CN111599669B - 一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法。为防止制作发热涂层材料的欧姆电极的触点接触不良、触电打火或者引出线脱离电极等引起的损坏和安全事故，本发明的制作方法为处理好基底，在要制作欧姆电极的区域使用手持式低温等离子体发生器进行轰击，或放置金属微孔阵列板，使用低温等离子体在真空条件下轰击陶瓷基底，在陶瓷表面形成微孔阵列；涂覆碳基材料，并使浆料沉积进入小孔，在真空条件下进行梯度加热；碳基材料固化后，涂覆一层高纯导电银浆，将多芯铜丝附着在小孔上，再次涂覆导电银浆，使导电银浆与小孔内壁充分接触，在真空条件下进行梯度加热，制作完成一种接触稳定，比接触面积大，引出线抗拉强度大的电极。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷基底发热涂层材料制作的技术领域，具体涉及一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法。
背景技术
欧姆接触：金属与半导体形成欧姆接触是指在接触区形成一个纯电阻，而且电阻越小越好，使得组件工作时，大部分的电压降在活动区而不再接触面，不会导致存在电阻而产生发热和能量损耗。接触电阻大小直接影响器件的性能指标。欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心，不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。
金属在n型半导体陶瓷表面建立欧姆接触的条件为：1)金属的功函数Фm应大于半导体的功率函数Фs；2)消除陶瓷表面的吸附氧层。用银浆制成的电极与陶瓷形成欧姆接触的关键在于消除陶瓷表面存在的吸附氧层。氧在银中溶解度很低，氧分子和n型半导体陶瓷表面的导电载流子即电子产生极化作用，电子被俘获，使载流子浓度减少而产生正空间电荷，在界面形成高阻层。在银浆引入还原性强的金属如Zn、Sn、Sb等，其会夺取氧而使半导体表面的空间电荷得到中和，因而降低接触电阻。还原性金属在大气中烧渗时本身极易被氧化，所以在工艺组成上应保证还原性金属在破坏吸附氧层之前不致被氧化，保持足够的还原能力，而且还应该尽可能避免电极表面的还原金属被氧化，以免影响可焊性，研究欧姆接触银浆的关键：1)严格控制制作电极工艺(升温速度，保温时间)；2)在电极中加入氧化势更强的有机铝等，由于铝的选择性氧化，可以使还原性金属在破坏界面吸附氧以及银形成固体之前不被氧化；
想要形成好的欧姆接触，有两个先决条件：1)金属与半导体有低的势垒高度；2)半导体有高浓度的杂质掺入。
此外良好的欧姆接触必须有以下几个主要特点：1)可再生性的低比接触电阻；2)统一的、均匀的接触—半导体界面，在界面就有平面同性；3)光滑的表面形态；4)高温工作下的稳定性；5)氧化性；6)好的粘附性；7)工艺上的易实现；8)好的机械性能。
低温等离子体微细加工技术：目前，低温等离子体微细加工手段是材料微纳米级别加工的关键技术，它是微电子、光电子、微机械、微光学等制备的基础。特别是在超大规模集成电路制造工艺中，近三分之一的工序是借助等离子体加工完成的，如等离子体薄膜沉积，等离子体刻蚀以及等离子体去胶等。
在等离子体刻蚀工艺中，首先把硅晶片上涂抹上一层由碳氢化合物构成的光敏物质，并在光敏物质上盖上具有超微孔阵列的金属模板，然后进行紫外曝光，使得部分晶片的表面裸露出来，接着再把这种待加工的硅晶片放置到具有化学活性的低温等离子体中，进行轰击。这种具有化学活性的等离子体通常是由氯气或者碳氟气体放点产生的，不仅含有电子和离子，还有大量活性自由基，如CI、CL2、F、CF等。这些活性基团沉积到裸露的硅晶片上，与硅原子相互结合形成挥发性的氯化硅或者氟化硅分子，从而对晶片进行想要的轰击形状。另一方面，为了控制轰击到晶片的离子的能量分布和角度分布，通常将晶片放置在一个施加射频或脉冲偏压的电极上面，在晶片的上方将形成一个非电中性的等离子区，即鞘层，等离子体中的离子在鞘层电场的作用下，轰击到裸露的晶片表面上，并与表面层进行碰撞，使其溅射出来，从而实现对晶片理想形状的轰击。
应用等离子体刻蚀和轰击工艺的核心问题在于提高速率，同时又能保证轰击过程具有较高的均匀性。这不单单是技术问题，更是涉及到复杂的物理问题。
玻璃或陶瓷被用作发热电极的基底材料，是将碳浆材料直接涂覆等形式附着在基底上，而铜丝和导电银浆是通过真空加热的技术附着在碳基材料上或是通过金属浆料或是直接涂覆的方法形成电极。形成电极后，电极的引出线一般采用焊接方法进行固定，因为焊接材料的热膨胀系数不同，长时间工作后，容易导致电极引线脱落，引发电路故障。
