一种热电晶粒焊接方法技术

本发明专利技术提供了一种热电晶粒焊接方法，在现有合金焊料焊接技术基础上，在焊接界面构建金属化石墨烯柔性层，并通过热压键合方法将石墨烯与电极层实现稳定冶金连接。本发明专利技术通过设计热电器件焊接界面材料及结构，在不影响热、电传输性能和力连接稳定性条件下，优化焊接界面热应力匹配，同时镍金属化的石墨烯结构能够有效发挥铜原子阻挡层作用，有利于提升器件稳定和长期稳定服役能力。和长期稳定服役能力。

【技术实现步骤摘要】
一种热电晶粒焊接方法


[0001]本专利技术涉及热电器件制造
，尤其涉及一种热电晶粒焊接方法。

技术介绍

[0002]热电器件制造过程中，热电材料金属化形成电极之后需要与封装载板金属电极连接。目前主要采用锡焊或钎焊方法在连接界面填充合金焊料，固化后实现连接集成，温度一般在250～400℃左右，作用原理是组成焊料的金属元素在低温下形成共晶组织。焊接方法广泛用于电子制造，在成本和工艺成熟度等方面具有优势。除此之外，电弧喷涂、热压键合、放电等离子烧结(SPS)等技术先后被应用于热电器件的封装制造，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。但是现有的焊接技术，热电器件服役过程中热应力会使焊接界面形成新的裂纹缺陷。
[0003]因此，如何得到一种适宜的焊接方式，解决现有焊接技术导致的上述问题，已成为领域内诸多具有前瞻性的研究人员广泛关注的焦点之一。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种热电晶粒焊接方法。本专利技术通过在封装连接界面单层或多层金属化石墨烯结构，实现石墨烯与金属电极稳定冶金连接的同时，发挥石墨烯结构调控界面热应力的作用，提升焊接界面吸收热应力的能力。
[0005]本专利技术提供了一种热电晶粒焊接方法，包括以下步骤：
[0006]1)在覆铜基板的铜结构层表面制备纳米金属针锥结构，得到表面具有纳米金属针锥的覆铜基板；
[0007]在石墨烯上沉积铜金属层，得到石墨烯
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铜复合材料；
[0008]2)将石墨烯
‑
铜复合材料的转移至覆铜基板的表面，使得铜金属层面向覆铜基板，然后在石墨烯表面沉积镍金属，再经过热压后，得到半成品；
[0009]3)将表面沉积有金属阻挡层的半导体晶粒和上述步骤得到的半成品，通过焊料进行焊接后，得到热电晶粒单面与覆铜基板的焊接集成封装。
[0010]优选的，所述纳米金属针锥包括纳米铜针锥；
[0011]所述纳米金属针锥的锥底直径为20～50nm；
[0012]所述纳米金属针锥的长度10～30nm。
[0013]优选的，所述覆铜基板表面的覆铜层为具有图形化的铜结构层；
[0014]所述覆铜基板包括覆铜陶瓷基板。
[0015]优选的，所述石墨烯为石墨烯膜层；
[0016]所述石墨烯包括单层石墨烯或多层石墨烯。
[0017]优选的，所述石墨烯
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铜复合材料的具体制备步骤，包括：在基底上制备石墨烯薄膜，并转移至转移介质上，溶解去除基底，再在石墨烯表面沉积铜金属层；
[0018]所述铜金属层的厚度为5～10nm；
[0019]所述镍金属层的厚度为5～10nm。
[0020]优选的，所述基底包括铜箔；
[0021]所述转移介质包括PMMA；
[0022]所述热压前还包括退火处理步骤。
[0023]优选的，所述热压的压力为1～5MPa；
[0024]所述热压的温度为250～350℃；
[0025]所述热压的时间大于等于30min。
[0026]优选的，所述表面沉积有金属阻挡层的半导体晶粒包括双面沉积有金属阻挡层的半导体晶粒；
[0027]所述半导体晶粒包括锑化铋晶粒；
[0028]所述半导体晶粒由沉积有金属阻挡层的一面与覆铜基板进行焊接。
[0029]优选的，半导体晶粒包括一组或多组的PN型长方体晶粒热电偶对；
[0030]所述镍层的厚度为1～3μm。
[0031]优选的，所述焊料包括共晶合金焊料；
[0032]所述焊接的方式包括真空回流焊；
[0033]所述焊接方式还包括将半导体晶粒的另一面与覆铜基板进行焊接的步骤。
[0034]本专利技术提供了一种热电晶粒焊接方法，包括以下步骤，首先在覆铜基板的铜结构层表面制备纳米金属针锥结构，得到表面具有纳米金属针锥的覆铜基板；在石墨烯上沉积铜金属层，得到石墨烯
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铜复合材料；然后将石墨烯
