致冷晶片表面熱噴涂處理工藝在半導(dǎo)體制冷器生產(chǎn)中的應(yīng)用

魏洪菊張永強(qiáng)

（1.許昌市高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心有限公司，河南許昌 461000；2.許昌市供銷(xiāo)合作社，河南許昌 461000）

致冷晶片表面熱噴涂處理工藝在半導(dǎo)體制冷器生產(chǎn)中的應(yīng)用

魏洪菊1張永強(qiáng)2

（1.許昌市高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心有限公司，河南許昌 461000；2.許昌市供銷(xiāo)合作社，河南許昌 461000）

半導(dǎo)體致冷組件（器件）是電力電子產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，行業(yè)要求專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)。半導(dǎo)體致冷（組件）器件的加工過(guò)程主要包括半導(dǎo)體切割、噴涂、組裝、焊接4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文重點(diǎn)對(duì)加工過(guò)程中的噴涂環(huán)節(jié)，采用致冷晶片表面處理熱噴涂工藝所產(chǎn)生的作用進(jìn)行探討。

半導(dǎo)體致冷；致冷晶片；熱噴涂；技術(shù)要點(diǎn)；應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1 半導(dǎo)體致冷研究現(xiàn)狀

半導(dǎo)體致冷亦稱(chēng)電子致冷也叫溫差致冷，是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置，其開(kāi)辟了制冷技術(shù)的一個(gè)新分支，實(shí)現(xiàn)了可提供高效電傳導(dǎo)率（易于電傳導(dǎo)）及低熱傳導(dǎo)率（易于熱傳導(dǎo)）的電子冷卻器件，解決了許多特殊場(chǎng)合的制冷難題，滿(mǎn)足了人們?cè)谔胤N場(chǎng)合的需要［1］。半導(dǎo)體致冷組件是通過(guò)直流電流可自由進(jìn)行溫度控制的電子元件。由于其具有控制方便、運(yùn)行可靠、布局靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體致冷（組件）器件的加工過(guò)程主要包括半導(dǎo)體切割、噴涂、組裝、焊接4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前半導(dǎo)體致冷器件一直沿用線(xiàn)性排列半導(dǎo)體晶粒的組裝結(jié)構(gòu)，依次由一個(gè)N型半導(dǎo)體晶粒和一個(gè)P型半導(dǎo)體晶粒在電路上通過(guò)串聯(lián)的形式連接組成。這種連接方法在熱應(yīng)力的作用下強(qiáng)度太低，容易造成半導(dǎo)體晶粒損壞，直接影響半導(dǎo)體致冷器件的可靠性，而且當(dāng)半導(dǎo)體致冷器件中的任何一顆半導(dǎo)體晶粒損壞時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)半導(dǎo)體器件的報(bào)廢。在應(yīng)用半導(dǎo)體致冷器件的設(shè)備上，因?yàn)榻M裝半導(dǎo)體器件要求很精密，所以更換失效的半導(dǎo)體致冷器件成本較高，特別是當(dāng)致冷功率和致冷深度要求較大時(shí)，必須采用多個(gè)半導(dǎo)體致冷器件串聯(lián)使用，一旦其中一片半導(dǎo)體器件損壞，很容易導(dǎo)致整個(gè)致冷系統(tǒng)的癱瘓。其次，現(xiàn)有半導(dǎo)體致冷器件上的氧化鋁陶瓷基板，其金屬化圖形面積太小，采用手工操作，不利于提高金屬化與陶瓷基板間的附著強(qiáng)度。因其導(dǎo)線(xiàn)的焊接點(diǎn)空間有限，焊接區(qū)域太小，會(huì)造成導(dǎo)線(xiàn)的焊接強(qiáng)度不夠，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體致冷組件（器件）的整體使用壽命。尤其是焊接工藝技術(shù)落后，主要采用純粹手動(dòng)操作夾具、靠人工目測(cè)觀察的手動(dòng)焊接技術(shù)，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品的一致性、電耐久性、可靠性差，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)效率。因此，對(duì)半導(dǎo)體制冷器件的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)展深入研究就顯得尤為迫切。

2 半導(dǎo)體制冷器件技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體致冷組件的生產(chǎn)工藝流程為晶棒制備-晶片切割-晶片的表面處理-晶片切粒-清洗烘干-封裝-清洗-焊引線(xiàn)-密封-檢測(cè)-入庫(kù)。該生產(chǎn)工藝復(fù)雜，過(guò)程難以控制，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差、不穩(wěn)定難以控制，工藝輔料成本昂貴，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在化學(xué)污染。目前，國(guó)內(nèi)廠家的致冷晶棒制備工藝也大致一樣，并且在晶片表面處理、晶粒的切割、產(chǎn)品的封裝工藝上都不太完善。其存在的主要關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題如下：①半導(dǎo)體致冷晶片表面處理采用傳統(tǒng)的電鍍方法，工藝復(fù)雜；②將晶片切割成晶粒常采用內(nèi)圓刀片切割工藝，切割精度不高，工藝輔料昂貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，切割效率低，而且存在化學(xué)污染。

3 致冷晶片表面熱噴涂處理工藝技術(shù)概述

致冷晶片表面熱噴涂處理，采用火焰噴涂的原理，通過(guò)對(duì)噴槍的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)流水作業(yè)，解決產(chǎn)品一致性差問(wèn)題，并降低人力成本，提高生產(chǎn)效率，解決了電鍍工藝存在的工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和員工勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，解決了電鍍工藝存在的廢液排放問(wèn)題。