为了解决上述问题，常规方法是采用弹性组件夹持的方法，即设计电极夹，或者采用工装，使得基底上的电极压接引出线端子，以弹性形变的方法实现紧密接触，达到引出电极线的目的。但这种方法，由于界面结合能力弱，在使用一段时间后，容易出现触电氧化或者疲劳接触，导致触电打火，从而引发接触不良，甚至安全事故；另外，引出线的接触能力弱，稍有外力牵引，就会造成引出线脱落。因此，急需一种能够适用于发热涂层材料的欧姆电极长期稳定的制作方法。
发明内容
有鉴于此，本发明为防止制作发热涂层材料的欧姆电极的触点接触不良、触电打火或者引出线脱离电极等引起的损坏和安全事故，提供一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法，保证基底和碳基材料接触良好，电极与引线接触稳定，引线抗拉强度高。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法，其特征在于：步骤为：
1)首先是对玻璃(SiO2)或者陶瓷(Al2O3)基底进行处理，使用低温等离子体发生器，在真空条件下，对基底表面上需要制作欧姆电极的位置进行低温等离子体轰击，形成可控直径、可控排列方式的微孔阵列；
2)对整个基底进行超声清洗10min，清洗结束后用氮气吹干；采用喷涂法或丝网印刷的方法，均匀涂上碳浆材料，使碳浆材料与基底充分接触，在真空条件下进行梯度加热，形成稳定的碳基发热涂层；
3)对已经烘干的碳涂层材料，在其电极制作区域，先均匀涂上一层99.99％的高纯导电银浆；将多芯铜丝附着在制作欧姆电极区域的小孔阵列区域内；再涂上一层导电银浆后，整体放入真空室内，进行梯度加热，即可。
步骤1)低温等离子体发生器为感应耦合等离子体系统，在待处理的基底位置放置超微孔阵列的金属板，其轰蚀气体为Ar/SF6,Ar含量为20％；轰击条件为：ICP功率为300-700w、RF功率为20-40w、反应压强为0.4-1.6pa，轰击时间为1min；采用氮气或者氦气进行降温，氦气或者氮气的流量为10-50ml/min，处理时间为20s至60s。
步骤1)低温等离子体发生器为手持式等离子体发生器，其供应电源220-230V，最大输入电流6A，功耗1300W，加工距离5-20mm。
步骤2)中的碳浆材料的厚度为0.2mm-0.5mm；在真空环境下，分别在20℃至300℃，按20℃/10min温度上升的形式进行梯度加热。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明方法首先在真空环境下，采用低温等离子轰击进行微加工或者使用手持式的低温等离体发生器对基底进行处理，轰击形成可控直径、可控排列方式的微米级别的微小孔阵列；
2、本发明方法在制作电极时，将碳浆材料的浆料渗入小孔，与小孔内壁充分接触，在真空环境下使用特定的梯度加热方式加热固化后，形成更加牢固的发热涂层材料；
3、本发明方法处理铜丝引线时，将导电银浆和铜线与已经轰击形成的小孔内壁充分接触，导电银浆渗入小孔成‘凹’型，在真空环境下进行相同方式的梯度加热后，形成更加牢固、抗拉强度大的电极引线；
4、本发明方法操作简单、可靠、可操作性强、易于工业化大规模实现。
附图说明：
图1是本发明陶瓷基底上低温等离子体轰击出现小孔后结构示意图；其中(a)为陶瓷基底上低温等离子体轰击出现小孔后正面示意图(b)陶瓷基底上低温等离子体轰击出现小孔后俯视图；
图2是本发明形成轰击形成小孔后，涂覆碳基材料正面示意图；
图3是本发明碳基材料固化后，涂覆导电银浆正面示意图；
图4是本发明铜线放置在碳基材料上涂覆导电银浆示意图；
图中：1-陶瓷基底，2-微孔阵列，3-碳基材料，4-导电银浆，5-多芯铜丝。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法：首先处理好基底，在要制作欧姆电极的区域使用手持式低温等离子体发生器进行轰击，或放置金属微孔阵列板，使用低温等离子体在真空条件下轰击陶瓷基底，在陶瓷表面形成微孔阵列；涂覆碳基材料，并使浆料沉积进入小孔，在真空条件下进行梯度加热；碳基材料固化后，涂覆一层高纯导电银浆，将多芯铜丝附着在小孔上，再次涂覆导电银浆，使导电银浆与小孔内壁充分接触，在真空条件下进行梯度加热，制作完成一种接触稳定，比接触面积大，引出线抗拉强度大的电极。
实施例一：
一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法：涂层表面采用离子束轰击形成超微孔阵列，涂导电银浆惰性气体固化。
步骤一：准备材料以及超微孔阵的处理(参见图1)
将陶瓷基底1浸泡在去离子水中，超声波清洗5min，用氮气吹干备用；将准备好的陶瓷基底1，使用感应耦合等离子体(ICP)系统在真空条件下对陶瓷基底进行轰击，在待轰击区域放置超微孔阵列的金属板，轰击时间为1min，刻蚀气体为Ar/SF6,Ar含量为20％；在ICP功率600w、RF功率30w、反应压强1.3pa的条件下进行操作，ICP设备用氦气进行降温，使得陶瓷保持一定温度，形成超微孔阵列2，微孔直径200μm左右，微孔阵列2，用超声波进行清洗10min；
