护气体的存在下进行，所述第二阶段在还原性气体的存在下进行；所述保护气体为氮气、氩气或氦气，所述还原性气体为甲酸气体或氢气。
可选地，所述第一阶段的条件包括：温度为25～60℃，时间为240～400s，压力为50～80Kpa；
所述第二阶段的条件包括：温度为280～320℃，时间为80～240s，压力为50～80Kpa。
本公开第三方面：提供一种IGBT模组，该IGBT模组包括IGBT电路板和本公开第一方面所述的散热元件。
通过上述技术方案，本公开采用铜柱作为散热柱，较传统的铝柱具有更为优异的散热性能；同时，铜柱的非焊接面具有镀镍层，而焊接面不具有镀镍层，且铜柱表面的氧化物含量较低，增大了铜柱与铝碳化硅基板之间的结合力，使本公开的散热元件具有较高的强度。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开的散热元件的一种具体实施方式的结构示意图。
图2是本公开的散热元件中铝碳化硅基板的一种具体实施方式的结构示意图。
图3是本公开的方法中焊接前的组装焊接组装体的顺序示意图。
图4是组装好的焊接组装体的结构示意图。
图5是本公开的方法中所使用的焊接设备的一种具体实施方式的结构示意图。
图6是图5的焊接设备中的加热/冷却装置12的结构示意图。
图7是组装体的脱模示意图。
图8是本公开的散热元件的一种具体实施方式中，具有第一镀镍层4的铜柱3的结构示意图。
附图标记说明
1 铝碳化硅基板 2 焊层
3 铜柱 4 第一镀镍层
5 第二镀镍层 6 碳化硅
7 铝 8 焊片
9 定位治具 10 焊接组装体
11 焊接炉 12 加热/冷却装置
13 盖板 14 气体入口
15 抽真空口 16 加热块
17 加热管 18 冷却水管
19 冷却水入口 20 冷却水出口
21 散热元件
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指设备或配件在正常工作或使用状态下的上和下，“内、外”针对结构本身的轮廓而言的。
本公开第一方面：提供一种散热元件，参考图1，包括铝碳化硅基板1和通过焊层2连接在所述铝碳化硅基板1上的铜柱3，所述铜柱3具有未与所述焊层2连接的第一表面和与所述焊层2连接的第二表面，所述第一表面上具有第一镀镍层4，所述铝碳化硅基板1的表面具有第二镀镍层5，以所述铜柱3的第二表面的表面积为基准，所述铜柱3与铝碳化硅基板1之间的结合力为9～33N/mm2，以所述铜柱3的总表面积为基准，所述铜柱3的第二表面的氧化物含量为0.05～0.18g/m2。其中所述总表面积为所述第一表面和第二表面的表面积之和。
本公开采用铜柱作为散热柱，较传统的铝柱具有更为优异的散热性能；铜柱的非焊接面具有镀镍层，而焊接面不具有镀镍层，且铜柱表面的氧化物含量较低，这样能够在焊接时增大铜柱与铝碳化硅基板之间的结合力，显著提高散热元件的强度。
根据本公开，所述铜柱3的第二表面的氧化物含量对铜柱3与铝碳化硅基板1之间的结合力具有一定影响，优选地，以所述铜柱3的第二表面的表面积为基准，所述铜柱3与铝碳化硅基板1之间的结合力为16～24N/mm2，以所述铜柱3的总表面积为基准，所述铜柱3的第二表面的氧化物含量为0.090～0.095g/m2。
根据本公开，所述铜柱3具有未与所述焊层2连接的第一表面和与所述焊层2连接的第二表面，即所述第一表面为非焊接面，所述第二表面为焊接面，其中焊接面是指铜柱3与铝碳化硅基板1焊接时焊接接触的表面。所述第一表面上具有第一镀镍层4，参考图1和图8，所述第二表面上不具有镀镍层，即所述第二表面(裸露的金属铜)直接通过焊层2与铝碳化硅基板1连接。所述第一镀镍层4的厚度可以为5～8μm。
