CN112382717B - 一种热电器件封装界面及其连接方法 - Google Patents

一种热电器件封装界面及其连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明通过在镍金属层上制备针锥锥底直径为200‑500纳米、长度为400‑1000纳米的镍纳米针锥结构层A作为连接面，在铜金属层制备针锥锥底直径为200‑500纳米，针锥长度为400‑1000纳米的镍纳米针锥结构层B作为连接面，基于纳米界面特殊的尺度效应，通过构造纳米键合层，基于原子扩散实现250摄氏度以下的低温冶金连接，能够满足较高的服役温度，同时不同尺寸的纳米结构键合后，会在界面形成柔性多孔连接结构，可以有效吸收服役过程界面热应力能量，减少界面热失配缺陷，提升器件服役寿命。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在各类温区热电器件封装中具有广泛应用前景。

Description

一种热电器件封装界面及其连接方法
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种热电器件封装界面及其连接方法。
背景技术
热电器件利用半导体材料实现热能和电能之间直接相互转换，用于冷却、加热和收集废物的热能，具有体积小、可靠性高、无污染排放、使用温度范围广等特点，作为一种绿色新能源技术和环保型制冷技术，在特种电源、太阳能高效热电-光电复合发电、高精度温控与制冷等领域具有重要的应用价值。
热电器件的封装需要将热电材料与覆铜陶瓷基板之间形成机械、热和电的连接，锡焊是最常用的低温连接方法，但受焊料熔点的限制，器件的使用温度通常在200摄氏度以下。为了提高服役温度，高温扩散焊、高温烧结等工艺也陆续用于热电器件封装，其基本原理是通过不同的能量施加方式实现键合层金属连接界面原子扩散及晶体重构，具有较大连接强度及低界面电阻、热阻的同时更适应高温服役。但是这些方法的工艺温度一般在400℃以上，不仅会影响热电材料的性能，而且热应力会使金属化层的热电材料/金属界面形成新的裂纹缺陷，而且当热电器件与MEMS（微机电系统）、芯片等微系统集成时还会影响这些器件本身的性能。通过设计界面材料及结构、应用金属复合材料等方法能够在一定程度上优化界面热应力匹配，但往往会影响界面的热电输运性能。因此，如何在较低的温度下进行有效连接键合的同时降低高温服役过程对界面结构影响是热电器件连接工艺的关键。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种热电器件封装界面连接方法，通过构建纳米金属镍键合层，并利用纳米效应，降低金属界面键合温度，进一步的通过连接工艺控制构造界面柔性多孔结构，用于降低热电器件服役过程中热应力对界面的损伤。
为了达到上述目的，本发明是以下述方式实现的：
一种热电器件封装界面，包括覆铜陶瓷基板、溅射有镍金属层的热电晶片，其特征在于：所述镍金属层上有针锥锥底直径为200-500纳米的镍纳米针锥结构层A，覆铜陶瓷基板的铜金属层上有针锥锥底直径为200-500纳米，针锥长度为400-1000纳米的镍纳米针锥结构层B。
所述镍纳米针锥结构层A的针锥长度为400-1000纳米。
所述的一种热电器件封装界面的封装方法，包括以下步骤：
步骤一、将热电材料切片后的热电晶片的封装连接面溅射镍金属层；
步骤二、在镍金属层表面利用电镀的方法制备镍纳米针锥结构层A作为连接面，后将热电晶片切为晶粒；同时在覆铜陶瓷基板的铜金属层的表面利用电沉积方法制备镍纳米针锥结构层B作为连接面；
步骤三、两连接面对准后，在连接面施加恒定温度和恒定压力，持续一定时间后连接完成，连接界面包括均匀分布孔径200-500纳米，高度100-200纳米的多孔镍结构层。
所述步骤一中的溅射镍金属层厚度为2-5微米。
所述步骤二中的镍纳米针锥结构层A的制备工艺包括：将镍金属层置于电解液中，电解液为六水合氯化镍、硼酸、氨水、盐酸、结晶调整剂的混合液，电解液的PH值为3.0-4.0，电流密度为0.7-1ASD，生成时间为10-20min，得到镍纳米针锥结构层A。
