一種晶閘管芯片的低溫結(jié)合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶閘管芯片的制備技術(shù)，尤其是涉及一種晶閘管芯片的低溫結(jié)合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)用電力變換及控制裝置(電力電子設(shè)備)向著超大功率的方向發(fā)展，要求電力變換及控制裝置中最為核心的電力電子元件的功率轉(zhuǎn)換能力能夠成倍提升，而這必然要求電力電子芯片大直徑化、超大直徑化。目前，單只晶閘管芯片的最大直徑已達3?6英寸。晶閘管芯片一般由加工完成的硅片，通過金屬粘合劑，在高溫及高真空條件下，粘接到膨脹系數(shù)最為接近的耐高溫金屬(平面的鉬圓片)上，由鉬圓片為晶閘管芯片提供導(dǎo)電、散熱、結(jié)構(gòu)支撐和保護等。
[0003]目前，晶閘管芯片的結(jié)合方法的具體步驟如下:1)如圖1所示，將高平面度的硅片、用作金屬粘合劑的高純度的鋁片、鉬片，按硅-鋁-鉬的順序，依次裝入半封閉式的圓筒形石墨模具即頂部開口的圓筒形石墨模具中；2)將裝有硅片、鋁片、鉬片的圓筒形石墨模具放入真空高溫爐中，在真空度高于3X10 3pa，且溫度在700?800°C的條件下，使鋁片熔化，硅片通過鋁片結(jié)合到鉬片上，形成晶閘管芯片，圖2為結(jié)合得到的晶閘管芯片。這種結(jié)合方法存在以下問題:1)由于單晶硅的線性熱膨脹系數(shù)為2.5X10 6/°C，金屬鉬的線性熱膨脹系數(shù)為5.2 X 10 V0C，因此當(dāng)硅片與鉬片的溫度從結(jié)合時的700?800°C最終降溫至常溫，鉬片相對于硅片為收縮，硅片相對于鉬片為膨脹，它們之間會產(chǎn)生形變，如圖2所示；且當(dāng)高溫結(jié)合的溫度越高、晶閘管芯片的直徑越大時，形變就越大，3?6英寸的晶閘管芯片的中心處的形變量一般在40?400 μπι ;2)利用這種結(jié)合方法得到的晶閘管芯片在安裝使用時，所承受的安裝壓力為10?150ΚΝ，在此壓力下，形變的晶閘管芯片被壓平，但晶閘管芯片中的硅片產(chǎn)生變形應(yīng)力，當(dāng)變形較大或長期使用，硅片極容易斷裂，這將會嚴重影響晶閘管芯片的使用可靠性；3)這種結(jié)合方法所使用的半封閉式的圓筒形石墨模具具有耐高溫的特性，用于晶閘管芯片的高溫結(jié)合，但由于石墨的導(dǎo)熱性差，因此會使石墨模具內(nèi)的晶閘管芯片與真空高溫爐的爐膛的溫度產(chǎn)生溫差，從而將影響結(jié)合精度和均勻性，極易使硅片與鉬片的粘合在中心處形成粘合不良的空洞，最終將影響晶閘管芯片的導(dǎo)電性能及散熱性會K。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種晶閘管芯片的低溫結(jié)合方法，利用其得到的晶閘管芯片近乎平面，極大地減少了晶閘管芯片安裝使用時硅片被壓斷裂的可能。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種晶閘管芯片的低溫結(jié)合方法，其特征在于包括如下步驟:
①選取單晶硅片、含硅量為9.7%?13.7%的鋁硅合金片、鉬片，其中，鋁硅合金片用作金屬粘接劑； ②對鉬片進行預(yù)處理，使其中心處產(chǎn)生預(yù)設(shè)形變量的形變；
③將單晶硅片、鋁硅合金片和形變的鉬片依次放入石墨模具中，放入時要求形變的鉬片的凹面正對鋁硅合金片；
④將裝有單晶硅片、鋁硅合金片和形變的鉬片的石墨模具放入真空高溫爐中，在真空度高于3X 10 3pa，且溫度在580?600°C的條件下，使鋁硅合金片熔化，單晶硅片結(jié)合到鉬片上形成近乎平面的晶閘管芯片。
[0006]所述的步驟②中對鉬片進行預(yù)處理即為利用微凸的模具對鉬片進行沖壓；這種預(yù)處理方式簡單可靠。
[0007]所述的步驟②中預(yù)設(shè)形變量的確定過程為:
②-1、選取與步驟①中相同的單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片；
②-2、將單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片依次放入石墨模具中；
②-3、將裝有單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片的石墨模具放入真空高溫爐中，在真空度高于3X 10 3pa，且溫度在580?600°C的條件下，使鋁硅合金片熔化，單晶硅片結(jié)合到鉬片上形成形變的晶閘管芯片；
②-4、將形變的晶閘管芯片的中心處的形變量作為預(yù)設(shè)形變量。在此，在相同環(huán)境下確定預(yù)設(shè)形變量，可使得結(jié)合后鉬片產(chǎn)生的熱膨脹變形與預(yù)先壓制的變形互相抵消，從而使得最終得到的晶閘管芯片近乎平面。
[0008]所述的石墨模具的四個側(cè)壁上均開設(shè)有用于增加熱量傳導(dǎo)、減少所述的石墨模具內(nèi)外溫差的側(cè)壁通孔。
