CN1416182A - 敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种半导体温差电制冷器用的敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺。它是用机械加工方法先将铜箔按所需图形加工好，然后用粘结剂和模具将其固定在陶瓷基片上，放入链式数控氮气炉中烧结而成。本发明的优点：铜箔与陶瓷之间界面薄，热阻低，铜箔导电率高，损耗低；图形边缘整齐，工艺简单且成本低，无污染，便于规模化生产。
Description
技术领域
本发明属半导体电子器件技术领域，具体涉及一种半导体温差制冷器用的敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺。
背景技术
DBC(Direct Bonded Copper)技术是20世纪八十年代中期逐渐发展起来的直接焊敷铜技术，该技术是把铜箔直接焊敷到陶瓷基板上，不使用黏合剂，故称为直接敷铜。
国外DBC技术发展较早，如德国的Curamik clectronie，IXYS，日本的东芝，三菱以及美国的通用电器公司，他们所采用是在陶瓷基片上整体敷铜，然后用化学腐蚀法(三氯化铁作为腐蚀剂)，将所需要的图形腐蚀出来，但此方法工艺比较复杂，成本较高。另外，一定厚度的铜箔在化学腐蚀加工时，会产生钻蚀，使图形边缘不易做整齐，易呈弧线状，并且生产后的废液会对环境造成污染。
半导体温差电制冷器通常所采用的氧化铝金属化陶瓷基片是采用难熔金属粉末烧结法，以Mo或W-Mn金属化法最具代表性，它是在一定粒度的Mo或W粉中加入一定比例的Mn粉，把这种混合粉末同有机黏合剂一起混合成浆状，并将混合物用网印的方法涂布在氧化铝陶瓷基片表面上，然后在适当湿度的还原气氛中于1300-1500℃下烧结而成。在制作半导体温差制冷器中，需先在陶瓷片金属化层表面上镀镍或镀金。然后在镀镍或镀金的金属化层上焊接铜箔，作为制冷散热器件，需要具有高热导率，而运用这样的氧化铝金属化陶瓷基片制作的器件，由于在铜箔和氧化铝陶瓷基片之间存在一定厚度的中间层，使金属覆层的热阻增加。从而大大降低了热导率。另外，中间层具有较高的电阻率，从而增大电能损耗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种改进的敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺，以克服传统的氧化铝陶瓷金属化基片导热率低，能源损耗高，以及用整体敷铜法制作DBC陶瓷散热基片成本高，图形边缘不整齐且废液污染环境的缺点。
本发明提出的敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺，是用机械加工的方法先将铜箔按所需图形加工好，然后用粘结剂和模具将其固定在基片上，放入链式数控氮气炉中烧结而成，
具体步骤如下：
1、铜箔机械加工，按设计的图形，用机械加工方法制作铜箔；
2、铜箔活化处理 将经金属去污剂洗净(去除铜箔表面油污及杂质)的上述铜箔放入分析纯盐酸(HCl)溶液中清洗，至PH值呈中性，即为6.5-7.5，然后用工业酒精对铜箔进行脱水处理，烘干；
3、装贴 将铜箔放入用激光设备按图形要求加工的模具中，再放入印有粘结剂的陶瓷基片，将铜箔装贴于陶瓷基片上。
本步骤中，粘合剂可用丝网漏印在陶瓷基片上。该粘合剂主要用于固定铜箔，可以采用如下组份按重量配比的配方：
聚乙稀醇： 1(为基数)
甘油： 0.6-0.9
乙醇： 0.3-0.5
乙二醇： 0.03-0.08
水： 2.5-3
4、烧结 把装贴好铜箔的陶瓷基片放在专用烧结架上，置于链式数控氮气烧结炉中进行烧结。
本步骤中，烧结时间一般可控制在140-170分钟，其温度控制为：在40-50分钟内，烧结温度从室温升至1065℃±5℃，最好为1065℃±2℃，保温5-10分钟，然后再降至室温。
本步骤中，烧结炉内的高纯氮气中含有少量氧气(约0.3％左右)，加热阶段，铜箔与气体中的氧发生反应，其中少部分氧溶解在铜中，大部分氧经反应生成Cu2O，当达到最高温度时，在铜箔与陶瓷基片界面形成液态Cu-O共晶薄层，这层共晶混合物浸润氧化铝陶瓷基片表面，冷却后铜箔与陶瓷基片之间通过Cu2O-Cu结晶相高强度地直接焊接在一起。
5、化学镀镍 即用化学沉积镀的方法在烧结铜箔表面镀上一层镍，厚度一般为1-8μm。镀镍的作用在于增加产品的可焊性，另外，由于在制作半导体温差电制器时，须用270-350℃的焊料焊接元件，而铜原子在高温下易向元件中扩散，从而影响元件的制冷性能，所以镍层还起到将铜原子与制冷元件隔离的作用。
本发明所制作的DBC陶瓷散热基片与传统金属化法及整体敷铜法制作的陶瓷散热基片相比，具有突出的优点：
a铜箔与陶瓷之间界面层很薄，热阻低，导热率高。
b铜箔导电率高，损耗低。
c图形边缘整齐、垂直，工艺简单且成本低，容易形成规模生产，而且无污染。
用本工艺制备的产品不仅可用于半导体温差制冷器件上，还可应用在功率半导体模块及功率电源DC/DC、DC/AC变换器等多种电子元器件上。
附图说明
图1为本发明的烧结温度曲线图示。
具体实施方式
下面结合附图实施例对发明作进一步说明。
1、铜箔活化处理