根据本公开，所述铜柱3的形状没有特别要求，例如可以为一端通过焊层2连接于铝碳化硅基板1、另一端为自由端的柱状体，在本公开的一种具体实施方式中，所述铜柱3可以形成为圆柱体或圆台体。在本公开的其他实施方式中，铜柱3可以为棱柱体如三棱柱、四棱柱或五棱柱等。所述铜柱3的个数不限，可以为一个或多个，为了提高散热效果，优选为多个铜柱3，所述多个铜柱3可以平行间隔地通过焊层2连接在铝碳化硅基板1上。铜柱3的个数和分布形式没有特别限制，可以根据散热面积和产品重量要求进行选择，例如，铜柱3的数量可以为350～1100个，多个铜柱3中，相邻两个铜柱3的距离可以为4.15～5.95mm，其中相邻两个铜柱3的距离是指柱心间距，即相邻两个铜柱3底面中心的间距。多个铜柱3的形状可以相同或不同，优选相同以便制备。
根据本公开，铝碳化硅基板1可以为本领域技术人员所熟知的，例如由内部的碳化硅6及其表面的铝层7组成。本公开中，参考图2，所述铝碳化硅基板1的表面具有第二镀镍层5，即第二镀镍层5包裹在铝层7的外部，这样能够使得焊层2与铝碳化硅基板1的铝层7之间牢固结合，提高散热元件的强度。所述第二镀镍层5的厚度可以为5～13μm。
根据本公开，所述焊层2是用于连接铝碳化硅基板1和铜柱3的焊片在进行焊接后所形成的，根据所选择的焊片种类，所述焊层可以为铅层、锡层、银层或锑层，或者它们中的两种或三种形成的复合金属层，所述焊层2的厚度可以在较大范围内变化，例如可以为0.08～0.20mm。
本公开第二方面：提供制备本公开第一方面所述的散热元件的方法，该方法包括以下步骤：
a、将铜柱进行镀镍处理后得到所述第一表面和所述第二表面分别具有镀镍层的铜柱，将所述第二表面上的镀镍层去除，得到所述具有第一镀镍层4的铜柱；
b、对步骤a得到的所述具有第一镀镍层4的铜柱的第二表面进行化学清洗处理和化学保护处理，得到化学处理后的铜柱；
c、将铝碳化硅基板进行镀镍处理，得到具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板，通过焊片将步骤b得到的所述化学处理后的铜柱焊接于所述具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板上，所述化学处理后的铜柱的第二表面贴合所述焊片。
根据本公开，步骤a中，所述镀镍处理可以为本领域技术人员熟知的。将铜柱进行镀镍处理后，可以得到所述第一表面和所述第二表面分别具有镀镍层的铜柱，而所述第二表面上的镀镍层将影响铜柱和铝碳化硅基板间的结合力，需将其去除，从而得到仅第一表面上具有第一镀镍层4的铜柱。去除镀镍层的方法可以为本领域常规的，例如可以通过砂纸打磨、数控车床打磨或激光雕刻等方式去除镀镍层。
根据本公开，步骤b中，通过对铜柱进行化学清洗处理和化学保护处理，能够使铜柱表面的氧化物含量降至较低水平，即以所述铜柱3的总表面积为基准，所述铜柱3表面的氧化物含量为0.05～0.18g/m2优选为0.090～0.095g/m2，从而提高与铝碳化硅基板之间的结合力。所述化学清洗处理和化学保护处理可以为能够实现上述目的的任意过程。
根据本公开的一种具体实施方式，步骤b中，所述化学清洗处理可以包括：在70～90℃下，采用碱性化学清洗剂对所述具有第一镀镍层4的铜柱的第二表面进行超声清洗10～20min，然后用清水冲洗，再用酸溶液对所述第二表面进行冲洗1～10min。
进一步地，所述碱性化学清洗剂可以含有氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠或十二烷基硫酸钠，或者它们中的两种或三种的组合。在本公开的一种优选的实施方式中，所述碱性化学清洗剂含有氢氧化钠、碳酸钠和磷酸钠，其中，所述氢氧化钠的浓度可以为14～16g/L，所述碳酸钠的浓度可以为18～25g/L，所述磷酸钠的浓度可以为8～10g/L，采用上述碱性化学清洗剂有利于控制铜柱表面氧化物的含量，从而进一步提高铜柱与铝碳化硅基板之间的结合力。所述碱性化学清洗剂的用量没有特殊的限制。
