一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及陶瓷均热板技术领域，尤其涉及一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构及其制作方法。

背景技术

随着第三代半导体的快速发展，功率半导体器件向着大功率、小型化和多功能等方向快速发展，但随着系统集成度不断提高，其功率密度也随之迅速增加，系统功能集成化导致热量分布不均。原有传统封装技术无法满足第三代半导体高温、高频等特性的要求。陶瓷基板作为半导体封装基板，是平衡温度和散热的理想部件。陶瓷基板也可为电子电路提供附着，其电子电路的散热亦可通过陶瓷基板进行散热，利用陶瓷均热板替代基板可满足其对散热要求。

均热板为新型高效换热技术，能够充分利用气液相变所带来的极高换热系数，能够将封装器件产生的热量快速传递出去，是解决半导体封装和电子电路散热问题的有效途径。目前生产和研究中的均热板或热管大部分是金属材质，如铜、不锈钢、铝等材质。金属均热板或热管由其本身导电，无法直接用于半导体散热和电路板的散热，难以发挥均热板的散热优势。

传统的功率半导体模块，芯片功率损耗产生的大多数热量是依次通过芯片焊层、陶瓷衬板、衬板焊层、基板、TIM(Thermal Interface Material)到散热器扩散出去。利用带有翅片结构的陶瓷均热板可直接导热替代陶瓷衬板、衬板焊层、TIM以及基板，优化封装结构。

现有的陶瓷均热板槽道加工困难且形状简单，无法满足高效回流，均热板由上下板焊接或者粘结，时常发生开裂、漏液的现象，严重影响设备的性能。

因此，如何提供一种加工方便、应用范围广，均热性能好、不导电、简化封装结构和热匹配性好的一体化均热基板及其制造方法，对于功率半导体封装和电子电路封装具有重要意义。

发明内容

本申请所要解决的第一个技术问题是：提供一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构，以解决现有均热板结构导热能力差和均热性能不佳的技术问题。

本申请所解决的第二个技术问题是提供一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构的制作方法。

为解决上述第一个技术问题，本申请所采用的技术方案是：一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构，包括均热板、翅片以及工质流体，所述均热板包括上板体和下板体，所述均热板内部于所述上板体与下板体之间设有腔室，所述上板体本体外侧均布有若干翅片，所述上板体底面和所述下板体顶面均设有若干槽道，所述上板体和下板体上的所述槽道均并排设置；所述腔室内封存有所述工质流体。

优选的，所述均热板根据所需传热形状设计为四边形、圆形或梯形。

优选的，所述均热板槽道横截面形状为梯形或V型或倒Ω型。

优选的，所述上板体和下板体上的所述槽道为直槽或弯槽，所述上板体和下板体上的所述槽道等间隔分布或渐变分布。

优选的，所述翅片形状为长方体或圆柱体或圆锥体或螺旋体。

优选的，所述工质流体为去离子水、氨、甲醇、氟利昂、丙酮中的一种或其中几种混合而成的与陶瓷材料相容的工质。

为解决上述第二个技术问题，本申请所采用的技术方案是：一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：制作翅片蜡模，用石蜡浇注第一蜡模，通过机械加工的方法在所述第一蜡模上加工出翅片反形状形成翅片蜡模；

步骤2：制作蜡模芯，用石蜡浇注第二蜡模，通过机械加工或者模压的方法在所述第二蜡模上、下表面分别加工出槽道反形状形成蜡模芯；

步骤3：翅片刮注，将翅片蜡模置于模具底部，通过流延法进行第一次刮注，使陶瓷浆料充满翅片反形状，形成均热板上板外侧翅片结构；

步骤4：槽道刮注，将所述蜡模芯置于第一次刮注所得结构上方，进行第二次刮注，使陶瓷浆料充满蜡模芯下侧槽道反形状，形成上板体结构，进行第三次刮注，使蜡模芯被封闭于陶瓷浆料内部，形成下板体结构，待陶瓷浆料凝固后，形成带有翅片的陶瓷均热板本体；

