致冷晶片表面热喷涂处理工艺在半导体制冷器生产中的应用

魏洪菊张永强

（1.许昌市高新技术创业服务中心有限公司，河南许昌 461000；2.许昌市供销合作社，河南许昌 461000）

致冷晶片表面热喷涂处理工艺在半导体制冷器生产中的应用

魏洪菊1张永强2

（1.许昌市高新技术创业服务中心有限公司，河南许昌 461000；2.许昌市供销合作社，河南许昌 461000）

半导体致冷组件（器件）是电力电子产业的重要组成部分，行业要求专业性较强。半导体致冷（组件）器件的加工过程主要包括半导体切割、喷涂、组装、焊接4个关键环节。本文重点对加工过程中的喷涂环节，采用致冷晶片表面处理热喷涂工艺所产生的作用进行探讨。

半导体致冷；致冷晶片；热喷涂；技术要点；应用优势

1 半导体致冷研究现状

半导体致冷亦称电子致冷也叫温差致冷，是由半导体所组成的一种冷却装置，其开辟了制冷技术的一个新分支，实现了可提供高效电传导率（易于电传导）及低热传导率（易于热传导）的电子冷却器件，解决了许多特殊场合的制冷难题，满足了人们在特种场合的需要［1］。半导体致冷组件是通过直流电流可自由进行温度控制的电子元件。由于其具有控制方便、运行可靠、布局灵活、适应性强等特点而得到了广泛的应用。

半导体致冷（组件）器件的加工过程主要包括半导体切割、喷涂、组装、焊接4个关键环节。目前半导体致冷器件一直沿用线性排列半导体晶粒的组装结构，依次由一个N型半导体晶粒和一个P型半导体晶粒在电路上通过串联的形式连接组成。这种连接方法在热应力的作用下强度太低，容易造成半导体晶粒损坏，直接影响半导体致冷器件的可靠性，而且当半导体致冷器件中的任何一颗半导体晶粒损坏时，将导致整个半导体器件的报废。在应用半导体致冷器件的设备上，因为组装半导体器件要求很精密，所以更换失效的半导体致冷器件成本较高，特别是当致冷功率和致冷深度要求较大时，必须采用多个半导体致冷器件串联使用，一旦其中一片半导体器件损坏，很容易导致整个致冷系统的瘫痪。其次，现有半导体致冷器件上的氧化铝陶瓷基板，其金属化图形面积太小，采用手工操作，不利于提高金属化与陶瓷基板间的附着强度。因其导线的焊接点空间有限，焊接区域太小，会造成导线的焊接强度不够，严重影响半导体致冷组件（器件）的整体使用寿命。尤其是焊接工艺技术落后，主要采用纯粹手动操作夹具、靠人工目测观察的手动焊接技术，生产效率低，劳动强度大，产品的一致性、电耐久性、可靠性差，严重影响产品的质量和企业的生产效率。因此，对半导体制冷器件的生产工艺、生产技术开展深入研究就显得尤为迫切。

2 半导体制冷器件技术现状

传统的半导体致冷组件的生产工艺流程为晶棒制备-晶片切割-晶片的表面处理-晶片切粒-清洗烘干-封装-清洗-焊引线-密封-检测-入库。该生产工艺复杂，过程难以控制，产品质量一致性差、不稳定难以控制，工艺辅料成本昂贵，工人劳动强度大，而且存在化学污染。目前，国内厂家的致冷晶棒制备工艺也大致一样，并且在晶片表面处理、晶粒的切割、产品的封装工艺上都不太完善。其存在的主要关键技术问题如下：①半导体致冷晶片表面处理采用传统的电镀方法，工艺复杂；②将晶片切割成晶粒常采用内圆刀片切割工艺，切割精度不高，工艺辅料昂贵，生产周期长，切割效率低，而且存在化学污染。