进一步地，所述酸溶液可以为常见的无机酸溶液，例如可以为硫酸溶液、盐酸溶液或柠檬酸溶液。进一步地，所述酸溶液的浓度可以为5～8重量％。所述酸溶液的用量没有特殊的限制。
根据本公开的一种具体实施方式，所述化学保护处理可以包括：在20～30℃下，将经过化学清洗处理后的铜柱的所述第二表面与铜保护剂接触2～5min，然后用清水冲洗，再在50～60℃下烘干。
进一步地，所述铜保护剂可以为本领域常规用于对金属铜进行抗氧化保护的试剂，例如可以为含有苯并三氮唑的醇溶液、BCu-10保护剂或二巯基苯并噻唑保护剂。更进一步地，所述铜保护剂的浓度可以为1～10g/L。所述铜保护剂的用量没有特殊的限制。
根据本公开，步骤c中，所述镀镍处理可以为本领域技术人员熟知的。对铝碳化硅基板进行镀镍处理后参考图3组装所述焊接组装体，先将焊片8铺覆在铝碳化硅基板1上，然后可以通过定位治具9将所述具有第一镀镍层4的铜柱3立置于焊片8上，即将铜柱3的第二表面(即露出铜材质的一面)面向焊片8，装入定位治具9中，所述第二表面贴合所述焊片，得到焊接组装体10，如图4所示。
根据本公开，步骤c中，所述焊接可以在本领域常规用于进行钎焊的设备中进行。为了避免铜柱在焊接设备内发生氧化，该方法还可以包括：步骤c中，进行所述焊接前，将焊接设备内的真空度降低至10pa以下。即，将上述焊接组装体置入焊接设备内并将所述焊接设备内的真空度降低至10pa以下，然后进行所述焊接。
根据本公开，为了进一步避免铜柱发生氧化而降低与铝碳化硅基板的结合力，该方法还可以包括：步骤c中，所述焊接包括第一阶段和第二阶段，所述第一阶段在保护气体的存在下进行，所述第二阶段在还原性气体的存在下进行；所述保护气体为氮气、氩气或氦气，所述还原性气体为甲酸气体或氢气。这样，先利用保护气体避免铜柱发生氧化，然后再用还原性气体还原在焊接过程中因高温被部分氧化的铜柱和铝碳化硅基板，从而使焊接更为牢固。进一步地，所述第一阶段的条件可以包括：温度为25～60℃，时间为240～400s，压力为50～80Kpa；所述第二阶段的条件可以包括：温度为280～320℃，时间为80～240s，压力为50～80Kpa。所述第一阶段完成后，可对所述焊接设备内抽真空，然后再进行所述第二阶段。
例如，在本公开的一种的具体实施方式中，可以采用如图5所示的焊接设备进行焊接，将焊接组装体10整体置入焊接炉11内的加热/冷却装置12上，盖上盖板13，准备进行焊接。其中，加热/冷却装置12的结构图如图6所示，由加热块16、加热管17及冷却水管18构成，加热管17均匀分布于加热块16内部，使加热块16可均匀升温，冷却水管18分布于加热管17之间，冷却水由冷却水入口19进入冷却水管18，在加热快16内部进行热交换后从冷却水出口20流出，实现加热块16的快速降温。加热/冷却装置12固定于焊接炉21的内部，焊接时，将焊接组装体10放置于加热块16上部。焊接前，先由真空泵通过焊接炉11的抽真空口15将焊接炉抽真空，将炉内的真空度降低至10pa以下，然后接通加热管17的电源，开始对加热块16进行加热。同时，从焊接炉11的气体入口14充入保护气体对炉内的焊接组装体进行气氛保护，防止焊接组装体被氧化，待焊接组装体的温度上升至焊片融化所需温度后保温一定时间进行第一阶段的焊接，第一阶段完成后，再次由真空泵通过焊接炉11的抽真空口15将焊接炉抽真空，将炉内的真空度降低至10pa以下，再从气体入口14充入还原性气体，进行第二阶段的焊接。焊接完成后关闭加热管17的电源，打开冷却水阀门，对加热块16进行冷却，待加热块16的温度降至60℃以后，即可打开盖板13，取出组装体。然后参考图7进行脱模，取走定位治具9后即可得到目标产品散热元件21。