步骤5：板体烧结，于陶瓷均热板本体的表面设置与所述腔室相通的工质流体注入口，将所述陶瓷均热板本体进行烧结使石蜡气化形成一体化陶瓷均热板；

步骤6：腔室灌注，通过所述工质流体注入口对一体化陶瓷均热板进行抽真空并注入工质流体，密封所述工质流体注入口即得。

优选的，步骤1中，所述陶瓷浆料为氧化铝、氮化铝、氮化硅及氮化硼中的一种或其中几种混合而成的混合物。

优选的，步骤5中，将所述均热板采用低温梯度烧结或高温梯度烧结工艺一体烧结成型。

采用上述技术方案所取得的技术效果为：

本发明是提供一种用于半导体功率器件封装和电子电路一体化的均热板，包括一体化陶瓷均热板的上板体、下板体、板上槽道阵列、板外陶瓷翅片以及工质流体，其所述结构一体化成型，通过该一体化均热板，能够实现良好导热能力和均热的目标。

本发明提出基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构通过使均热板的上板体、下板体、板上槽道阵列和板侧翅片一体化烧结成型，避免使用上下板焊接或粘结成型的结构，克服开裂、漏液的问题，因一体化的翅片，可替代封装中的相关结构，达到了低热阻、均热性好、增强散热、优化封装结构的优点。

本申请的一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构的制作方法具有以下优点：

(1)流延法的实施过程中无压力作用，避免槽道“反形状”被压溃或激光加工复杂形状困难，极大减小了陶瓷材料对槽道形状限制，有效提高工质回流能力；陶瓷翅片的加入使得均热板可以直接替代陶瓷衬板、衬板焊层、基板、TIM(Thermal Interface Material)及散热器，优化封装结构和热不匹配；流延法一体化烧结成型，极大避免陶瓷均热板因上下板焊接困难或粘结不牢靠导致的开裂、漏液现象。该均热板结构具有低热阻、均热性好、增强散热、优化封装结构的优点。

(2)槽道由石蜡机械加工或模压加工而来，流延法制作过程中，几乎不受力，故槽道截面形状可为梯形、“V”型、倒“Ω”型等形状，或者为多个简单几何图形复合而成图形形状；槽道的间距可相同亦可渐变；槽道深度与板厚无实质限制，且槽道深度越深越好。

(3)流延法的采用减少了力的作用，避免激光加工和压力加工的沟槽的结构单一性，使沟槽结构为三维结构成为可能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是上板体和下板体的结构示意图；

图2是蜡模芯轴测图；

图3是蜡模芯侧视图；

图4是翅片蜡模结构示意图；

图5是带有翅片的陶瓷均热板的流延法加工工艺图；

图6是带有工质流体注入口的下板体示意图；

图7是带有翅片的陶瓷均热板的加工流程示意图；

图中，1、下板体；2、翅片；3、上板体；4、槽道；5、腔室；6、蜡模芯；7、槽道反形状；8、翅片蜡模；9、翅片反形状；10、工质流体注入口；11、陶瓷浆料；12、刮刀。

具体实施方式

如图1～5所示，一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构，包括均热板、翅片2和工质流体，均热板包括上板体3和下板体1，上板体3和下板体1之间设有腔室，中间形成腔室便于抽真空并注入工质流体，均热板根据所需传热形状设计为四边形、圆形或梯形。

上板体3本体内侧均布有若干翅片2，具体的翅片2形状可以通过机械加工和模压方法在蜡模上加工出长方体，圆柱、圆锥、螺旋体等规则几何体反形状，亦可为复杂三维几何体构建成翅片2反形状，后经过流延法刮注反形状，固化烧结后得到翅片2。上板体3底面和下板体1顶面均设有若干槽道4，上板体3和下板体1上的槽道4均并排设置，均热板槽道4横截面形状优选为梯形或V型或倒Ω型。上板体3和下板体1上的槽道4可以为直槽或弯槽，上板体3和下板体1上的槽道4可等间隔分布或渐变分布。腔室5内封存有工质流体。工质流体可以为去离子水、氨、甲醇、氟利昂、丙酮等的一种或由其中几种混合而成的与陶瓷材料相容的工质，注入量的多少和抽真空的程度取决于散热器件工况。

