CN101069283A - 封装的热能管理装置以及制造这种装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种热能管理装置，包括封装在热能管理结构(10、26、28)中的电子器件(20)，所述热能管理结构包括封装在封装材料中的各向异性碳。

Description

封装的热能管理装置以及制造这种装置的方法

技术领域

本发明涉及一种管理例如电子设备的散热的热能管理装置以及制造这种装置的方法。特别是，本发明涉及一种电子器件的热能管理装置。

背景技术

电子和电气设备既是能源也是热源。如同公知的，为了使这些设备可靠工作，需要保持稳定的工作条件和温度。因此，用于热能管理和散热的有效方法是必须的。通常的作法是在靠近并接触电子器件或电路板处安装热能管理装置。电路产生的热量传递到热能管理装置并在热能管理装置中消散。为了得到最佳效率，需要使热能管理结构具有最大可能的导热率，有效的外连接性和适当的力学强度。

为了在热能要求严格的应用中达到这些目的，一些公知的装置将高导热率材料封装成复合结构。但是，这些装置常常仅获得有限的性能，并具有明显的导热率损失，通常是40％，并且重量和体积增大。

另一个问题是，公知的热能管理系统的重量和体积相当大。这影响了结合这些装置的电子系统的整体尺寸。目前，在电子工业趋于小型化的普遍趋势下，这是非常不利的。

热能管理系统常常用作支撑混合电路的基片。在一种公知的结构中，使用氧化铍作为散热器，其导热率在室温下为280W/mK左右。随后在这种电介质顶部形成金触点，从而使其连接到其它电路。这种结构的缺点是，氧化铍是一种有毒物质，实际上是致癌的，并且一般难以加工。另外，这种电介质趋于较厚，从而使整个结构笨重。此外，部分由于使用金作为触点材料，因此整个结构的制造成本高。

国际专利申请WO 00/03567公开了一种公知的解决方案，其内容在此引用作为参考文献。根据该文献中公开的方法，将一块各向异性碳板，例如，热解石墨或热能化(thermalised)热解石墨，封装在封装材料中，例如聚酰亚胺或环氧树脂或丙烯酸树脂(acrylic)或聚氨酯或聚酯或任何其它适合的聚合物。封装材料被直接应用到各向异性碳上，并提高碳的刚性。得到的装置在室温下的面内导热率(in-plane thermal conductivity)通常为1700W/mK，而平面度在100mm×100mm的板上通常为±5μm。此外该装置还能提供拉伸强度明显高于原始未封装的碳板的拉伸强度的板，同时可以忽略体积的增大以及导热率的损失。

对于，例如，功率半导体而言，电流和功率的额定值与热环境直接相关，并且热交换界面需要控制结温低于其额定极限值。工业中这种功率器件已经被证明，在100℃到130℃范围的工作条件下，结温降低约20℃，故障率减小约50％，甚至在平均时间故障统计中能够得到更大的提高。影响可靠性的因素很多，包括半导体和散热器之间的组装瑕疵(faulty mounting)、高压工作的电弧放电、半导体芯片与其散热器之间需要绝缘或接地界面以及塑料封装半导体的机械破坏。

这些因素带来很多问题。组装瑕疵是结温过高造成早期故障的主要原因，并且为了解决这些问题，现有技术需要每个部分都有高质量和高成本的表面光洁度。为了避免电弧放电，在当前的解决方案中，在源和散热器之间需要界面分离规范，但会进一步减小传热效率，并需要使用导热脂。机械破坏能造成内部接线的破坏，破坏防水的完整封装，并可能造成模具破裂，而且当前方案需要综合昂贵和复杂的操作。结果，需要其它改进的热能管理装置。

