一种半导体制冷器及制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件技术领域，更具体地说，它涉及一种半导体制冷器及制备方法。


背景技术：

2.半导体制冷器，也叫热电制冷器（thermoelectric cooler，tec），它以其体积小、无运动部件、可靠性高、绿色环保等独特优势，在医疗控温、车载制冷、民用制冷、光通讯控温等场合具有广泛应用。尤其，光通讯应用场景对控温器件体积小、可靠性高的要求使得tec成为无可替代的核心部件。需要指出地是，目前光通讯行业对tec与光模块进行连接的方式主要有两种：银浆粘结与锡料焊接。前者所需温度不高，一般在100度左右；后者，视所采用的具体锡料的熔点。不同光器件及光模组制造商将tec与光模块进行连接的工艺不同，有生产厂商如三菱，采用金锡焊料对光模块进行焊接，要求tec能够耐温350摄氏度。
3.考虑tec生产的工艺性，目前tec生产厂商主要采用au80sn20焊料进行真空焊接。该焊料冷却后，其焊接层熔点为280摄氏度。无法满足光通讯厂商的耐温要求，制约tec在光通讯市场的应用。


技术实现要素：

4.为了克服上述不足，本发明提供了一种半导体制冷器及制备方法，本技术的半导体制冷器焊接区组织结构均匀，焊接层可到达350度的耐温性能，满足使用要求。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种半导体制冷器，包括：两基板，基板上设有电极；热电元件，设置在两基板之间；热电元件在和基板相对的表面上依次设置内阻挡层和内焊接扩散层，电极上设置外阻挡层；热电元件和基板焊接使内焊接扩散层和外阻挡层之间形成焊接层，内焊接扩散层的元素成分扩散到焊接层改变焊接层的成分比例。
6.热电元件与基板焊接后形成一个完整的半导体制冷器。内焊接扩散层的元素成分扩散到焊接层改变焊接层的成分比例，焊接层冷却后，将不会形成低熔点的ausn-au5sn间隔交替的组织。焊接层存在的金属间化合物为ausn、au5sn单独的相。而ausn的熔点为419度，au5sn在190度左右发生共析反应，生成ausn相及另一种富金相，该相在532度时开始部分熔化，因此焊接层的熔点得到了提高。焊接过程中内阻挡层能够防止熔融的内焊接扩散层和焊接层扩散入侵到热电元件中，对热电元件起到了保护的作用。外阻挡层能够防止电极的元素扩散侵入焊接层，甚至热电元件，同时在退火过程中，外阻挡层成分扩散至焊接层内改变焊接层成分比例。
7.本技术的半导体制冷器焊接区组织结构均匀，焊接层可到达350度的耐温性能，满足使用要求。
8.作为优选，内阻挡层包含ni、sn、au、pd、pt中的一种或多种。
9.这样设置的阻挡层稳定可靠，对热电元件保护效果好。
10.作为优选，内焊接扩散层包含ni、sn、au中的一种或多种。
11.这样设置的内焊接扩散层在焊接和退火的过程中扩散层元素扩散至焊接层内直接改变焊接层原有成分比例，亦或与焊接层元素形成化合物，消耗部分元素，进而改变原始au、sn元素成分比例。
12.作为优选，外阻挡层包含ni层、au层、sn层中的一种或多种。
13.外阻挡层的元素不仅能够扩散到焊接层改变焊接层的成分比例，而且能够防止电极的元素扩散侵入焊接层以及提高焊接强度。
14.作为优选，外阻挡层厚度0.5-20μm。
15.外阻挡层厚度设置合理，满足使用要求。
16.作为优选，内阻挡层和内焊接扩散层一起的厚度1-20μm。
17.内阻挡层和内焊接扩散层一起的厚度在满足使用要求的前提下，保证热传导性，从而保证半导体制冷器的性能。
18.作为优选，焊接层厚度《40μm，焊接层包含au、sn。
19.焊接层厚度控制在一定范围内，保证连接可靠性以及焊接层各区域成分均匀性。