所述步骤二中的镍纳米针锥结构层B的制备工艺包括：将铜金属层置于电解液中，电解液为六水合氯化镍、硼酸、氨水、盐酸、结晶调整剂的混合液，电解液的PH值为3.0-3.5，电流密度为0.6-1ASD，生成时间为9-12min，在铜金属层表面形成镍纳米针锥结构层B。
所述镍纳米针锥结构层A的针锥长度是镍纳米针锥结构层B的针锥长度的1.5-2倍。
所述步骤三中的恒定温度为150-250摄氏度，恒定压力为1-5MPa，持续时间为40-60min。
相对于现有技术，本发明基于纳米界面特殊的尺度效应，通过构造纳米键合层，基于原子扩散实现250摄氏度以下的低温冶金连接，能够满足较高的服役温度，同时不同尺寸的纳米结构键合后，会在界面形成柔性多孔连接结构，可以有效吸收服役过程界面热应力能量，减少界面热失配缺陷，提升器件服役寿命。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在各类温区热电器件封装中具有广泛应用前景。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
其中，1是镍纳米针锥结构层A；2是镍金属层；3是热电晶片；4是镍纳米针锥结构层B；5是铜金属层；6是覆铜陶瓷基板；7是恒定压力；8是热板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式只是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明申请的实施方式，对于所属本领域的技术人员，做出的若干改变和改进等，所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种高可靠性热电器件及其制备方法，下面结合图1对发明技术方案进一步说明：
一种热电器件封装界面，包括热电晶片3、覆铜陶瓷基板6，热电晶片3上溅射有镍金属层2，镍金属层2上有镍纳米针锥结构层A1，覆铜陶瓷基板6的铜金属层5上有镍纳米针锥结构层B4。
所述的一种热电器件封装界面连接方法，包括以下步骤：
步骤一、首先，将热电材料器件进行切片，切成数个热电晶片3；然后，采用标准RCA工艺清洗热电片3的键合面；最后，通过溅射工艺在热电晶片3的衬底上沉积2-5微米后的镍金属层2。
步骤二、将热电晶片3置于电解槽中，电解槽中的电解液为：六水合氯化镍、硼酸、氨水、盐酸、结晶调整剂的混合液，电解液的PH值为3.0-4.0，温度为60摄氏度。热电晶片3的镍金属层2为阴极，金属镍板为阳极，通过导线使金属镍板、镍金属层2、电镀电源构成回路，通过施加直流电流，电镀一段时间后，在镍金属层2上形成镍纳米针锥结构层A1。
所述的镍纳米针锥结构层A1的镍纳米针锥结构的针锥锥底直径为200-500纳米，针锥长度为400-1000纳米；最后，将制备的镍纳米针锥结构层A1作为连接面，最后将热电晶片3切为晶粒。
同时，在覆铜陶瓷基板6的铜金属层5的表面利用电沉积方法制备镍纳米针锥结构层B4作为连接面，所述的镍纳米针锥结构层B4的制备工艺包括：将铜金属层5置于电解槽中，电解槽中电解液原料为六水合氯化镍、硼酸、氨水、盐酸、结晶调整剂，电解液的温度为60摄氏度，PH值为3.0-3.5，阳极为金属镍板，阴极为铜金属层5，施加的电流密度为0.6-1ASD，生成时间为9-12min，形成镍纳米针锥结构层B4。
优选地，镍纳米针锥结构层B4的镍纳米针锥结构的针锥锥底直径为200-500纳米，针锥长度为400-1000纳米。
优选地，所述的镍纳米针锥结构层A1的针锥长度是镍纳米针锥结构层B4的针锥长度的1.5-2倍。
步骤三、上述的两个连接面对准后，在连接面的外层面叠加热板8，向热板8施加恒定温度和恒定压力7，持续一段时间后，热电晶片3、覆铜陶瓷基板6封装连接完成，封装连接的界面包括均匀分布孔径200-500纳米，高度100-200纳米的多孔镍结构层。