本发明是提供用于半导体功率器件封装和电子电路的一体化均热板结构，包括一体化陶瓷均热板的上板体3、下板体1、板上槽道4阵列以及板内陶瓷翅片2，其结构一体化成型，通过该一体化均热板，能够实现良好导热能力和均热的目标。

本发明提出基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构通过使均热板的上板体3、下板体1、板上槽道4阵列以及板侧翅片2一体化烧结成型，避免使用上下板焊接或粘结成型，克服开裂、漏液的问题，因一体化的翅片2可替代封装中的相关结构，达到了低热阻、均热性好、增强散热、优化封装结构的优点。

如图6～7所示，本申请的基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构的制作方法包括以下步骤：

步骤1：制作翅片蜡模，用石蜡浇注第一蜡模，通过机械加工的方法在第一蜡模上加工出翅片反形状9形成翅片蜡模8；

步骤2：制作蜡模芯6，用石蜡浇注第二蜡模，通过机械加工或者模压的方法在第二蜡模上、下表面分别加工出槽道反形状7形成蜡模芯6；

步骤3：翅片2刮注，首先将翅片蜡模8置于模具底部，通过流延法用刮刀12进行第一次刮注，使陶瓷浆料11充满翅片反形状9，形成均热板上板3外侧翅片2结构，陶瓷浆料11为氧化铝、氮化铝、氮化硅及氮化硼中的一种或由其中的几种混合而成。

步骤4：槽道4刮注，将蜡模芯6置于第一次刮注所得结构上方，通过流延法用刮刀12 进行第二次刮注，使陶瓷浆料11充满蜡模芯6下侧槽道反形状7，形成上板体3及其内侧面槽道4结构，通过流延法用刮刀12进行第三次刮注，使蜡模芯6被封闭于陶瓷浆料11内部，形成下板体1结构和下板体1内侧面槽道4结构，待陶瓷浆料11凝固后，形成带有翅片2的均热板本体；

步骤5：板体烧结，于均热板本体的表面设置与腔室相通的工质流体注入口10，将均热板本体进行烧结使石蜡气化形成一体化陶瓷均热板，优选的，将均热板采用低温梯度烧结或高温梯度烧结工艺一体烧结成型。

步骤6：腔室灌注，通过工质流体注入口10对一体化陶瓷均热板进行抽真空并注入工质流体，密封工质流体注入口10即得。

本申请的一种基于流延法带有翅片的陶瓷均热板结构的制作方法具有以下优点：

(1)流延法的实施过程中无压力作用，避免槽道反形状7被压溃或激光加工复杂形状困难，极大减小了陶瓷材料对槽道4形状限制，能够提高工质回流能力；陶瓷翅片2的加入使得均热板可以直接替代陶瓷衬板、衬板焊层、基板、TIM(Thermal Interface Material)及散热器，优化封装结构和热不匹配；流延法一体化烧结成型，极大避免陶瓷均热板因上下板焊接困难或粘结不牢靠导致的开裂、漏液现象。实现了低热阻、均热性好、增强散热、优化封装结构的特点。

(2)槽道4由石蜡机械加工或模压加工而来，流延法过程中，几乎不受力，故槽道4截面形状可为梯形、“V”型、倒“Ω”型等形状，也可为多个简单几何图形复合而成图形形状；槽道4的间距可相同亦可渐变；槽道4深度与板厚无实质限制，且槽道深度越深越好。

(3)流延法的采用减少了力的作用，避免激光加工和压力加工的沟槽的结构单一性，使沟槽结构为三维结构成为可能。

该一体化均热基板采用一体化烧结工艺成型，可极大避免陶瓷均热板上下板因焊接困难或者粘结不牢靠导致的开裂、漏液现象，同时带有一体化翅片2结构能实现低热阻、均热性好、增强散热、优化封装结构的优点。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。