20.一种半导体制冷器的制备方法，包括以下步骤：s1，将bi2te3基材晶棒进行切片得到晶片；s2，将晶片进行化学刻蚀处理；s3，在晶片两侧表面上均制备内阻挡层和内焊接扩散层，内阻挡层为ni层，内焊接扩散层为au层和sn层中的一种或两种；s4，将晶片切割成设定的尺寸形成热电元件；s5，在绝缘材料板上镀覆一层电极，作为基板；s6，在电极上覆上外阻挡层，外阻挡层为ni层，或au层，或ni层加au层；s7，按照图纸形状在基板的外阻挡层上刻蚀出所需电路图完成基板的制备；s8，将s4中制得的热电元件与s7中制备完成的基板进行焊接完成半导体制冷器的制备，在基板和热电元件之间形成焊接层。
21.基板和热电元件焊接过程中，焊接的高温使焊料处于熔融状态，随着焊接时间的延长，内焊接扩散层可扩散至熔融的焊接层中，同时外阻挡层也分散到熔融焊接层中。但是存在元素扩散不均匀的现象，因此，需要通过在延长焊接过程中的保温时间，亦或焊接完成后进行真空退火处理来促进。电极侧外阻挡层的金属元素，以及热电元件上内阻挡层和内焊接扩散层的金属元素扩散至焊接层，改变焊接层原始成分比例，获得均匀的焊接层组织结构。以au元素为例，au元素质量百分比增多，从而改变了焊接层成分比例，焊料冷却后，将不会形成低熔点的ausn-au5sn间隔交替的组织。焊接层存在的金属间化合物为ausn、au5sn单独的相，焊接层组织结构均匀。而ausn的熔点为419度，au5sn在190度左右发生共析反应，生产ausn相及另一种富金相，该相在532度时开始部分熔化。因此，焊接层的熔点大大提高，提高了焊接层的耐温性能。
22.作为优选，将s8制得的半导体制冷器进行真空退火处理。
23.焊接完成的半导体制冷器再进行真空退火处理，促进焊接层成分均匀性，能够提高焊接层组织结构的均匀性。
24.作为优选，s8中在真空炉内进行焊接，焊接过程中进行保温退火处理，焊接层的厚度小于40μm，焊接峰值温度为300℃，保温一段时间；之后再以250℃的温度保温一段时间，再进行冷却。
25.经过上述保温退火工艺过程，有利于焊接层上方和下方的金属扩散到焊接层内，从而改变焊接层的元素比例，从而提高焊接层的熔点。焊接层的组织结构更加均匀稳定，提高了焊接层的强度。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本技术的半导体制冷器焊接区组织结构均匀，焊接层可到达350度的耐温性能，满足使用要求。
附图说明
27.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的实施例1的剖视图；图3是本发明的实施例2的剖视图；图4是本发明的对比例的剖视图；图5是本发明的实施例1焊接层的组织结构图；图6是本发明的实施例2焊接层的组织结构图；图7是本发明的对比例焊接层的组织结构图；图中：1、基板，2、电极，3、热电元件，4、内阻挡层，5、内焊接扩散层，6、外阻挡层，7、焊接层，8、ni层，9、sn层。
具体实施方式
28.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：实施例1：一种半导体制冷器（参见附图1、附图2），包括：两基板1，基板上设有电极2，基板采用绝缘氮化铝板，电极为铜电极；热电元件3，设置在两基板之间；热电元件在和基板相对的表面上依次设置内阻挡层4和内焊接扩散层5，电极上设置外阻挡层6；热电元件和基板焊接使内焊接扩散层和外阻挡层之间形成焊接层7，内焊接扩散层的元素成分扩散到焊接层改变焊接层的成分比例。
29.内阻挡层包含ni、sn、au、pd、pt中的一种或多种。本实施例中内阻挡层为ni层。
30.内焊接扩散层包含ni、sn、au中的一种或多种。本实施例中内焊接扩散层为sn层。
31.外阻挡层包含ni层、au层、sn层中的一种或多种。本实施例中外阻挡层为ni层。
32.焊接层包含au、sn，本实施例焊接层的焊料为au80sn20。