4 致冷晶片表面熱噴涂處理工藝的技術(shù)要點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

采用熱噴涂鎳層工藝取代傳統(tǒng)電鍍工藝，縮短了工藝流程、無(wú)化學(xué)污染，而且產(chǎn)品一致性好、質(zhì)量穩(wěn)定。目前，半導(dǎo)體致冷組件的晶片其傳統(tǒng)的表面處理工藝是電鍍方法，其工藝流程如下：晶片除油-凈水沖洗-丙酮浸泡-超聲波清洗-凈水沖洗-掛片-電解處理-凈水沖洗-活化-凈水沖洗-鍍鎳-凈水沖洗-質(zhì)量檢查-鍍錫-凈水沖洗-外觀檢測(cè)-取片-烘干-轉(zhuǎn)入下道工序。以上電鍍工藝存在以下幾方面問(wèn)題：①工藝復(fù)雜，晶片在復(fù)雜的工序中靠人工控制產(chǎn)品的質(zhì)量，周轉(zhuǎn)產(chǎn)品，這一缺陷易造成產(chǎn)品質(zhì)量一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；②電鍍工藝中用到的硫酸、鹽酸、丙酮等化學(xué)品生產(chǎn)過(guò)程容易產(chǎn)生污染。

本文討論的熱噴涂工藝，由河南鴻昌電子有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，并獲得國(guó)家創(chuàng)新基金資助。其工藝流程如下：晶片除油-凈水沖洗-烘干-流水線(xiàn)熱噴處理-掛錫-轉(zhuǎn)入下道工序。該工藝解決的技術(shù)難題及優(yōu)勢(shì)是：①該工藝不需要用硫酸、鹽酸、丙酮等化學(xué)品，不存在電鍍工藝中存在的污染問(wèn)題；②采用火焰噴涂的原理，通過(guò)對(duì)噴槍的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)流水線(xiàn)作業(yè)，解決了產(chǎn)品質(zhì)量一致性差問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率；③此工藝與電鍍工藝相比，縮短了工藝流程，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度；④項(xiàng)目工藝中選擇鎳絲替代電鍍陽(yáng)極鎳板作為主要原材料，通過(guò)自動(dòng)噴槍提高鎳圖層的附著性能，增加鎳涂層表面的平整，減少了鎳絲的浪費(fèi)；⑤進(jìn)一步對(duì)溫差電致冷元件表面強(qiáng)制形成一層有效的防擴(kuò)散材料，防止銅離子等有害雜質(zhì)向溫差電致冷元件擴(kuò)散的阻檔層材料，同時(shí)增強(qiáng)了溫差電致冷元件表面的可焊接性，極大地提高了產(chǎn)成品的可靠性和電耐久性，幾乎杜絕虛焊現(xiàn)象的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命，極大地提高了致冷器耐機(jī)械應(yīng)力環(huán)境的能力，相應(yīng)地提高了致冷器的耐沖擊力和熱電性能。

5 應(yīng)用前景

半導(dǎo)體致冷是一種固體物理制冷方式，與通常壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，無(wú)需制冷劑，無(wú)噪聲，無(wú)污染，體積小，可小型化、微型化，可靠性高，壽命長(zhǎng)，可電流反向加熱，易于恒溫。半導(dǎo)體致冷器件具有壓縮式和吸收式制冷無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)。隨著壓縮式制冷劑氟利昂逐漸禁止使用，人們的生活水平以及對(duì)產(chǎn)品環(huán)保意識(shí)的不斷提高，以及半導(dǎo)體致冷組件具有體積小、重量輕、無(wú)污染、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，深受市場(chǎng)歡迎。據(jù)專(zhuān)家估計(jì)，在今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，半導(dǎo)體致冷組件將以每年20%以上的速度遞增。未來(lái)的發(fā)展隨著新產(chǎn)品和專(zhuān)用個(gè)性化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，特別是中國(guó)市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，如電子車(chē)載冰箱、茶葉保存冰箱、便捷啤酒機(jī)、化妝品保鮮箱等產(chǎn)品市場(chǎng)將會(huì)成倍遞增，產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊。

而采用致冷晶片表面熱噴涂處理工藝生產(chǎn)半導(dǎo)體致冷組件，不僅解決了行業(yè)存在的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、質(zhì)量難以控制、工藝輔料成本昂貴等關(guān)鍵技術(shù)難題，還有效達(dá)到提高產(chǎn)品精度、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和降低污染的目的，使產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)具有非常強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］呂相銀，楊莉，凌永順.半導(dǎo)體致冷表面溫度的動(dòng)態(tài)特性［J］.低溫工程，2006（6）：45-47.

Application of Surface Thermal Spraying Process on Cooling Chips in Semiconductor Chiller Production

Wei Hongju1Zhang Yongqiang2
（1.Xuchang City High-tech Technology Innovation Service Center Co.,Ltd.，Xuchang Henan 461000；2.Xuchang City Supply and Marketing Cooperative，Xuchang Henan 461000）

Semiconductor cooling components(devices)is an important part of the power electronics industry,the industry requires strong professional.The process of semiconductor refrigeration device includes four key steps:cutting,spraying,assembling and welding.This paper focused on the analysis of the spraying process in the process,and the effect of the surface thermal spraying process on cooling chips.

semiconductor refrigeration；cooling chip；thermal spraying；technical points；application advantages

TB66

A

1003-5168（2017）04-0090-02

2017-03-16

魏洪菊（1975-），女，本科，工程師，研究方向：電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用；張永強(qiáng)（1974-），男，本科，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)、檔案管理。