本公开利用钎焊工艺，在明显低于现有技术所用的温度下，实现了铜柱与铝碳化硅基板的牢固连接，所制备的散热元件具有较高的强度，且散热性能更好。
本公开第三方面：提供一种IGBT模组，该IGBT模组包括IGBT电路板和本公开第一方面所述的散热元件。
以下通过实施例进一步详细说明本公开，以下实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
实施例1
将直径为4.18mm、轴线高度为8mm的铜柱在85℃条件下进行镀镍处理，得到具有镀镍层的铜柱，通过砂纸打磨将铜柱一个端面(即第二表面)的镀镍层去除，得到具有第一镀镍层4的铜柱(如图8)，第一镀镍层的厚度为8μm。
在80℃下，采用由氢氧化钠(浓度为15g/L)、碳酸钠(浓度为20g/L)和磷酸钠(浓度为10g/L)组成的碱性化学清洗剂对上述得到的具有第一镀镍层的铜柱的第二表面进行超声清洗15min，然后用清水冲洗，再用浓度为5重量％的硫酸溶液对所述第二表面进行冲洗5min，去除铜柱表面氧化层。然后在30℃下，将含有苯并三氮唑(浓度为5g/L)的乙醇溶液与经过化学处理后的铜柱的所述第二表面接触5min，然后用清水冲洗，再在60℃下烘干，得到化学处理后的铜柱。
将铝碳化硅基板在85℃条件下进行镀镍处理，得到具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板，第二镀镍层的厚度为8μm。
按照图3所示，将PbSn(5)Ag(1.5)焊片8(购自浦发成型焊片(常州)有限公司)铺覆于上述具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板上，再将定位治具9扣合在焊片8上，将上述铜柱3的第二表面(即露出铜材质的一面)面向焊片8，装入定位治具9中，得到焊接组装体10，将所述焊接组装体置入如图5所示的焊接设备炉内的加热/冷却装置12上，盖上盖板13，由真空泵通过焊接炉11的抽真空口15将焊接炉抽真空，将炉内的真空度降低至10pa以下，然后接通加热管17的电源，开始对加热块16进行加热。同时，从焊接炉11的气体入口14充入保护气体氮气对炉内的焊接组装体进行气氛保护，防止焊接组装体被氧化，焊接炉内的保护气体压力达到80Kpa后停止充气。待焊接组装体的温度上升至60℃后，在80Kpa保温240s进行第一阶段焊接，然后由抽真空口15再对焊接炉抽真空，将炉内的真空度降低至10pa以下，从气体入口14充入甲酸气体，在320℃，80Kpa下保温240s进行第二阶段的焊接，使焊片充分渗透到铜柱3及铝碳化硅基板1中。焊接完成后关闭加热管17的电源，打开冷却水阀门，对加热块16进行冷却，待加热块16的温度降至60℃以后，即可打开盖板13，取出组装体。然后参考图7进行脱模，取走定位治具9后即可得到目标产品散热元件。
实施例2
按照实施例1的方法制备散热元件，区别在于，碱性化学清洗剂由氢氧化钠(浓度为10g/L)、碳酸钠(浓度为15g/L)和磷酸钠(浓度为15g/L)组成，铜保护剂为含有苯并三氮唑(浓度为0.5g/L)的乙醇溶液。
实施例3
按照实施例1的方法制备散热元件，区别在于，碱性化学清洗剂由氢氧化钠(浓度为15g/L)、碳酸钠(浓度为20g/L)和十二烷基硫酸钠(浓度为10g/L)组成，铜保护剂为自制的含有15重量％胺类、20重量％醇类及20重量％非离子表面活性剂BCu-10保护剂。
实施例4
