[发明专利]一种晶闸管芯片的低温结合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶闸管芯片的制备技术，尤其是涉及一种晶闸管芯片的低温结合方法。

背景技术

随着工业用电力变换及控制装置（电力电子设备）向着超大功率的方向发展，要求电力变换及控制装置中最为核心的电力电子元件的功率转换能力能够成倍提升，而这必然要求电力电子芯片大直径化、超大直径化。目前，单只晶闸管芯片的最大直径已达3～6英寸。晶闸管芯片一般由加工完成的硅片，通过金属粘合剂，在高温及高真空条件下，粘接到膨胀系数最为接近的耐高温金属（平面的钼圆片）上，由钼圆片为晶闸管芯片提供导电、散热、结构支撑和保护等。

目前，晶闸管芯片的结合方法的具体步骤如下：1）如图1所示，将高平面度的硅片、用作金属粘合剂的高纯度的铝片、钼片，按硅-铝-钼的顺序，依次装入半封闭式的圆筒形石墨模具即顶部开口的圆筒形石墨模具中；2）将装有硅片、铝片、钼片的圆筒形石墨模具放入真空高温炉中，在真空度高于3×10^-3pa，且温度在700～800℃的条件下，使铝片熔化，硅片通过铝片结合到钼片上，形成晶闸管芯片，图2为结合得到的晶闸管芯片。这种结合方法存在以下问题：1）由于单晶硅的线性热膨胀系数为2.5×10^-6/℃，金属钼的线性热膨胀系数为5.2×10^-6/℃，因此当硅片与钼片的温度从结合时的700～800℃最终降温至常温，钼片相对于硅片为收缩，硅片相对于钼片为膨胀，它们之间会产生形变，如图2所示；且当高温结合的温度越高、晶闸管芯片的直径越大时，形变就越大，3～6英寸的晶闸管芯片的中心处的形变量一般在40～400μm；2）利用这种结合方法得到的晶闸管芯片在安装使用时，所承受的安装压力为10～150KN，在此压力下，形变的晶闸管芯片被压平，但晶闸管芯片中的硅片产生变形应力，当变形较大或长期使用，硅片极容易断裂，这将会严重影响晶闸管芯片的使用可靠性；3）这种结合方法所使用的半封闭式的圆筒形石墨模具具有耐高温的特性，用于晶闸管芯片的高温结合，但由于石墨的导热性差，因此会使石墨模具内的晶闸管芯片与真空高温炉的炉膛的温度产生温差，从而将影响结合精度和均匀性，极易使硅片与钼片的粘合在中心处形成粘合不良的空洞，最终将影响晶闸管芯片的导电性能及散热性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种晶闸管芯片的低温结合方法，利用其得到的晶闸管芯片近乎平面，极大地减少了晶闸管芯片安装使用时硅片被压断裂的可能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种晶闸管芯片的低温结合方法，其特征在于包括如下步骤：

①选取单晶硅片、含硅量为9.7%～13.7%的铝硅合金片、钼片，其中，铝硅合金片用作金属粘接剂；

②对钼片进行预处理，使其中心处产生预设形变量的形变；

③将单晶硅片、铝硅合金片和形变的钼片依次放入石墨模具中，放入时要求形变的钼片的凹面正对铝硅合金片；

④将装有单晶硅片、铝硅合金片和形变的钼片的石墨模具放入真空高温炉中，在真空度高于3×10^-3pa，且温度在580～600℃的条件下，使铝硅合金片熔化，单晶硅片结合到钼片上形成近乎平面的晶闸管芯片。

所述的步骤②中对钼片进行预处理即为利用微凸的模具对钼片进行冲压；这种预处理方式简单可靠。

所述的步骤②中预设形变量的确定过程为：

②-1、选取与步骤①中相同的单晶硅片、铝硅合金片和钼片；

②-2、将单晶硅片、铝硅合金片和钼片依次放入石墨模具中；

②-3、将装有单晶硅片、铝硅合金片和钼片的石墨模具放入真空高温炉中，在真空度高于3×10^-3pa，且温度在580～600℃的条件下，使铝硅合金片熔化，单晶硅片结合到钼片上形成形变的晶闸管芯片；

②-4、将形变的晶闸管芯片的中心处的形变量作为预设形变量。在此，在相同环境下确定预设形变量，可使得结合后钼片产生的热膨胀变形与预先压制的变形互相抵消，从而使得最终得到的晶闸管芯片近乎平面。

所述的石墨模具的四个侧壁上均开设有用于增加热量传导、减少所述的石墨模具内外温差的侧壁通孔。

所述的步骤①中铝硅合金片的含硅量为11.7%。

所述的步骤④中温度的条件为580～590℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：