[0009]所述的步驟①中鋁硅合金片的含硅量為11.7%。
[0010]所述的步驟④中溫度的條件為580?590°C。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
O由于將原作為金屬粘接劑的高純度的鋁片改為含硅量為9.7%?13.7%的鋁硅合金片，而鋁硅合金片的熔點更低，如含硅量為11.7%的鋁硅合金片的熔點僅為577°C，因此能夠?qū)⒔Y(jié)合溫度從原來的700?800°C降低至580?600°C，結(jié)合溫度的降低能夠極大地減少結(jié)合得到的晶閘管芯片的形變。
[0012]2)預(yù)先對鉬片進行預(yù)處理，使其中心處產(chǎn)生預(yù)設(shè)形變量的形變，如若想結(jié)合得到3?6英寸的晶閘管芯片，則可預(yù)先使鉬片的中心處的形變量為28?280 μπι，且使形變的鉬片的凹面正對鋁硅合金片，這樣結(jié)合后鉬片產(chǎn)生的熱膨脹變形與預(yù)先壓制的變形互相抵消，從而使得最終得到的晶閘管芯片近乎平面，近乎平面的晶閘管芯片能夠極大地減少其安裝使用時硅片被壓斷裂的可能。
[0013]3)在石墨模具的每個側(cè)壁上設(shè)置側(cè)壁通孔，側(cè)壁鏤空的石墨模具可以增加熱量傳導(dǎo)，減少石墨模具的內(nèi)外溫差，能夠有效地提高結(jié)合溫度的精度和均勻性，從而能夠有效地避免產(chǎn)生粘合不良的空洞。
【附圖說明】
[0014]圖1為現(xiàn)有的結(jié)合方法放置硅片、鋁片、鉬片的示意圖；
圖2為利用現(xiàn)有的結(jié)合方法得到的晶閘管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明方法放置單晶硅片、鋁硅合金片、鉬片的示意圖；圖4為利用本發(fā)明方法得到的晶閘管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0016]實施例一:
本實施例提出的一種晶閘管芯片的低溫結(jié)合方法，其包括如下步驟:
①選取高平面度的單晶硅片、含硅量為11.7%的鋁硅合金片、鉬片，其中，鋁硅合金片用作金屬粘接劑。
[0017]②對鉬片進行預(yù)處理即為利用微凸的模具對鉬片進行沖壓，使其中心處產(chǎn)生預(yù)設(shè)形變量的形變。
[0018]在此，預(yù)設(shè)形變量的確定過程為:
②-1、選取與步驟①中相同的單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片。
[0019]②-2、將單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片依次放入石墨模具中。
[0020]②-3、將裝有單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片的石墨模具放入真空高溫爐中，在真空度高于3X10 3pa，且溫度在580°C的條件下，使鋁硅合金片熔化，單晶硅片結(jié)合到鉬片上形成形變的晶閘管芯片，3?6英寸的晶閘管芯片的中心處的形變量為28?280 μπι。
[0021]②-4、將形變的晶閘管芯片的中心處的形變量作為預(yù)設(shè)形變量。
[0022]③將單晶硅片、鋁硅合金片和形變的鉬片依次放入石墨模具中，放入時要求形變的鉬片的凹面正對鋁硅合金片，如圖3所示。
[0023]④將裝有單晶娃片、招娃合金片和形變的鑰片的石墨t旲具放入真空尚溫爐中，在真空度高于3 X 10 3pa，且溫度在580°C的條件下，使鋁硅合金片熔化，單晶硅片結(jié)合到鉬片上形成近乎平面的晶閘管芯片，如圖4所示。
[0024]在本實施例中，可要求步驟②-3中的真空度與步驟④中的真空度一致，步驟②-3和步驟④中的真空度越小越好。
[0025]實施例二:
本實施例提出的一種晶閘管芯片的低溫結(jié)合方法，其包括如下步驟:
①選取高平面度的單晶硅片、含硅量為9.7%的鋁硅合金片、鉬片，其中，鋁硅合金片用作金屬粘接劑。
[0026]②對鉬片進行預(yù)處理即為利用微凸的模具對鉬片進行沖壓，使其中心處產(chǎn)生預(yù)設(shè)形變量的形變。
[0027]在此，預(yù)設(shè)形變量的確定過程為:
②-1、選取與步驟①中相同的單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片。
[0028]②_2、將單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片依次放入石墨模具中。
[0029]②_3、將裝有單晶硅片、鋁硅合金片和鉬片的石墨模具放入真空高溫爐中，在真空度高于3X10 3pa，且溫度在590°C的條件下，使鋁硅合金片熔化，單晶硅片結(jié)合到鉬片上形成形變的晶閘管芯片，3?6英寸的晶閘管芯片的中心處的形變量為28?280 μπι。
[0030]②-4、將形變的晶閘管芯片的中心處的形變量作為預(yù)設(shè)形變量。
[0031]③將單晶硅片、鋁硅合金片和形變的鉬片依次放入石墨模具中，放入時要求形變