按照实施例1的方法制备散热元件，区别在于，化学清洗处理和化学保护处理的操作为：在60℃下，采用由氢氧化钠(浓度为15g/L)、碳酸钠(浓度为20g/L)和磷酸钠(浓度为10g/L)组成的碱性化学清洗剂对上述得到的具有第一镀镍层的铜柱的第二表面进行超声清洗5min，然后用清水冲洗，再用浓度为5重量％的硫酸溶液对所述第二表面进行冲洗15min，去除铜柱表面氧化层。然后在40℃下，将含有苯并三氮唑(浓度为5g/L)的乙醇溶液与经过化学处理后的铜柱的所述第二表面接触1min，然后用清水冲洗，再在60℃下烘干，得到铜柱。
实施例5
按照实施例1的方法制备散热元件，区别在于，第一焊接阶段采用氦气作为保护气体，条件为：温度为40℃，时间为320s，压力为60Kpa；第二焊接阶段采用氢气作为还原性气体，条件为：温度为280℃，时间为120s，压力为60Kpa。
实施例6
按照实施例1的方法制备散热元件，区别在于，第一焊接阶段采用氮气作为保护气体，条件为：温度为70℃，时间为200s，压力为100Kpa；第二焊接阶段采用甲酸气体作为还原性气体，条件为：温度为350℃，时间为300s，压力为100Kpa。
实施例7
将直径为4.18mm、轴线高度为8mm的铜柱在85℃条件下进行镀镍处理，得到具有镀镍层的铜柱，通过砂纸打磨将铜柱一个端面(即第二表面)的镀镍层去除，得到具有第一镀镍层4的铜柱(如图8)，第一镀镍层的厚度为8μm。
在80℃下，采用由氢氧化钠(浓度为15g/L)、碳酸钠(浓度为20g/L)和磷酸钠(浓度为10g/L)组成的碱性化学清洗剂对上述得到的具有第一镀镍层的铜柱的第二表面进行超声清洗15min，然后用清水冲洗，再用浓度为5重量％的硫酸溶液对所述第二表面进行冲洗5min，去除铜柱表面氧化层。然后在30℃下，将含有苯并三氮唑(浓度为5g/L)的乙醇溶液与经过化学处理后的铜柱的所述第二表面接触5min，然后用清水冲洗，再在60℃下烘干，得到化学处理后的铜柱。
将铝碳化硅基板在85℃条件下进行镀镍处理，得到具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板，第二镀镍层的厚度为8μm。
按照图3所示，将PbSn(5)Ag(1.5)焊片8(购自浦发成型焊片(常州)有限公司)铺覆于上述具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板上，再将定位治具9扣合在焊片8上，将上述铜柱3的第二表面(即露出铜材质的一面)面向焊片8，装入定位治具9中，得到焊接组装体10，将所述焊接组装体置入如图5所示的焊接设备炉内的加热/冷却装置12上，盖上盖板13，由真空泵通过焊接炉11的抽真空口15将焊接炉抽真空，将炉内的真空度降低至10pa以下，然后接通加热管17的电源，开始对加热块16进行加热。待焊接组装体的温度上升至320℃后，保温240s进行焊接，使焊片充分渗透到铜柱3及铝碳化硅基板1中。焊接完成后关闭加热管17的电源，打开冷却水阀门，对加热块16进行冷却，待加热块16的温度降至60℃以后，即可打开盖板13，取出组装体。然后参考图7进行脱模，取走定位治具9后即可得到目标产品散热元件。
对比例1
按照实施例1的方法制备散热元件，区别在于，不对铜柱进行化学清洗处理和化学保护处理。具体步骤为：
将直径为4.18mm、轴线高度为8mm的铜柱在85℃条件下进行镀镍处理，得到具有镀镍层的铜柱，通过砂纸打磨将铜柱一个端面(即第二表面)的镀镍层去除，得到具有第一镀镍层4的铜柱(如图8)，第一镀镍层的厚度为8μm。
将铝碳化硅基板在85℃条件下进行镀镍处理，得到具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板，第二镀镍层的厚度为8μm。