优选地，所述的恒定温度为150-250摄氏度，恒定压力为1-5MPa，持续时间为40-60min。
实施例1：
如图1所示，本发明用于集成封装的低温键合方法，包括：
步骤一、首先，将热电材料器件进行切片，切成数个热电晶片3；之后，将得到的热电晶片3采用标准RCA工艺进行清洗其键合面；然后，通过溅射工艺，在热电晶片3的衬底上溅射沉积2微米的镍金属层2；随后，将具有镍金属层2的热电晶片3置于电解槽中，在镍金属层2上电镀制备镍纳米针锥结构层A1。
具体地，所述的电解槽中的电解液的原料为六水合氯化镍（200g/L），硼酸（35g/L）、氨水（10%）、盐酸（10%）和结晶调整剂（200g/L），PH值为4.0，阳极为金属镍板，阴极为热电晶片3上的镍金属层2，并通过导线使金属镍板、镍金属层2和电镀电源构成回路。通过电镀电源对镍金属层2施加直流电流，电流密度为1ASD，电镀温度为60摄氏度，生成时间为20min，获得镍纳米针锥结构层A1的锥底直径为500纳米，长度为1000纳米。镍纳米针锥结构层A1制备完成后，将镍纳米针锥结构层A1作为连接面，后将热电晶片3切成晶粒并清洗。
步骤二、在覆铜陶瓷基板的铜金属层表面利用电沉积方法制备镍纳米针锥结构层B4作为连接面。
具体地，将具有铜金属层5的覆铜陶瓷基板6置于电解槽中，电解槽中的电解液所用的原料包括：200g/L的六水合氯化镍、35g/L的硼酸、10%的氨水、10%的盐酸、200g/L的结晶调整剂，温度60摄氏度，PH值为3.5，阳极为覆铜陶瓷基板6上的铜金属层5，阴极为金属镍板，并通过导线使金属镍板、铜金属层5和电镀电源构成回路。通过电镀电源对铜片施加直流电流，电流密度为1ASD，生长时间12min，形成镍纳米针锥结构层B4，得到的镍纳米针锥结构层B4的锥底直径为500纳米，长度为500纳米，镍纳米针锥结构层B4作为键合连接面。
步骤三、两连接面对准后，在连接面利用热板6施加恒定温度150摄氏度，施加恒定压力7为1MPa，持续40分钟完成封装连接，界面包含均匀分布孔径500纳米，高度100纳米的多孔镍结构层。
具体地，两个连接面对准后，将两个热板8分别叠加在热电晶片3、覆铜陶瓷基板6的外层面，热板8对热电晶片3、覆铜陶瓷基板6进行加热，热量传递至键合层，对键合层进行加热；同时恒定压力7垂直施加在所述的两个热板8上，压力传递给键合层进行施压。其中恒定压力7的压力值为1MPa，加热的温度为250摄氏度，施加的温度、恒定压力7的持续时间为40分钟，键合完成，将热电晶片3、覆铜陶瓷基板6封装连接，其界面包括界面包含均匀分布孔径500纳米，高度100纳米的多孔镍结构层。
实施例2
如图1所示，本发明用于集成封装的低温键合方法，包括：
步骤一、首先，将热电材料器件进行切片，切割成数个热电晶片3；之后，将得到的热电晶片3采用RCA工艺进行清洗键合面；然后，通过溅射工艺，在热电晶片3的衬底上溅射沉积镍金属层2，所述的镍金属层2的厚度为2微米；随后，将溅射完镍金属层2的热电晶片3置于电解槽中，在镍金属层2上电镀制备镍纳米针锥结构层A1。
具体地，所述的电解槽中的电解液的原料为：200g/L的六水合氯化镍、35g/L的硼酸、10%的氨水、10%的盐酸、200g/L的结晶调整剂，将其混合后，置于电解槽中，温度为60摄氏度，PH值为3.0，将金属镍板作为阳极，热电晶片3的镍金属层2作为阴极，并通过导线使金属镍板、镍金属层2、电镀电源构成回路。通过电镀电源对镍金属层2施加直流电流，电流密度为0.7ASD，生成时间为10min，形成镍纳米针锥结构层A1的针锥的锥底直径为200纳米，长度为600纳米。镍纳米针锥结构层A1制备完成后，将镍纳米针锥结构层A1作为连接面，后将热电晶片3切成晶粒并清洗。
步骤二、在覆铜陶瓷基板6的铜金属层5的表面利用电沉积方法制备镍纳米针锥结构层B4作为连接面。