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铜复合材料的转移至覆铜基板的表面，使得铜金属层面向覆铜基板，然后在石墨烯表面沉积镍金属，再经过热压后，得到半成品；最后将表面沉积有金属阻挡层的半导体晶粒和上述步骤得到的半成品，通过焊料进行焊接后，得到热电晶粒单面与覆铜基板的焊接集成封装。与现有技术相比，本专利技术针对现有的焊接技术，会导致热电器件服役过程中热应力会使焊接界面形成新的裂纹的缺陷。本专利技术研究认为，通过设计界面材料及结构能够在一定程度上优化焊接界面热应力匹配。
[0035]基于此，本专利技术提供了一种特定的热电晶粒焊接方法，在现有合金焊料焊接技术基础上，在焊接界面构建金属化石墨烯柔性层，并通过热压键合方法将石墨烯与电极层实现稳定冶金连接。本专利技术通过设计热电器件焊接界面材料及结构，在不影响热、电传输性能和力连接稳定性条件下，优化焊接界面热应力匹配，同时镍金属化的石墨烯结构能够有效发挥铜原子阻挡层作用，有利于提升器件稳定和长期稳定服役能力。
附图说明
[0036]图1为本专利技术实施例提供的焊接方法示意图。
具体实施方式
[0037]为了进一步了解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点而不是对本专利技术专利要求的限制。
[0038]本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
[0039]本专利技术所有原料，对其纯度没有特别限制，本专利技术优选采用分析纯或热电器件制造领域常规的纯度即可。
[0040]本专利技术提供了一种热电晶粒焊接方法，包括以下步骤：
[0041]1)在覆铜基板的铜结构层表面制备纳米金属针锥结构，得到表面具有纳米金属针锥的覆铜基板；
[0042]在石墨烯上沉积铜金属层，得到石墨烯
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铜复合材料；
[0043]2)将石墨烯
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铜复合材料的转移至覆铜基板的表面，使得铜金属层面向覆铜基板，然后在石墨烯表面沉积镍金属，再经过热压后，得到半成品；
[0044]3)将表面沉积有金属阻挡层的半导体晶粒和上述步骤得到的半成品，通过焊料进行焊接后，得到热电晶粒单面与覆铜基板的焊接集成封装。
[0045]本专利技术首先在覆铜基板的铜结构层表面制备纳米金属针锥结构，得到表面具有纳米金属针锥的覆铜基板；
[0046]在石墨烯上沉积铜金属层，得到石墨烯
‑
铜复合材料。
[0047]在本专利技术中，所述纳米金属针锥优选包括纳米铜针锥。
[0048]在本专利技术中，所述纳米金属针锥的锥底直径优选为20～50nm，更优选为25～45nm，更优选为30～40nm。
[0049]在本专利技术中，所述纳米金属针锥的长度优选为10～30nm，更优选为14～26nm，更优选为18～22nm。
[0050]在本专利技术中，所述覆铜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热电晶粒焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在覆铜基板的铜结构层表面制备纳米金属针锥结构，得到表面具有纳米金属针锥的覆铜基板；在石墨烯上沉积铜金属层，得到石墨烯
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铜复合材料；2)将石墨烯
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铜复合材料的转移至覆铜基板的表面，使得铜金属层面向覆铜基板，然后在石墨烯表面沉积镍金属，再经过热压后，得到半成品；3)将表面沉积有金属阻挡层的半导体晶粒和上述步骤得到的半成品，通过焊料进行焊接后，得到热电晶粒单面与覆铜基板的焊接集成封装。2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述纳米金属针锥包括纳米铜针锥；所述纳米金属针锥的锥底直径为20～50nm；所述纳米金属针锥的长度10～30nm。3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述覆铜基板表面的覆铜层为具有图形化的铜结构层；所述覆铜基板包括覆铜陶瓷基板。4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述石墨烯为石墨烯膜层；所述石墨烯包括单层石墨烯或多层石墨烯。5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述石墨烯
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【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓辉，赵兰普，张彦昌，梁楠，王其富，王建业，吴顺丽，
申请(专利权)人：河南省科学院，
类型：发明
国别省市：