发明内容

本发明是按权利要求给出的。电气设备封装在热能管理装置中，热能管理装置包括封装在封装材料中的各向异性碳，因此可以得到高强度和高效散热的系统。

附图说明

下面参考附图，通过实例说明本发明的实施方式。

图1是本发明热能管理装置的侧剖视图；

图2是图1的热能管理装置在外限定模板中的透视图；

图3是在外限定模板中的半导体器件的透视图；

图4是装在图1的热能管理装置上的图3半导体器件的剖视图；

图5是在外限定模板中的另一个热能管理装置的透视图；

图6a是装有图1和图5的热能管理装置的图3半导体器件的剖视图；

图6b是封装在图1和图5的热能管理装置与另一个热能管理装置之间的图3半导体器件的剖视图；

图7是表示制造技术的分解透视图；

图8是部分封装在第二实施方式的热能管理装置中的多个半导体器件的剖视图；

图9是图8实施方式增加薄膜层的剖视图；

图10是图8实施方式增加另一个薄膜层的剖视图；

图11是表示图8到10实施方式完全封装的剖视图；

图12是表示制造图8到11实施方式的另一种方法的加工步骤的侧剖视图；

图13和图14是表示制造图15和16所示第三实施方式的加工步骤的侧剖视图；

图15是第三实施方式的侧剖视图；以及

图16是第三实施方式的平面图。

具体实施方式

一般地，在封装的热能管理结构中，半导体元件或其它电气设备封装在热能管理装置中，热能管理装置包括封装在封装材料中的各向异性碳板。热能管理装置紧贴半导体元件的每个表面，且在提供机械强度的同时能够高效的传热。在所述结构包括适当的孔容纳电触点引线时，半导体元件可以预制。或者，在原位(in situ)制造阶段或在预加工阶段，半导体元件的制造可以作为封装工艺的一部分。

封装的热能管理结构表现出WO 00/03567中公开的热能管理装置的所有性能，但提高了为三维结构提供电连接的可能性。该结构将完全封装和定制的电子半导体芯片器件装在各个封装中，以提高强度、安全性和可替换性。在封装过程中直接连接半导体元件时，可以完全去除引线键合式的相互连接，因此可以缩短生产时间和降低成本，同时提供更加可靠和多功能的器件。特别是，这可以通过将薄膜电子混合加工或接口连接直接结合在封装工序中来实现。因此，为ASIC接口连接提供了一种新的热能管理结构技术。

其中装置被封装的热能管理装置的性质和制造方式，在国际专利申请WO 00/03567中进行了详细地说明，这对技术人员是显而易见的，因此这里为了引用仅给出一个概括。在一个实施方式中，对镶嵌的或全部有序的热能化热解石墨板涂覆聚酰亚胺，例如，使用刷子直接将聚酰亚胺涂覆在碳的表面。如果需要可以固化涂层。如果需要，在涂覆步骤之前形成电触点的孔，例如通过钻孔操作来形成该孔，封装钻孔的板，接着再次钻孔到较小直径，从而使碳保持封装。

所述装置能够装在基片上，或者本身作为如薄膜电路的基片，薄膜电路可以按任何适当方式沉积。装置的两侧都能使用，装置可以形成多层电路的基底或基片。

因此，热能管理装置的形成是通过直接分子级封装碳板，允许通过微米级的熔化与其它传热材料连接，并提供电子混合技术，使单侧和双侧具有连接性。内部碳基片的固有热性能得到保持，以相关参数K/ρ(导热率/密度)表示的传热特性比铜提高18到20倍，比铝提高近90倍。在零下温度，提高的倍数能够进一步显著增加。封装层通常为20微米，而基片的厚度有几百微米大，这表示总体积的增加可以忽略，因此导热率的降低可以忽略，保持了碳板的基本热性能，同时增强了机械性能，例如剪切强度和表面完整性。装置为坚固的结构提供了力学稳定性，同时保持低密度和高的平面导热率以及直接电加工的范围，从而提供一个全新的高导热率混合电路。

上述类型的热能管理结构形成了这里所述的封装的热能管理结构的基础的一部分，如图所示，在附图中更加详细地说明了构成封装的电子器件的不同方法。

在第一实施方式中，封装的热能管理结构包括预先制造或预先封装的电子器件，并且其制造如下面参考图1到7所述。

首先看图1，用10表示的热能管理装置包括各向异性碳板12和聚酰亚胺封装涂层14。得到的单元是一个有效的电介质基片，该基片与随后装在其表面的任何器件绝缘。

参看图2，热能管理装置10插入第一外限定模板16，并且，例如，通过用带束缚可拆卸地装在第一外限定模板16上，第一外限定模板16环绕装置10并且其厚度限定了相应层的最终厚度。在模板16上有定位销孔18，这将在下面更详细地说明。