具体地，将覆铜陶瓷基板6置于电解槽中，电解槽中的电解液的原料为200g/L的六水合氯化镍、35g/L的硼酸、10%的氨水、10%的盐酸、200g/L的结晶调整剂，电解液的温度为60摄氏度，PH值为3.0，覆铜陶瓷基板6的铜金属层5作为阴极，金属镍板作为阳极，并通过导线使金属镍板、镍金属层2和电镀电源构成回路。通过电镀电源对镍金属层2施加直流电流，电流密度为0.6ASD，生成时间为9min，形成镍纳米针锥结构层B4，镍纳米针锥结构层B4的锥底直径为200纳米，长度为400纳米。制备镍纳米针锥结构层B4完成后，将其作为连接面，并将覆铜陶瓷基板6进行切粒、清洗。
步骤三：将两个连接面对准后，在连接面利用热板8施加恒定温度和恒定压力，持续一定时间后完成封装连接，封装连接后的界面包括均匀分布孔径为200纳米、高度为200纳米的多孔镍结构层。
具体地，两个连接面对准后，将两个热板8分别叠加在热电晶片3、覆铜陶瓷基板6的外层面上，热板8对热电晶片3、覆铜陶瓷基板6进行恒温加热，热量传递至键合层，从而对键合层进行加热；同时，向所述的两个热板8垂直施加恒定压力7，压力传递给键合层进行施压。其中恒定压力7的压力值为1MPa，加热的温度为250摄氏度，施加的恒定温度、恒定压力7的时间持续为60分钟，60分钟后完成热电晶片3、覆铜陶瓷基板6的封装连接，封装连接后的界面包含均匀分布孔径为200纳米、高度为200纳米的多孔镍结构层。
形成的柔性多孔结构层的柔性多孔连接结构，可以有效吸收服役过程界面热应力能量，减少界面热失配缺陷，提升器件服役寿命。
本发明以上所述，仅为本发明申请结合附图所示的优选实施方式，但并非用于对本发明申请保护范围的限制，应当指出，对于所属本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思的前提下，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动所作出的任何修改、等同替换、改进等，这些均应包含在本发明申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热电器件封装界面的封装方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将热电材料切片后的热电晶片的封装连接面溅射镍金属层；
步骤二、在镍金属层表面利用电镀的方法制备镍纳米针锥结构层A作为连接面，后将热电晶片切为晶粒；同时在覆铜陶瓷基板的铜金属层的表面利用电沉积方法制备镍纳米针锥结构层B作为连接面；
步骤三、两连接面对准后，在连接面施加恒定温度和恒定压力，持续一定时间后连接完成，连接界面包括均匀分布孔径200-500纳米，高度100-200纳米的多孔镍结构层。
2.如权利要求1所述的一种热电器件封装界面的封装方法，其特征在于：所述步骤一中的溅射镍金属层厚度为2-5微米。
3.如权利要求1所述的一种热电器件封装界面的封装方法，其特征在于：所述步骤二中的镍纳米针锥结构层A的制备工艺包括：将镍金属层置于电解液中，电解液为六水合氯化镍、硼酸、氨水、盐酸、结晶调整剂的混合液，电解液的pH值为3.0-4.0，电流密度为0.7-1ASD，生成时间为10-20min，得到镍纳米针锥结构层A。
4.如权利要求1所述的一种热电器件封装界面的封装方法，其特征在于：所述步骤二中的镍纳米针锥结构层B的制备工艺包括：将铜金属层置于电解液中，电解液为六水合氯化镍、硼酸、氨水、盐酸、结晶调整剂的混合液，电解液的pH值为3.0-3.5，电流密度为0.6-1ASD，生成时间为9-12min，在铜金属层表面形成镍纳米针锥结构层B。
5.如权利要求3或4所述的一种热电器件封装界面的封装方法，其特征在于：所述镍纳米针锥结构层A的针锥长度是镍纳米针锥结构层B的针锥长度的1.5-2倍。
6.如权利要求1所述的一种热电器件封装界面的封装方法，其特征在于：所述步骤三中的恒定温度为150-250摄氏度，恒定压力为1-5MPa，持续时间为40-60min。
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