專利名稱：制造銅-炭纖維復合材料及功率半導體器件中支撐電極的方法
技術領域：
本發明涉及一種新的銅-炭纖維復合材料的制造工藝以及用這種銅-炭纖維復合材料制造功率半導體器件中支撐電極的方法。
目前，國內外制造銅-炭纖維復合材料的方法一般為液體滲透法、電沉積-熱壓法和粉末冶金法等。采用這些方法制成的復合材料使用局限性較大，即具有一定的適用范圍，且其生產工藝過程復雜難控，產品質量不易保障。
在電子電氣領域中廣泛應用的功率半導體器件，其基本結構是硅晶片和銅極。由于硅晶片和銅極的熱膨脹系數相差懸殊，所以通常采用熱膨脹系數接近硅片的鉬作為硅晶片和銅極之間焊接的過渡材料，即支撐電極。但鉬為稀有金屬，價格昂貴，作為支撐電極對鉬片的純度要求很高，且焊接工藝復雜，性能不易保證。
本發明的目的在于提供一種工藝過程簡單易控的制造銅-炭纖維復合材料的新方法-炭纖維連續鍍銅工藝和利用該方法制成的銅-炭纖維復合材料制造功率半導體器件中支撐電極的新工藝。
本發明的炭纖維連續鍍銅工藝為對炭纖維束在焦磷酸鹽電鍍液中通過四對電極連續鍍銅，其過程為對炭纖維束清洗-表面活化處理-電鍍-清洗，所用炭纖維束一般為3～16股，每股為3000根。此工藝過程簡單，易控，所得到的銅-炭纖維復合材料性能優良、穩定、可靠，適用范圍廣，成品率近99%。
本發明利用銅-炭纖維復合材料制造功率半導體器件中支撐電極的工藝為用裝有φ1～1.5毫米的針作芯棒的繞線機將銅-炭纖維復合材料按渦卷狀繞制，渦卷的外徑為支撐電極成品的直徑，厚度為成品厚度的3倍，繞制完后，將針芯棒抽出，再將該渦卷狀銅-炭纖維復合材料在還原性氣氛中熱壓，熱壓溫度為550-750℃，熱壓壓力為50～55兆帕，時間為30～45分鐘，然后保壓冷卻至100～200℃卸壓出爐，由此得到的支撐電極片其內炭纖維的走向為無芯渦卷狀。這種用銅-炭纖維復合材料代替稀有金屬鉬片作支撐電極的工藝，過程簡單，形成的薄片支撐電極電阻值低，電損耗小，同時不僅可節省大量的稀有金屬鉬，降低其成本(僅為鉬片的三分之一)，還克服了鉬片加工過程中易出現裂紋、分層、變形、各向異性等缺點，具有顯著的經濟效益。
以下將結合附圖詳述本發明的實施例。


圖1炭纖維連續鍍銅裝置示意圖。
圖2銅-炭纖維復合材料制成的渦卷狀支撐電極局部剖面示意圖。
一、炭纖維連續鍍銅工藝。
圖1也為電鍍工藝流程圖。圖中1為炭纖維束，它在電鍍液中為陰極，2為傳動滾輪，3為清洗液，4為活化液，5為電鍍液，6為清洗液，7為陽極，8為陽極，9為陽極，鍍銅的工藝過程為a.將不上膠的3股炭纖維束1由電動機帶動的傳動滾輪2傳送，經蒸餾水清洗液3清洗;b.將清洗過的炭纖維束1送入活化液4進行活化處理。活化液4為1～15%的氫氧化鈉水溶液;C.將活化處理過的炭纖維束1送入電鍍液5中進行鍍銅。電鍍液5為焦磷酸鹽溶液，其成分和濃度為焦磷酸銅50～60克/升，焦磷酸鉀為200～300克/升，檸檬酸銨為20～30克/升。電鍍過程中炭纖維束1要經過四對電極進行連續鍍銅，即陽極7與炭纖維束1組成第一對電極，陽極8與炭纖維束1組成第二、第三對電極，陽極9與炭纖維束組成第四對電極，每對電極的電流需要分別控制。圖1中由左至右，第一對電極陰極(即炭纖維束1)的電流密度為0.1安/分米2，第二、第三對電極共用一只電表，其陰極電流密度皆為0.5安/分米2，第四對電極陰極的電流密度為0.8安/分米2。