33.内阻挡层和内焊接扩散层一起的厚度1-20μm。外阻挡层厚度0.5-20μm。焊接层厚度《40μm。本实施例中内阻挡层厚度为1-10μm，内焊接扩散层的厚度3-5μm，外阻挡层厚度2-8μm，焊接层厚度为30μm。
34.一种半导体制冷器的制备方法，包括以下步骤：s1，将bi2te3基材晶棒进行切片得到晶片；s2，将晶片进行化学刻蚀处理；s3，在晶片两侧表面上均制备内阻挡层和内焊接扩散层，内阻挡层为ni层，内焊接
扩散层为au层和sn层中的一种或两种，本实施例中内焊接扩散层为sn层，内阻挡层和内焊接扩散层采用电镀的方法进行制备；s4，将晶片切割成设定的尺寸形成热电元件；s5，在绝缘材料氮化铝板上镀覆一层cu金属形成电极，从而将绝缘材料氮化铝板作为基板；s6，在电极上覆上外阻挡层，外阻挡层为ni层，或au层，或ni层加au层，本实施例中外阻挡层为ni层；s7，按照图纸形状在基板的外阻挡层上刻蚀出所需电路图完成基板的制备；s8，将s4中制得的热电元件与s7中制备完成的基板进行焊接完成半导体制冷器的制备，在基板和热电元件之间形成焊接层；采用au80sn20焊料在真空炉内进行焊接，保证焊接层厚度30μm；焊接峰值温度为300℃；s9，将s8制得的半导体制冷器进行真空退火处理，退火温度为280℃，时间为100s。
35.本实施例中制备的半导体制冷器，焊接层组织结构如图5所示，焊接层内组织均匀，无低熔点共晶组织，其熔点高于350℃。
36.实施例2：一种半导体制冷器（参见附图3），其结构与实施例1相似，主要不同点在于本实施例中内焊接扩散层为au层，厚度为200~2000nm。外阻挡层包含ni层8、sn层9，sn层设置在ni层上。外阻挡层的ni层厚度2-10μm，外阻挡层的sn层厚度3-10μm。其它结构与实施例1相同。
37.一种半导体制冷器的制备方法，其工艺步骤与实施例1相似，主要不同点在于本实施例中步骤s3，在晶片两侧表面上均制备内阻挡层和内焊接扩散层，内阻挡层为ni层，厚度为2~10μm，内焊接扩散层为au层，厚度为200~2000nm，内阻挡层和内焊接扩散层采用电镀的方法进行制备。步骤s6中，在电极上覆上外阻挡层，外阻挡层包含ni层、sn层，sn层设置在ni层上，外阻挡层的ni层厚度2-10μm，外阻挡层的sn层厚度3-10μm。步骤s8中，焊接过程中进行保温退火处理，焊接层厚度小于30μm，焊接峰值温度为300℃，保温60秒；之后再以250℃的温度保温600秒，再进行冷却。省去实施例1中的步骤s9。其它工艺步骤与实施例1相同。
38.本实施例中制备的半导体制冷器，焊接层组织结构如图6所示，焊接层内组织均匀，无低熔点共晶组织，其熔点高于350℃。
39.对比例: 一种半导体制冷器的制备方法，半导体制冷器的结构如图4所示，制备方法包括以下步骤：s1，将bi2te3基材晶棒进行切片得到晶片；s2，将晶片进行化学刻蚀处理；s3，在晶片两侧表面上均制备内阻挡层和内焊接扩散层，内阻挡层为ni层，厚度为2~10μm；内焊接扩散层为au层，厚度为200~2000nm；内阻挡层和内焊接扩散层采用电镀的方法进行制备；s4，将晶片切割成设定的尺寸形成热电元件；s5，在绝缘材料氮化铝板上镀覆一层cu金属形成电极，从而将绝缘材料氮化铝板作为基板；s6，在电极上覆上外阻挡层，外阻挡层为ni层加sn层，ni层厚度为2~8微米；sn层在ni层上，厚度为2~7微米；
s7，按照图纸形状在基板的外阻挡层上刻蚀出所需电路图完成基板的制备；s8，将s4中制得的热电元件与s7中制备完成的基板进行焊接完成半导体制冷器的制备，在基板和热电元件之间形成焊接层；采用au80sn20焊料在真空炉内进行焊接，保证焊接层厚度小于30μm；焊接峰值温度为300℃，保温60s；本实施例中制备的半导体制冷器，焊接层组织结构如图7所示，焊接层内存在大部分低熔点组织，其熔点仅为280℃。
40.以上所述的实施例只是本发明较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