参看图3，诸如预先封装的半导体器件20的电子器件装在第二模板22中，第二模板22对应模板16，并具有销插孔21，用于限定器件20相对于热能管理装置10的位置。

参看图4，包括热能管理装置10和电子器件20的两层，例如，采用标准连接环氧树脂熔合来连接，以得到图示的电子器件20位于环氧树脂层24上的结构，或者在热能管理装置10上的其它连接。通过使用销插孔18、21来定位模板可以实现对齐，这将在下面更详细地说明。

下面参看图5，与电子器件20厚度相同的另一个热能管理装置26，按任何适当方式切割出与器件20外形匹配的孔27。第二热能管理装置26的形成可以采用任何适当方式，例如，可以首先切割，再作为整体封装。第二热能管理装置26插在第三模板28中，第三模板28限定各层厚度，并通过销插孔29相对第一模板定位。然后再次使用环氧树脂熔合将第二热能管理装置26与电子器件20和第一热能管理装置10连接，如图6a所示，得到包括下热能管理装置层10和器件20的结构，器件20通过装置26以及通过环氧树脂层24结合并封装在其侧面。

第三热能管理装置28(表示在图6b中)按照与上述步骤相似的方式形成在第四模板上，因此未图示。第三热能管理装置28是第一热能管理装置10的镜像，并且环氧树脂熔合在图6a所示结构的顶部，得到如图6b所示的结构，其中电子器件20封装并通过环氧树脂层24结合在热能管理装置10、26、28之间。

制造方式是本领域技术人员公知的，在下面仅概括描述。可以使用标准热能管理装置连接技术。各个部分的相关表面在需要连接的侧面印有环氧树脂，且各部分是环氧树脂熔合的，并按任何适当的方式加工。步骤的顺序可以适当改变，并且采用其它方法也是可以的。

参考图7说明一种新的制造技术，为了清楚起见，图7未按比例表示。可以看出，由例如铝制成的底板70具有向上伸出的长销72。将分别载有第一热能管理装置10和电子器件20的第一和第二模板16、22装在底板70上，使销72插入相应的销插孔18、21。由于模板16和22精确地定位在销上，因此各个部分之间的相对位置能够达到精确定位。一旦装完模板16、22，就提供具有销插孔76的顶板74，并装到销72上。将此组件置于压力夹具中，将顶板朝底板加压，使用传统环氧树脂熔合技术在压力真空下将各部分环氧树脂熔合并处理。

可以看到，相应模板的厚度限定包括环氧树脂连接层在内的各层厚度。图7所示的特殊结构提供了装在如图4所示的热能管理装置10上的半导体器件20。可以看出，此后或者在单独步骤中，或者在一个步骤中，通过各个模板的精确定位以及如上所述的处理，可以将其余的热能管理装置26、28装到此组件上。还可以看出，通用的销72可以用于模板和用于顶板74，或者一套销可以用于模板，另一套适当地可以用于顶板。除了将部分组装的装置保持在其相应模板中进一步加工，还可以使用单独一部分组装装置的模板。在另一种优选中，底板70和顶板74由装在底板中的弹簧施压彼此分离，从而对板施加压力使其彼此靠近时，弹簧完全插在底板70内。

作为这种布置的结果，通过销72以及压力板74在相应孔76内的直线轴承(linear bearing)，可以达到各部分的精确和准确定位。在适当的位置，如果诸如预先封装的电子器件20的部件需要电触点，则通过切除所需区域可以将热能管理装置10(或任何热能管理装置)的封装涂层14的适当部分去除，从而可以露出石墨芯。同样，在第二热能管理装置26中也可以切出小孔，以便外部动力和控制能够接触半导体封装20的电气引线。

结果，提供了一种完全封装的预先封装的半导体器件。如同技术人员熟悉的，可以适当地提供散热器附件(heat sink attachment)，例如，适于通过辐射和外部对流来散热。

