专利名称：一种大功率晶闸管的改性钼基片及其制备方法
技术领域：
本发明属于电子元件加工技术领域，特别涉及一种大功率晶闸管的改性钥基片及其制备方法。
背景技术：
钥是一种稀有高熔点金属，不仅具有强度高，刚度大，抗磨损性能好等良好的机械性能，而且具有与硅相近的膨胀系数及良好的导热、导电性等物理化学性能，故常被用作晶闸管硅基片的支撑体——钥片，起着散热、保护芯片正常工作和提高电子元件使用寿命等作用。目前，大功率晶闸管被广泛的应用于机车牵引及传动、高压直流输电、大电流电源、工业传动等领域，这些领域对产品的质量要求特别高，因此，提高大功率晶闸管产品质量成为十分迫切的问题。
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作为晶闸管硅基片的支撑体的钥片在高温下容易氧化，压降不稳定，严重影响了芯片的正常工作。为了克服这一缺陷，通常采用的方法有:一是在金属钥片表面镀覆金属钌膜，但存在金属钌膜镀覆层与金属钥片基体之间结合不牢、长期使用易起皮掉落和镀覆层使用寿命较短等问题；二是在金属钥片表面镀覆金属钌膜的基础上加热以提高金属钌膜与金属钥片之间的结合强度，但因没有摆脱金属钥片表面电镀金属钌膜的传统工艺，所以还不能从根本上解决金属钌膜镀覆层与金属钥片基体之间结合不牢的问题；三是在金属钥片表面镀覆多层金属钌膜来提高金属钌膜与金属钥片之间的结合强度，但又存在工艺复杂、难以控制和成品质量难以保障的问题。此外，常用的电镀金属钌膜的方法还存在电镀废液难以处理的环保问题。如何克服现有技术的不足已成为当今电子元件加工技术领域亟待解决的关键难题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种大功率晶闸管的改性钥基片及其制备方法，本发明提供大功率晶闸管的改性钥基片具有金属钥片与钌钥合金的结合强度高、重复性好和平整度高等优点，本发明提供的改性钥基片的制法实施简便、无环境污染产生，实用可靠。根据本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钥基片，包括平面度<5 μ m、平行度彡10 μ m和表面粗糙度Ra彡0.3 μ m的金属钥片，其特征在于用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层。本发明进一步的优选方案是:所述的钌钥合金渗层的厚度为0.2 0.5 μ m。根据本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钥基片的制备方法，其特征在于包括如下步骤:
步骤一，表面预处理:采用平面度彡5 μ m、平行度彡IOym和表面粗糙度Ra彡0.3 μ m的钥片，分别用丙酮、无水乙醇进行超声波各15min清洗后，再进行吹风干燥；步骤二，钌钥固溶:将完成步骤一表面预处理的金属钥片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度大于99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层，该真空室中的真空度< 8 X 10_3pa,加速电压为30kv 80kv,金属钌离子束的入射角度为0° 45°，金属钌离子源注入剂量为0.5X1017 lX1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为15 μ A 30 μ A ;
步骤三，退火处理:对完成步骤二钌钥固溶后的金属钥片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钥基片成品，该退火处理采用氩气为退火保护气、退火温度为650°C 700°C、退火时间为15min 30min。本发明与现有技术相比其显著优点在于:一是本发明的改性钥基片是在金属钌离子与在金属钥片表面发生固溶，由此形成一层厚度为0.2 0.5 μ m的钌钥合金渗层，该钌钥合金渗层与金属钥片基体之间无界面。二是钌钥合金渗层与金属钥片基体之间结合强度高，附着性好，粘附不破裂和不剥落，彻底解决了传统的电镀钌膜覆层与金属钥片基体结合不牢靠的问题。三是改性后的钥基片表面无变形，能够保持原有金属钥片尺寸精度和表面粗糙度，即平面度彡5 μ m、平行度彡IOym和表面粗糙度Ra彡0.3 μ m。四是本发明的制备方法具有成品率高、重复性好等优点，且无污染环境，符合环保要求。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。根据本发明提出的一种大功 率晶闸管的改性钥基片，是采用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层而制得。本发明的改性钥基片的制备方法包括如下步骤:
步骤一，表面预处理:采用平面度彡5 μ m、平行度彡IOym和表面粗糙度Ra彡0.3 μ m的钥片，分别用丙酮、无水乙醇进行超声波各15min清洗后，再进行吹风干燥；
步骤二，钌钥固溶:将完成步骤一表面预处理的金属钥片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度大于99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层，该真空室中的真空度< 8 X 10_3pa,加速电压为30kv 80kv,金属钌离子束的入射角度为0° 45°，金属钌离子源注入剂量为0.5X1017 lX1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为15μΑ 30μΑ ;该真空室中的最佳工艺条件是:真空度为4X10_3pa、加速电压为50kv、金属钌离子束的入射角度30°、金属钌离子源注入剂量为
0.8 X 1017ions/cm2和金属钌离子束流密度为20 μ A ;
步骤三，退火处理:对完成步骤二钌钥固溶的金属钥片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钥基片成品，该退火处理采用氩气为退火保护气、退火温度为650°C 700°C、退火时间为15min 30min。实施例1，以制得5英寸圆形大功率晶闸管的改性钥基片为例，具体步骤如下: 步骤一，表面预处理:采用平面度4 μ m、平行度10 μ m和表面粗糙度0.3 μ m，直径为5
英寸的圆形金属钥片分别用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗各15min后，吹风干燥，以备与金属钌尚子固溶；