陽極和陰極的面積之比為1∶1～2∶1。電鍍液的溫度為38～40℃，PH值為7～8，焦磷酸根(P2O7)4-與銅離子濃度之比為7∶1，炭纖維束的傳送速度為180毫米/分鐘，一般可在100～200毫米/分鐘范圍內選擇;d.經過電鍍工序后的銅-炭纖維復合材料即成復合原絲，再經蒸餾水清洗液6清洗;e.將此銅-炭纖維復合原絲在真空中烘干，烘干溫度為100～200℃。至此，炭纖維連續鍍銅工藝結束。每根炭纖維上都能均勻地鍍上1微米厚的鍍層。
二、制造支撐電極工藝。
將清洗、烘干后的銅-炭纖維復合原絲用裝有φ1～1.5毫米的針作芯棒的繞線機繞制成渦卷狀，繞成的渦卷的大小如前所述。繞制完后，收緊，并將針狀芯棒抽出，然后熱壓成片狀，即支撐電極片。熱壓在還原性氣氛(如H2)中按前述的溫度、壓力進行，并保溫30～45分鐘，然后保壓冷卻至100～200℃后卸壓出爐，即可得到無芯渦卷狀銅-炭纖維復合材料支撐電極片成品，如圖2所示。
權利要求
1.一種銅-炭纖維復合材料的復合工藝，其特征是對炭纖維束在焦磷酸鹽電鍍液中通過四對電極連續鍍銅，其工藝過程為對炭纖維束清洗-表面活化處理-電鍍-清洗。所用炭纖維束一般為3～16股。
2.按權利要求1所述的銅-炭纖維復合材料的復合工藝，其特征是電鍍過程中每對電極的電流分別控制，第一對電極陰極電流密度為0.1安/分米2，第二和第三對電極共用一只電表，其陰極電流密度皆為0.5安/分米2，第四對電極陰極電流密度為0.8安/分米2。
3.按權利要求1所述的銅-炭纖維復合材料的復合工藝，其特征是電鍍中所用的焦磷酸鹽電鍍液的成分和濃度為焦磷酸銅50～60克/升，焦磷酸鉀為200～300克/升，檸檬酸銨為20～30克/升，電鍍液中焦磷酸根(P2O7)4與銅離子的濃度之比為7∶1，PH值為7～8，溫度為38～40℃，陽極和陰極的面積之比為1∶1～2∶1，炭纖維束的傳送速度為180毫米/分鐘。
4.按權利要求1所述的銅-炭纖維復合材料的復合工藝，其特征是活化處理過程中所用的活化液為1～15%的氫氧化鈉水溶液。
5.一種用銅-炭纖維復合材料制造功率半導體器件中支撐電極的工藝，其特征是(1).用裝有φ1～1.5毫米的針作芯棒的繞線機將銅-炭纖維復合材料繞制成渦卷狀，渦卷的外徑是支撐電極成品的直徑，厚度是成品厚度的3倍，繞制完后將針芯棒抽出;(2).將繞制成的無芯銅-炭纖維渦卷在還原性氣氛中熱壓，熱壓溫度為550～750℃，壓力為50～55兆帕，時間為30～45分鐘，然后保壓冷卻至100～200℃后卸壓出爐。
全文摘要
本發明公開了一種銅-炭纖維復合材料的復合新工藝和用銅-炭纖維復合材料制造功率半導體器件支撐電極的方法，復合工藝的特點是對多股炭纖維束連續鍍銅，工藝過程簡單，易控，成品率高。支撐電極的制造方法是將銅-炭纖維復合材料繞制成渦卷狀，隨后在還原性氣氛中熱壓成片。工藝簡便，成本低。用該片代替傳統的鉬片作支撐電極既克服了鉬片易裂、分層、各向異性等缺點，又節省了大量的稀有金屬鉬，具有顯著的經濟效益。
文檔編號C25D5/54GK1042196SQ8910797
公開日1990年5月16日 申請日期1989年10月27日 優先權日1989年10月27日
發明者應美芳, 王成福 申請人:合肥工業大學