在下面参考图8到12讨论的第二实施方式中，通过包括如同封装工艺中的加工或预加工步骤的装置制造步骤，可以不需要导线连接。

参看图8，可以看出，在这种情况下，提供两个半导体器件30、32与下热能管理装置10和适当开孔的另一个热能管理装置34连接。得到这种结构的加工步骤在上面参考图1到4进行了讨论，为了简化，这里不再重复。器件30、32可以是单独的部件，没有第一实施方式中描述的预先封装的器件20内的原位电连接。

参看图9，表示第一步骤，即用直接和处理的连接制造多层混合电路，所述直接和处理的连接是在单个有源器件内的元件之间，或在多个器件之间，或在多个器件与无源连接之间做出的。

各个层是使用标准掩模(masking)和刻蚀技术制造的，这对于本领域一般技术人员是显而易见的，因此这里仅是概括讨论。对上表面层掩模，并用聚酰亚胺处理以形成用于随后薄膜处理的底层，通过沉积铝或其它适当的材料，例如铜层，形成电连接。这就得到了图9所示的布置，其中，特别是，一层聚酰亚胺36覆盖此结构，但允许通过铝膜连接38实现器件30、32之间以及与外部之间的连接。

可以理解的是，通过在热能管理装置10的聚酰亚胺封装14的朝向器件30、32的表面上沉积铝或其它适当的材料，例如铜层，可以在朝向热能管理装置10的侧面上设置与器件30、32的电连接。这样，可以在器件30、32和热能管理装置10之间形成铝、铜或其它适合材料的电连接。

通过提供其它连接，重复上述刻蚀和掩模步骤，以及如图10所示提供第二层，可以增加其它的定制电连接，例如驱动控制半导体器件所需的定制电连接。可以看出，已经沉积了另外的聚酰亚胺层36和另外的电连接38。

通过使用上热能管理装置，按照参考图6和7所示的方式封装此结构，可以达到器件30、32和连接36、38的完全封装，如图11所示，其中另外的热能管理装置44封装了半导体器件30、32的上表面，并由另外的环氧树脂层37结合。可以允许多层薄膜伸到封装结构以外进行连接。

下面参考图12讨论制造第二实施方式结构的另一种方式，其中半导体器件的电连接加工步骤以及与器件的相互连接，总体上是作为结构制造过程中单独的加工步骤或预先加工步骤进行的。特别是，半导体器件30、32在模板46中是颠倒的，并具有销插孔48，用于图7所示的底板70的销。模板46包括具有平整度、空间几何形状和适合的高精确度的组合铝模板和后基片。因此，这种布置同时提供多层薄膜加工的基片材料以及有源器件的所需的定位。多层薄膜50是通过沉积和刻蚀连续的聚酰亚胺和铝层而形成在模板46上的，如同参考图9和10的讨论。另外，销插孔54形成在薄膜50的聚酰亚胺层中，用于在下面讨论的环氧树脂熔合处理中，允许校正混合结构相对于热能管理装置封装结构的相对对齐。

当包括器件30、32和薄膜50的多层混合电路结构通过模板46上的制造已经加工后，通过刻蚀(以及任何连接的适当掩模)可以去除适当的铝模板46而得到挠曲混合组件，其中集成有半导体30、32所有需要的电连接。接着，在加工过程中，在将器件封装到各向异性碳基之前，可以进行有源混合结构的电连接测试。根据这种方法制造封装器件的组装步骤像上面一样有效，只是挠曲混合电路是作为定位件提供，而不是原位制造。特别是，混合结构在第一步骤装在第二热能管理装置34上，由销插孔54按上述方式定位，提供所需的平面度。接着，将第二热能管理装置与第一和第三热能管理装置10、44装在一起。所有部件都如上所述环氧树脂熔合，应当注意的是，在面向器件30、32的侧面和第二热能管理装置34之间的结合由环氧树脂的自然流动形成。在制造之后，切掉挠曲混合组件超出热能管理装置10、34、44的多余部分，仅剩下需要连接的部分。