按照图3所示，将PbSn(5)Ag(1.5)焊片8(购自浦发成型焊片(常州)有限公司)铺覆于上述具有第二镀镍层5的铝碳化硅基板上，再将定位治具9扣合在焊片8上，将上述铜柱的第二表面(即露出铜材质的一面)面向焊片8，装入定位治具9中，得到焊接组装体10，将所述焊接组装体置入如图5所示的焊接设备炉内的加热/冷却装置12上，盖上盖板13，由真空泵通过焊接炉11的抽真空口15将焊接炉抽真空，将炉内的真空度降低至10pa以下，然后接通加热管17的电源，开始对加热块16进行加热。同时，从焊接炉11的气体入口14充入保护气体对炉内的焊接组装体进行气氛保护，防止焊接组装体被氧化，焊接炉内的保护气体压力达到80Kpa后停止充气。待焊接组装体的温度上升至60℃后，在80Kpa保温240s进行第一阶段焊接，然后由抽真空口15再对焊接炉抽真空，将炉内的真空度降低至10pa以下，从气体入口14充入甲酸气体，在320℃，80Kpa下保温240s进行第二阶段的焊接，使焊片充分渗透到铜柱3及铝碳化硅基板1中。焊接完成后关闭加热管17的电源，打开冷却水阀门，对加热块16进行冷却，待加热块16的温度降至60℃以后，即可打开盖板13，取出组装体。然后参考图7进行脱模，取走定位治具9后即可得到目标产品散热元件。
测试实施例
测试实施例和对比例中制备的散热元件的铜柱表面的氧化物含量、铜柱与铝碳化硅基板之间的结合力以及散热元件的散热性能，结果列于表1。
铜柱表面的氧化物含量采用氧氮氢分析仪，按照GB/T 5121.8-2008铜及铜合金化学分析方法第8部分：氧含量的测定及GB/T 14265-2017金属中氢、氧、氮、碳和硫分析方法通则进行测定。
铜柱与铝碳化硅基板之间的结合力采用万能材料试验机，按照《GB/T 228.1-2010，金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行测定。
散热元件散热性能的测试方法为：在散热原件的背面焊接功能芯片，对芯片施加750V电压，并将散热柱全部浸没在冷却水中，冷却水流量8L/min，冷却水温度55℃，持续300s，采用TiX500Fluke红外热像仪测试功能芯片的最高温度(最高温度越低，表明散热原件的散热能力越好)。
表1
Figure BDA0002012907180000151
由表1可见，采用本公开的方法制备的散热元件的铜柱与铝碳化硅基板之间具有更高的结合力，且散热性能更好。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (14)

1.一种散热元件，其特征在于，包括铝碳化硅基板(1)和通过焊层(2)连接在所述铝碳化硅基板(1)上的铜柱(3)，所述铜柱(3)具有未与所述焊层(2)连接的第一表面和与所述焊层(2)连接的第二表面，所述第一表面上具有第一镀镍层(4)，所述铝碳化硅基板(1)的表面具有第二镀镍层(5)，以所述铜柱(3)的第二表面的表面积为基准，所述铜柱(3)与铝碳化硅基板(1)之间的结合力为9～33N/mm2，以所述铜柱(3)的总表面积为基准，所述铜柱(3)的第二表面的氧化物含量为0.05～0.18g/m2。
2.根据权利要求1所述的散热元件，其中，以所述铜柱(3)的第二表面的表面积为基准，所述铜柱(3)与铝碳化硅基板(1)之间的结合力为16～24N/mm2，以所述铜柱(3)的总表面积为基准，所述铜柱(3)的第二表面的氧化物含量为0.090～0.095g/m2。
3.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述第一镀镍层(4)的厚度为5～8μm；所述第二镀镍层(5)的厚度为5～13μm。