步骤二，钌钥固溶:将完成步骤一表面预处理的金属钥片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度为99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层，该真空室中的真空度4X10_3pa，加速电压为30kv，金属钌离子束的入射角度为O °，金属钌离子源注入剂量为0.5X1017ionS/cm2，金属钌离子束流密度为15μ A ；
步骤三，退火处理:对完成步骤二钌钥固溶后的金属钥片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钥基片成品，该退火处理采用氩气作为退火保护气、退火温度为650°C、退火时间为15min。改性钥基片成品检测:测得该钌钥合金渗层厚度0.2 μ m，钌钥合金渗层与金属钥片基体之间无界面，退火处理后金属钥片保持原有的尺寸精度，平面度< 5 μ m、平行度^ IOym和表面粗糙度Ra彡0.3 μ m，满足大功率晶闸管用金属钥片的技术要求。实施例2，以制得6英寸圆形大功率晶闸管的改性钥基片为例，具体步骤如下: 步骤一，表面预处理:采用平面度4 μ m、平行度10 μ m和表面粗糙度0.3 μ m，直径为6
英寸的圆形金属钥片分别用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗各15min后，吹风干燥，以备与金属钌尚子固溶；
步骤二，钌钥固溶:将完成步骤一表面预处理的金属钥片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度为99.5%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层，该真空室中的真空度为4X10_3pa，加速电压为50kv，金属钌离子束的入射角度为30°，金属钌离子源注入剂量为0.8X1017ionS/Cm2，金属钌离子束流密度20 μ A ；
步骤三，退火处理:对完成步骤二钌钥固溶后的金属钥片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钥基片成品，该退火处理采用氩气作为退火保护气、退火温度为675°C、退火时间为20min。改性钥基片成品检测:测得该钌钥合金渗层厚度0.35 μ m,钌钥合金渗层与金属钥片基体之间无界面，退火处理后金属钥片保持原有的尺寸精度，平面度< 5 μ m、平行度(IOym和表面粗糙度Ra彡0.3 μ m，满足大功率晶闸管用金属钥片的技术要求。实施例3，以制得4英寸圆形大功率晶闸管的改性钥基片为例，具体步骤如下: 步骤一，表面预处理:采用平面度4 μ m、平行度9 μ m和表面粗糙度0.25 μ m,直径为4
英寸的圆形金属钥片分别用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗各15min后，吹风干燥，以备与金属钌尚子固溶；
步骤二，钌钥固溶:将完成步骤一表面预处理的金属钥片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度为99.9%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层，该真空室中的真空度为4X10_3pa，加速电压为80kv，金属钌离子束的入射角度为45°，金属钌离子源注入剂量为lX1017ionS/cm2，金属钌离子束流密度为30 μ A ；
步骤三，退火处理:对完成步骤二钌钥固溶后的金属钥片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钥基片成品，该退火处理采用氩气作为退火保护气、退火温度为700°C、退火时间为30min。改性钥基片成品检测:测得该钌钥 合金渗层厚度0.5 μ m，钌钥合金渗层与金属钥片基体之间无界面，退火处理后金属钥片保持原有的尺寸精度，平面度< 5 μ m、平行度≤10 μ m和表面粗糙度Ra≤0.3 μ m，满足大功率晶闸管用金属钥片的技术要求。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种大功率晶闸管的改性钥基片，包括平面度< 5μπι、平行度< IOym和表面粗糙度Ra < 0.3 μ m的金属钥片,其特征在于用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层。
2.根据权利要求1所述的改性钥基片，其特征在于钌合金渗层的厚度为0.2 ·0.5 μ m0
3.如权利要求1或2所述的大功率晶闸管的改性钥基片的制备方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤一，表面预处理:采用平面度彡5 μ m、平行度彡10 μ m和表面粗糙度Ra彡0.3 μ m的金属钥片，分别用丙酮、无水乙醇进行超声波各15min清洗后，再进行吹风干燥； 步骤二，钌钥固溶:将完成步骤一表面预处理的金属钥片放入离子注入机的真空室中，然后注入纯度大于99.0%的金属钌离子源，由该金属钌离子与金属钥片固溶，在金属钥片表面形成钌钥合金渗层，该真空室中的真空度< 8 X 10_3pa,加速电压为30kv 80kv,金属钌离子束的入射角度为0° 45°，金属钌离子源注入剂量为0.5X1017 lX1017ions/cm2，金属钌离子束流密度为15 μ A 30 μ A ; 步骤三，退火处理:对完 成步骤二钌钥固溶后的金属钥片进行退火处理，而制得大功率晶闸管的改性钥基片成品，该退火处理采用氩气为退火保护气、退火温度为650°C 700°C、退火时间为15min 30min。
4.根据权利要求3所述的大功率晶闸管的改性钥基片的制备方法，其特征在于步骤二的钌钥固溶中，该真空室中的真空度为4X 10_3pa、加速电压为50kv、金属钌离子束的入射角度为30°、金属钌离子源注入剂量为0.8X1017ionS/cm2和金属钌离子束流密度为·20 μ A。
全文摘要
本发明涉及一种大功率晶闸管的改性钼基片及其制备方法。本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钼基片，包括平面度≤5μm、平行度≤10μm和表面粗糙度Ra≤0.3μm的金属钼片，其特征在于用纯度大于99.0%的金属钌离子与金属钼片固溶，在金属钼片表面形成钌钼合金渗层。本发明的改性钼基片成品具有金属钼片与钌钼合金的结合强度高、重复性好和平整度高等优点。本发明提出的一种大功率晶闸管的改性钼基片的制备方法，具体步骤包括表面预处理、钌钼固溶和退火处理，该制法实施简便、无环境污染产生，实用可靠。
文档编号C23C14/48GK103194723SQ20131007850
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月13日 优先权日2013年3月13日
发明者吴玉萍, 高文文, 李改叶, 郭文敏, 王博, 洪晟 申请人:河海大学