提供薄膜层的方法如上所述，并且也可以参见PCT/WO00/03567，并且可以适当采用其中讨论的最优选的方式。通常使用薄膜铝技术，可以将铝直接沉积在热能管理装置的聚酰亚胺(或其它材料)或铝基片上，从而沉积厚度为5μm的层。由于热能管理装置的涂层表面是平的，所以用于沉积铝的平版印刷技术的分辨率好，这意味着细小特征也容易得到。接着，通过旋转或丝网印刷，将聚酰亚胺应用于铝上，使聚酰亚胺的厚度薄到8μm。然后使用标准制造技术，在适当位置形成穿过聚酰亚胺的孔，从而使随后的金属层填充这些孔，形成与铝的电接触。在随后的金属层之间通常是聚酰亚胺层。

在图13到16所示的第三实施方式中，图1所示的热能管理装置也有一些表面具有直接连接金属或其它导电材料的碳板。金属区的面积和厚度可以是定制的，并且如果需要，这些区域在最终装置中可以保持没有涂层。这是有优势的，例如，当金属表面通过钎焊或使用适当的粘结材料安装外部装置，例如有源半导体时。

为了制造这种装置，使用化学沉积法、电镀、溅射或类似方法，在清洁的板12上涂覆厚度是，例如，几微米到几十微米的金属(例如，铜)。涂层可以制成单独一层金属、多个夹层的相同或不同金属、不同金属或合金的混合。它可以包括两个或多个亚层，每个亚层由上述一种或多种技术制成。

涂层之后，对于最终的金属结构，可以用所需图案将碳—金属结构的表面掩模，通过刻蚀去除不想要的区域或位置的金属。腐蚀后，金属11’的所需表面保持直接连接碳板。

随后，优选地使用聚酰亚胺封装碳板(不包括形成图案的金属区)。具有聚酰亚胺涂层的区域14’在碳和外表面之间形成电绝缘，而那些剩下的暴露区形成与碳板的直接金属连接。如果需要，可以对包括金属区的整个板进行涂覆，并随后从金属区上去除涂层。

另外，金属区也可以覆盖涂层，在这种情况下，金属区不提供与碳板12的导电连接，但仍作为电磁屏蔽材料，用于屏蔽整个或部分碳板12。例如，可以利用上述技术在碳板12的表面上应用金属线路网(mesh of metallictracks)，然后封装整个装置10。

图13表示碳板12初始涂覆后的装置，上面有一薄层金属11。图14表示刻蚀后金属11’的所需区域，图15表示具有聚酰亚胺涂层14’和露出金属区11’的板。图16是根据第三实施方式的装置的平面图，图15表示沿虚线的剖视图。

热能管理装置包括封装在封装层中的各向异性碳板，所述层包括电绝缘材料和导电材料的离散部分(discrete element)，这种热能管理装置的制造是使用一种制造热能管理装置的方法，该方法包括用导电材料涂覆各向异性碳板形成导电涂层；去除部分导电涂层，用电绝缘材料封装得到的结构。

参看图9，已经讨论了在器件和热能管理装置10之间电连接器件30、32的可能性，从而使器件30、32不能电连接到热能管理装置10的碳板。相反，第三实施方式的热能管理装置，通过使用铝或铜线路或任何其它适合的电连接将器件30、32连接到金属11’的暴露区，可以用于提供器件30、32与碳板12之间的导电性。

因此，可以看出，本发明提供一种明显改进的、强度高和热效率高的器件封装技术，其中在使用薄膜结构的情况下，不需要内部连接线也可以达到改进的和加强的相互电连接。因为挠曲混合组件是独立的，因此可以商购。另外请记住，半导体内产生的大部分热量通常来自于顶部几微米或几十微米的结构，本发明的封装工艺提供与装置的最相关部分的最佳热接触。

可以理解的是，不同实施方式的特征可以适当地相互交换或并列。虽然上面描述中将热能管理装置应用到半导体和其它电子器件，但所述装置可以等同地、很好地应用于任何适当的制冷/传热环境，以及与WO00/03567中讨论的任何优选条件组合使用。同样，这里讨论的特定材料和制造技术可以适当改变，不同步骤可以按任何适当顺序进行。封装技术可以应用于形状和外形类似或不同的单个的或多个器件，此时可对封装它们的热能管理装置适当地重新设计。

