[發明專利]一種高可靠性熱電器件及制備方法

有效

• 申請號: 202011297638.8
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112331759B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 宋曉輝;趙華東;呂鵬;張瑞;張景雙;李和林;許俊杰;張響;宋紅章;田增國
• 申請（專利權）人: 鄭州大學;鄭州鄭大智能科技股份有限公司
• 主分類號: H01L35/02
• 分類號: H01L35/02;H01L35/08;H01L35/34
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 李想

本發明通過構造納米金屬鍵合層，利用納米效應實現熱電器件低溫冶金鍵合和高溫服役；在鎳金屬層表面制備具有納米孔結構的金屬鎳層，銅金屬層的表面制備鎳納米針錐結構層作為鍵合連接面，不同結構形態的納米鍵合層鍵合后，形成封裝互連界面納米柱形柔性層，用于匹配和吸收器件服役過程中較大熱應力沖擊，降低界面熱應力導致的裂紋損傷，提升熱電器件在高溫服役過程中的可靠性。

技術領域

本發明屬于半導體器件制造技術領域，特別是涉及一種高可靠性熱電器件及制備方法。

背景技術

熱電材料是一種可以實現熱能與電能直接轉換的新能源材料,在溫差發電、精確致冷溫度控制、太陽能發電、汽車及工業余熱發電利用領域具有廣闊的應用前景。

熱電器件的典型封裝集成過程是利用焊接或鍵合方法將塊體（Bi₂Te₃基合金等）或納米結構熱電材料（碳納米管、硅納米線等）與金屬化陶瓷基板（Al₂O₃或AlN）或微納米功能器件進行連接，形成電流和熱流的耦合匹配與傳遞器件中金屬化層/熱電材料、金屬化層/電極、絕緣基板/電極等異質界面是導致熱能與電能損耗的主要因素，原因在于連接工藝過程中界面鍵合不充分或者熱應力導致的結構缺陷、金屬原子與熱電材料的之間的擴散、服役過程中高熱流密度及溫度差異引起的異質界面結構熱失配缺陷等，增加了界面電阻和熱阻，甚至影響了熱電材料本征性能，進而降低了器件能量轉化效率。

錫焊是最常用的低溫連接方法，但受焊料熔點的限制，器件的使用溫度通常在200攝氏度以下。為了提高服役溫度，高溫擴散焊、高溫燒結等工藝也陸續用于熱電器件封裝，其基本原理是通過不同的能量施加方式實現鍵合層金屬連接界面原子擴散及晶體重構，具有較大連接強度及低界面電阻、熱阻的同時更適應高溫服役。但是這些方法的工藝溫度一般在400℃以上，不僅會影響熱電材料的性能，而且熱應力會使金屬化層的熱電材料/金屬界面形成新的裂紋缺陷。因此，如何在較低的溫度下進行有效鍵合的同時實現高溫服役是熱電器件結構設計和制造工藝的關鍵。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種高可靠性熱電器件及制備方法，通過構建納米金屬鎳鍵合層，并利用納米效應，降低金屬界面鍵合溫度，進一步的通過封裝互連工藝形成界面柔性納米柱狀金屬結構層，吸收高溫服役過程中熱沖擊能量，減少界面損傷。為解決上述問題，提供一種高可靠性熱電器件及制備方法。

本發明的目的是以下述方式實現的：

一種高可靠性熱電器件，包括熱電晶片3、覆銅陶瓷基板6，熱電晶片3上濺射有鎳金屬層2，鎳金屬層2上有具有納米孔結構的金屬鎳層1，覆銅陶瓷基板6的銅金屬層5表面有鎳納米針錐結構層4。

所述具有納米孔結構的金屬鎳層1的孔徑為50-200納米，孔隙率大于60%。

所述鎳納米針錐結構層4的錐底直徑為200-500納米，長度為600-1000納米。

所述的一種高可靠性熱電器件的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：熱電材料器件切成熱電晶片3，在熱電晶片3的封裝連接面濺射鎳金屬層2；

步驟二：在濺射的鎳金屬層2表面利用脫合金法制備具有納米孔結構的金屬鎳層1作為封裝互連鍵合面，并將熱電晶片3切為晶粒；在覆銅陶瓷基板6的銅金屬層5表面利用電沉積方法制備鎳納米針錐結構層4作為互連鍵合面；

步驟三：將兩個鍵合面對準，在鍵合面施加恒定溫度和恒定壓力7，鍵合完成后的界面包含均勻分布的柱形鎳金屬層。

所述步驟一中的鎳金屬層厚度為1-2微米。

所述具有納米孔結構的金屬鎳層1的制備工藝包括：首先，去除熱電晶片3表面的氧化物；之后，在熱電晶片3表面電鍍鋅；然后，將熱電晶片3進行熱處理，得到Ni-Zn合金；最后，將包含Ni-Zn合金的熱電晶片3進行堿腐蝕處理。