3 致冷晶片表面热喷涂处理工艺技术概述

致冷晶片表面热喷涂处理，采用火焰喷涂的原理，通过对喷枪的合理设计，实现半自动流水作业，解决产品一致性差问题，并降低人力成本，提高生产效率，解决了电镀工艺存在的工艺复杂、生产周期长和员工劳动强度大的问题，解决了电镀工艺存在的废液排放问题。

4 致冷晶片表面热喷涂处理工艺的技术要点及优势

采用热喷涂镍层工艺取代传统电镀工艺，缩短了工艺流程、无化学污染，而且产品一致性好、质量稳定。目前，半导体致冷组件的晶片其传统的表面处理工艺是电镀方法，其工艺流程如下：晶片除油-净水冲洗-丙酮浸泡-超声波清洗-净水冲洗-挂片-电解处理-净水冲洗-活化-净水冲洗-镀镍-净水冲洗-质量检查-镀锡-净水冲洗-外观检测-取片-烘干-转入下道工序。以上电镀工艺存在以下几方面问题：①工艺复杂，晶片在复杂的工序中靠人工控制产品的质量，周转产品，这一缺陷易造成产品质量一致性差、质量不稳定，工人劳动强度大；②电镀工艺中用到的硫酸、盐酸、丙酮等化学品生产过程容易产生污染。

本文讨论的热喷涂工艺，由河南鸿昌电子有限公司研发团队自主研发，并获得国家创新基金资助。其工艺流程如下：晶片除油-净水冲洗-烘干-流水线热喷处理-挂锡-转入下道工序。该工艺解决的技术难题及优势是：①该工艺不需要用硫酸、盐酸、丙酮等化学品，不存在电镀工艺中存在的污染问题；②采用火焰喷涂的原理，通过对喷枪的合理设计，实现半自动流水线作业，解决了产品质量一致性差问题，提高产品质量的稳定性和生产效率；③此工艺与电镀工艺相比，缩短了工艺流程，降低了工人劳动强度；④项目工艺中选择镍丝替代电镀阳极镍板作为主要原材料，通过自动喷枪提高镍图层的附着性能，增加镍涂层表面的平整，减少了镍丝的浪费；⑤进一步对温差电致冷元件表面强制形成一层有效的防扩散材料，防止铜离子等有害杂质向温差电致冷元件扩散的阻档层材料，同时增强了温差电致冷元件表面的可焊接性，极大地提高了产成品的可靠性和电耐久性，几乎杜绝虚焊现象的产生，延长了产品的使用寿命，极大地提高了致冷器耐机械应力环境的能力，相应地提高了致冷器的耐冲击力和热电性能。

5 应用前景

半导体致冷是一种固体物理制冷方式，与通常压缩机制冷系统相比，其优点是没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪声，无污染，体积小，可小型化、微型化，可靠性高，寿命长，可电流反向加热，易于恒温。半导体致冷器件具有压缩式和吸收式制冷无法替代的优点。随着压缩式制冷剂氟利昂逐渐禁止使用，人们的生活水平以及对产品环保意识的不断提高，以及半导体致冷组件具有体积小、重量轻、无污染、节能和环保等优点，深受市场欢迎。据专家估计，在今后很长的一段时间里，半导体致冷组件将以每年20%以上的速度递增。未来的发展随着新产品和专用个性化产品的开发和应用，特别是中国市场的开发，如电子车载冰箱、茶叶保存冰箱、便捷啤酒机、化妆品保鲜箱等产品市场将会成倍递增，产品市场前景广阔。

而采用致冷晶片表面热喷涂处理工艺生产半导体致冷组件，不仅解决了行业存在的生产工艺复杂、质量难以控制、工艺辅料成本昂贵等关键技术难题，还有效达到提高产品精度、提高生产效率、降低生产成本和降低污染的目的，使产品在国内、国际市场具有非常强的竞争力。

［1］吕相银，杨莉，凌永顺.半导体致冷表面温度的动态特性［J］.低温工程，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，工程师，研究方向：电子技术、计算机应用；张永强（1974-），男，本科，工程师，研究方向：计算机、档案管理。