Claims (29)

1.一种电气系统，该系统包括封装在热能管理装置中的电子器件，所述热能管理装置包括封装在封装材料中的各向异性碳。

2.如权利要求1所述的电气系统，其中热能管理装置包括与电子器件每个表面相邻的多个封装件。

3.如权利要求1或2所述的电气系统，其中去除封装材料，允许电接触各向异性碳。

4.如上述权利要求中任一项所述的电气系统，其中电子器件是预先封装的。

5.如权利要求4所述的系统，其中热能管理装置装有连接电子器件的电触点。

6.如权利要求1到3中的任一项所述的系统，其中电子器件包括具有一层或多层薄膜连接的离散部分。

7.如上述权利要求中任一项所述的系统，其中各向异性碳是热解石墨或热能化热解石墨。

8.如上述权利要求中任一项所述的系统，其中封装材料直接应用在各向异性碳上并提高碳的刚性。

9.如上述权利要求中任一项所述的系统，其中封装材料是聚酰亚胺或环氧树脂或丙烯酸树脂或聚氨酯或聚酯或任何其它适当的聚合物。

10.一种制造电气系统的方法，该方法包括将电子器件封装在热能管理装置中的步骤，所述热能管理装置包括封装在封装材料中的各向异性碳。

11.如权利要求10所述的方法，其中热能管理装置包括多个封装件，并且所述方法包括定位电子器件的步骤，使电子器件的表面与封装件相邻。

12.如权利要求10或11所述的方法，电子器件包括离散部分，并且在封装电子器件之前，在所述离散部分之间形成单层或多层薄膜连接。

13.一种电气系统制造设备，该设备包括第一和第二端板和引导结构，引导结构用于引导端板的相对定位运动，以及将用于制造电气系统的电气系统构件定位在端板之间。

14.如权利要求13所述的设备，还包括将第一和第二端板彼此朝对方推进的压力部件。

15.如权利要求13或14所述的设备，还包括偏离装置，用于使第一和第二端板彼此偏离。

16.一种制造电气系统的方法，该方法包括如下步骤：将热能管理装置装到端板的引导结构上，将电子器件装到引导结构上，并使热能管理装置与电子器件配合。

17.如权利要求16所述的方法，其中热能管理装置包括多个封装件，并且所述方法包括将电子器件与封装件配合的步骤，以将电子器件封装在热能管理装置中。

18.一种包括离散部分的电子器件，离散部分具有单层或多层薄膜连接，其中所述薄膜包括定位件，用于相对于与其配合的部件定位所述器件。

19.一种制造电子器件的方法，电子器件具有离散部分，所述方法包括以下步骤：将离散部分装在模板中，在模板上在离散部分之间制造单层或多层薄膜连接。

20.如权利要求19所述的方法，还包括去除模板的步骤。

21.如权利要求19或权利要求20所述的方法，还包括在薄膜上形成定位件的步骤。

22.一种基本如这里参考附图描述的系统或方法。

23.一种制造热能管理装置的方法，该方法包括用导电材料涂覆各向异性碳板形成导电涂层；去除部分导电涂层，从而在热能管理装置的表面形成导电区；以及用电绝缘材料封装得到的结构，从而得到热能管理装置表面的电绝缘区。

24.如权利要求23所述的方法，其中用电绝缘材料封装包括导电区在内的整个器件。

25.如权利要求24所述的方法，其中随后从导电区去除电绝缘材料。

26.如权利要求23所述的方法，其中留下导电区没有封装。

27.如权利要求23所述的方法，其中导电涂层包括一种金属、多种金属的混合、多层相同或不同的金属或合金。

28.一种热能管理装置，该装置包括封装在封装层中的各向异性碳板，所述层包括电绝缘材料和导电材料的离散区。

29.如权利要求28所述的装置，其中导电材料包括一种金属、多种金属的混合、多层相同或不同的金属或合金。

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