4.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述焊层(2)为铅层、锡层、银层或锑层，或者它们中的两种或三种形成的复合金属层，所述焊层(2)的厚度为0.08～0.20mm。
5.制备权利要求1～4中任意一项所述的散热元件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、将铜柱进行镀镍处理后得到所述第一表面和所述第二表面分别具有镀镍层的铜柱，将所述第二表面上的镀镍层去除，得到所述具有第一镀镍层(4)的铜柱；
b、对步骤a得到的所述具有第一镀镍层(4)的铜柱的第二表面进行化学清洗处理和化学保护处理，得到化学处理后的铜柱；
c、将铝碳化硅基板进行镀镍处理，得到具有第二镀镍层(5)的铝碳化硅基板，通过焊片将步骤b得到的所述化学处理后的铜柱焊接于所述具有第二镀镍层(5)的铝碳化硅基板上，所述化学处理后的铜柱的第二表面贴合所述焊片。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤b中，所述化学清洗处理包括：在70～90℃下，采用碱性化学清洗剂对所述具有第一镀镍层(4)的铜柱的第二表面进行超声清洗10～20min，然后用清水冲洗，再用酸溶液对所述第二表面进行冲洗1～10min。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述碱性化学清洗剂含有氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠或十二烷基硫酸钠，或者它们中的两种或三种的组合；
所述酸溶液为硫酸溶液、盐酸溶液或柠檬酸溶液，或者它们中的两种或三种的组合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述碱性化学清洗剂含有氢氧化钠、碳酸钠和磷酸钠，所述氢氧化钠的浓度为14～16g/L，所述碳酸钠的浓度为18～25g/L，所述磷酸钠的浓度为8～10g/L；
所述酸溶液的浓度为5～8重量％。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤b中，所述化学保护处理包括：在20～30℃下，将经过化学清洗处理后的铜柱的所述第二表面与铜保护剂接触2～5min，然后用清水冲洗，再在50～60℃下烘干。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述铜保护剂为含有苯并三氮唑的醇溶液、BCu-10保护剂或二巯基苯并噻唑保护剂；所述铜保护剂的浓度为1～10g/L。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，该方法还包括：步骤c中，进行所述焊接前，将焊接设备内的真空度降低至10pa以下。
12.根据权利要求5或11所述的方法，其中，该方法还包括：步骤c中，所述焊接包括第一阶段和第二阶段，所述第一阶段在保护气体的存在下进行，所述第二阶段在还原性气体的存在下进行；所述保护气体为氮气、氩气或氦气，所述还原性气体为甲酸气体或氢气。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一阶段的条件包括：温度为25～60℃，时间为240～400s，压力为50～80Kpa；
所述第二阶段的条件包括：温度为280～320℃，时间为80～240s，压力为50～80Kpa。
14.一种IGBT模组，其特征在于，该IGBT模组包括IGBT电路板和权利要求1～4中任意一项所述的散热元件。
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