a、用碱性的金属去污剂配置浓度为15％的溶液5升，将预先按图形要求用机械加工好的铜箔放入溶液中(10kg/5升)浸泡30分钟，在浸泡过程中，应每隔5分钟翻动铜箔，使铜箔充分浸泡在溶液中，然后用流动的清水将铜箔冲洗干净，直至PH值达到中性即：6.5-7.5此步骤需3-4次，将铜箔表面油污及杂质彻底洗净。
b、用分析纯HCl配置浓度为5％的溶液5升，将清洗好表面的铜箔浸泡在溶液中30分钟，每隔10分钟搅拌一次，然后用流动的清洗冲洗干净，直至PH值呈中性，即：6.5-7.5。
c、用工业酒精将铜箔进行脱水处理，然后烘干。
2、装贴
首先，在氧化铝陶瓷基片上用丝网漏印法印刷粘结剂，用于固定铜箔，粘合剂的成分为：聚乙稀醇、甘油、乙醇、乙二醇、水，重量配比为∶0.2∶0.14∶0.08∶0.01∶0.57。
将铜箔放入用激光设备按图形要求加工的高精度模具中，然后放入印有粘合剂的陶瓷基片，最后将粘贴好的陶瓷基片从模具取出。
3、烧结
把装贴好的陶瓷基片放在专用烧结架上，然后放入链式数控氮气烧结炉中进行烧结，烧结温度曲线如图1所示。
4、分选
本工序的目的是将不符合质量标准的产品分选出来，例如，因铜箔变形而造成铜箔与陶瓷基片未完全烧结的产品是不符合质量标准的。分选主要采用光透法。氧化铝陶瓷基片具有一定透光性的原理，如果铜箔与氧化铝陶瓷基片紧密结合，则光线无法穿透，反之，铜箔未烧结部分则有透光现象。
5、化学镀镍
将烧结好的铜箔表面上用化学沉积镀的方法，镀上一层厚度为1-8μm(根据用户需要)的镍。
化学镀镍的镀液成分如下：
成分 用量
氯化镍 75g/L
次氩磷酸钠 30-40g/L
柠檬酸三钠 110-130g/L
氯化铵 70-80g/L
氢氧化钠 12-16g/L 用于调整PH值
氨水 8-10g/L
PH值 7.5
具体操作：(1)将分选合格的DBC基片插入专用工装上，然后放入浓度为70％的硝酸中，进行表面处理，时间为20秒，取出后用流动的清水洗净。(2)把表面处理好的基片放入浓度为10％的氯化钯溶液中，进行铜箔表面活化处理，用分析纯HCl调整溶液的PH值即PH值1-1.5活化时间为30秒，然后再用流动的清水洗净。(3)把活化好的基片放入已配置好的化学镀液中进行化学沉积镀，再隔10分钟搅拌一次镀液，这样使两个铜箔上的镀镍层一致，施镀时间为90分钟，镀液温度为57℃±-2℃。(4)把已镀好的基片用流动的清水将其洗净，然后浸泡在热是净水槽中，时间为3分钟，取出后用酒精脱水，放入热风机内将其烘干。
6、将已镀好的基片进行分选，然后用真空包装法把基片进行真空包装入库，真空包装主要防止镍层氧化，影响产品的可焊性。
Claims (4)
1、一种敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺，其特征在于用机械加工方法先将铜箔按所需图形加工好，然后粘结剂和模具将其固定在基片上，放入链式数控氮气炉中烧结而成，具体步骤如下：
(1)铜箔机械加工，按设计的图形，用机械加工方法制作铜箔；
(2)铜箔活化处理 将经金属去污剂洗净(去除铜箔表面油污及杂质)的上述铜箔放入分析纯盐酸(HCl)溶液中清洗，至PH值呈中性，即为6.5-7.5，然后用工业酒精对铜箔进行脱水处理，烘干；
(3)装贴 将铜箔放入用激光设备按图形要求加工的模具中，再放入印刷有粘结剂的陶瓷基片，将铜箔装贴于陶瓷基片上。
(4)烧结 把装贴好铜箔的陶瓷基片放在专用烧结架上，置于链式数控氮气烧结炉中进行烧结。
本步骤中，烧结时间一般可控制在140-170分钟，其温度控制为：在40-50分钟内，烧结温度从室温升至1065℃±5℃，最好为1065℃±2℃，保温5-10分钟，然后再降至室温。
本步骤中，烧结炉内的高纯氮气中含有少量氧气(约0.3％左右)，加热阶段，铜箔与气体中的氧发生反应，其中少部分氧溶解在铜中，大部分氧经反应生成Cu2O，当达到最高温度时，在铜箔与陶瓷基片界面形成液态Cu-O共晶薄层，这层共晶混合物浸润氧化铝陶瓷基片表面，冷却后铜箔与陶瓷基片之间通过Cu2O-Cu结晶相高强度地直接焊接在一起。
(5)化学镀镍 即用化学沉积镀的方法在烧结铜箔表面镀上一层镍，厚度一般为1-8μm。镀镍的作用在于增加产品的可焊性，另外，由于在制作半导体温差电制器时，须用270-350℃的焊料焊接元件，而铜原子在高温下易向元件中扩散，从而影响元件的制冷性能，所以镍层还起到将铜原子与制冷元件隔离的作用。
2、根据权利要求1所述的敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺，其特征在于装贴铜箔用的粘结剂组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、根据权利要求1或2所述的敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺，其特征在于烧结时间控制为140-170分钟，温度控制为：在40-50分钟内，从室温升至1065℃±5℃，保温5-10分钟，然后再降到室温。
4、根据权利要求1或2或3所述的敷铜型陶瓷散热基片的制造工艺，其特征在于化学镀镍的镀液成分如下：
成分 用量
氯化镍 75g/L
次氩磷酸钠 30-40g/L
柠檬酸三钠 110-130g/L
氯化铵 70-80g/L
氢氧化钠 12-16g/L
氨水 8-10g/L
PH值 7.5。
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