技术特征：
1.一种半导体制冷器，其特征是，包括：两基板，基板上设有电极；热电元件，设置在两基板之间；热电元件在和基板相对的表面上依次设置内阻挡层和内焊接扩散层，电极上设置外阻挡层；热电元件和基板焊接使内焊接扩散层和外阻挡层之间形成焊接层，内焊接扩散层的元素成分扩散到焊接层改变焊接层的成分比例。2.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器，其特征是，内阻挡层包含ni、sn、au、pd、pt中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器，其特征是，内焊接扩散层包含ni、sn、au中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器，其特征是，外阻挡层包含ni层、au层、sn层中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器，其特征是，外阻挡层厚度0.5-20μm。6.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器，其特征是，内阻挡层和内焊接扩散层一起的厚度1-20μm。7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种半导体制冷器，其特征是，焊接层厚度<40μm，焊接层包含au、sn。8.一种半导体制冷器的制备方法，其特征是，包括以下步骤：s1，将bi2te3基材晶棒进行切片得到晶片；s2，将晶片进行化学刻蚀处理；s3，在晶片两侧表面上均制备内阻挡层和内焊接扩散层，内阻挡层为ni层，内焊接扩散层为au层和sn层中的一种或两种；s4，将晶片切割成设定的尺寸形成热电元件；s5，在绝缘材料板上镀覆一层电极，作为基板；s6，在电极上覆上外阻挡层，外阻挡层为ni层，或au层，或ni层加au层；s7，按照图纸形状在基板的外阻挡层上刻蚀出所需电路图完成基板的制备；s8，将s4中制得的热电元件与s7中制备完成的基板进行焊接完成半导体制冷器的制备，在基板和热电元件之间形成焊接层。9.根据权利要求8所述的一种半导体制冷器的制备方法，其特征是，将s8制得的半导体制冷器进行真空退火处理。10.根据权利要求8所述的一种半导体制冷器的制备方法，其特征是，s8中在真空炉内进行焊接，焊接过程中进行保温退火处理，焊接层的厚度小于40μm，焊接峰值温度为300℃，保温一段时间；之后再以250℃的温度保温一段时间，再进行冷却。

技术总结
本发明公开了一种半导体制冷器及制备方法，旨在解决半导体制冷器的焊接区域熔点低，无法满足使用要求的不足。该发明包括两基板，基板上设有电极；热电元件，设置在两基板之间；热电元件在和基板相对的表面上依次设置内阻挡层和内焊接扩散层，电极上设置外阻挡层；热电元件和基板焊接使内焊接扩散层和外阻挡层之间形成焊接层，内焊接扩散层的元素成分扩散到焊接层改变焊接层的成分比例。本申请的半导体制冷器焊接区组织结构均匀，焊接层可到达350度的耐温性能，满足使用要求。满足使用要求。满足使用要求。


技术研发人员：崔博然 李明 吴永庆 唐泽丰
受保护的技术使用者：杭州大和热磁电子有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/10/11