步骤二：涂覆碳基发热涂层材料(参见图2)
对整个基底进行超声清洗10min，清洗结束后用氮气吹干；在待处理区域微孔处使用喷涂法均匀地涂覆厚度为0.2mm的碳浆材料3，使得微孔2内壁与涂浆充分接触，为了使得碳基材料3充分沉积入微孔2，在真空条件下，在加热箱中进行梯度加热，即每20℃-300℃，每10min上升20℃进行加热，形成稳定的碳基发热涂层；
步骤三：涂覆高纯度导电银浆以及多芯铜丝引线的处理(参见图3和4)
在已经固化的碳浆材料表面涂覆99.99％高纯导电银浆4，导电银浆4和微孔2内部已经固化的碳基材料3充分接触，呈‘凹’型，将多芯铜线5附着在微孔阵列区域，再次涂覆导电银浆4，使得导电银浆4和碳基材料3以及微孔2充分接触，故与微孔2内部已经固化的碳浆材料4也产生接触，成‘凹’型，处理完毕后，即每20℃-300℃，每10min上升20℃进行加热，固化后，完成一种接触稳定，比接触面积大，引出线抗拉强度大的电极制作。
实施例二：
一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法：涂层表面采用离子束轰击形成超微孔阵列，涂导电银浆惰性气体固化。
步骤一：准备材料以及超微孔阵的处理(参见图1)
将微晶玻璃基底1浸泡在去离子水中，超声波清洗5min，用氮气吹干备用；将准备好的陶瓷基底1，使用手持式等离子发生器在真空条件下对陶瓷基底进行轰击，供应电源220V，最大输入电流6A，功耗1300W，加工距离10mm，在基底特定区域表面形成可控的或无规则的微孔列2，微孔直径200μm-500μm左右，微孔阵列2用超声波进行清洗10min；
步骤二：涂覆碳基发热涂层材料(参见图2)
对整个基底进行超声清洗10min，清洗结束后用氮气吹干；在待处理区域微孔处使用丝网印刷法均匀地涂覆厚度为0.2mm的碳浆材料3，使得微孔2内壁与涂浆充分接触，为了使得碳浆材料3充分沉积入微孔2，在真空条件下，在加热箱中进行梯度加热，即每20℃-300℃，每10min上升20℃进行加热，形成稳定的碳基发热涂层；
步骤三：涂覆高纯度导电银浆以及多芯铜丝引线的处理(参见图3和4)
在已经固化的碳浆材料表面涂覆99.99％高纯导电银浆4，导电银浆4和微孔2内部已经固化的碳浆材料3充分接触，呈‘凹’型；将多芯铜线5附着在微孔阵列区域，再次涂覆导电银浆4，使得导电银浆4和碳浆材料3以及微孔2充分接触，故与微孔2内部已经固化的碳基材料4也产生接触，成‘凹’型，处理完毕后，即每20℃-300℃，每10min上升20℃进行加热，固化后，完成一种接触稳定，比接触面积大，引出线抗拉强度大的电极制作。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法，其特征在于：步骤为：
1）首先是对玻璃(SiO2)或者陶瓷（Al2O3）基底进行处理，使用低温等离子体发生器，在真空条件下，对基底表面上需要制作欧姆电极的位置进行低温等离子体轰击，形成可控直径、可控排列方式的微孔阵列；
2）对整个基底进行超声清洗10min，清洗结束后用氮气吹干；采用喷涂法或丝网印刷的方法，均匀涂上碳浆材料，使碳浆材料与基底充分接触，在真空条件下，在20℃-300℃，按10min上升20℃的形式进行梯度加热，形成稳定的碳基发热涂层；
3）对已经烘干的碳涂层材料，在其电极制作区域，先均匀涂上一层99.99%的高纯导电银浆；将多芯铜丝附着在制作欧姆电极区域的小孔阵列区域内；再涂上一层导电银浆后，整体放入真空室内，在20℃-300℃，按10min上升20℃的形式进行梯度加热，即可。
2.根据权利要求1所述的一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法，其特征在于：所述的步骤1）低温等离子体发生器为感应耦合等离子体系统，在待处理的基底位置放置超微孔阵列的金属板，其轰蚀气体为Ar/SF6,Ar含量为20%；轰击条件为：ICP功率为300-700w、RF功率为20-40w、反应压强为0.4-1.6pa，轰击时间为1 min；采用氮气或者氦气进行降温，氦气或者氮气的流量为10-50ml/min，处理时间为20s至60s。
3.根据权利要求2所述的一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法，其特征在于：所述的步骤1）低温等离子体发生器为手持式等离子体发生器，其供应电源220-230V，最大输入电流6A，功耗1300W，加工距离5-20mm。
4.根据权利要求2或3所述的一种适用于发热涂层材料欧姆电极的制作方法，其特征在于：步骤2）中的碳浆材料的厚度为0.2mm-0.5mm；在真空环境下，分别在20℃至300℃，按20℃/10min温度上升的形式进行梯度加热。
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