CN103682074A - 高导热性金属电路半导体制冷片及其加工方法 - Google Patents

高导热性金属电路半导体制冷片及其加工方法 Download PDF

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严圣军
李权宪
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Abstract

高导热性金属电路半导体制冷片及其加工方法，属于热电与半导体制冷和制热技术领域。通过刻蚀具有类钻碳镀膜的金属基板上的导电层，使其裸露出蚀刻图形的线路作为焊盘，将导流片焊接在焊盘上；将分别焊接有导流片的两块具有类钻碳镀膜的金属基板叠层式放置，并将焊接有导流片的具有类钻碳镀膜的金属基板面相对布置；将一个N型半导体制冷颗粒和一个P型半导体制冷颗粒组成一个电偶对，电偶对的一面焊接在所述两块具有类钻碳镀膜的金属基板的一块具有类钻碳镀膜的金属基板的导流片上，该电偶对的另一面焊接在所述两块具有类钻碳镀膜的金属基板的另一块具有类钻碳镀膜的金属基板的导流片上。本发明大大提高了产品的刚性，利于提高产品的良品率。

Description

高导热性金属电路半导体制冷片及其加工方法
技术领域
本发明属于热电与半导体制冷和制热技术领域。 
背景技术
在热电与半导体制冷和制热技术领域，已有的半导体制冷片技术大多是采用陶瓷基板结构，也有个别采用薄膜塑料或云母结构。 
上述已有的基板解决方案，一般热阻较大，一般热传导系数均在10W/m.k以下。由于其导热性能不够理想，容易影响其耐久工作性能，制冷效率偏低。此外陶瓷基板容易破碎，容易在组装时造成良品率比较低。
于2007年4月4日公开的申请号为200510108046的高导热效率电路板，其主要在于一基板上覆盖有一绝缘层，于绝缘层上设置一线路，线路一处用以设置一半导体芯片，线路一处下面和线路外露表面下面覆盖一含有钻石粉末或钻石及类钻碳膜的导热绝缘层，该导热绝缘层用以迅速传导直接来自于线路的高热及间接来自于半导体芯片的高热，并将高热排除至外界，由此，以维持该电路板在一正常工作温度；导热绝缘层可取代现有电路板基板上的绝缘层，使得高功率半导体芯片所产生的高热能通过线路及导热绝缘层的传递，快速地与外界空气进行热交换而散热。     
发明内容
本发明旨在提供一种热传导系数高、制冷效率高和良品率高的高导热性金属电路半导体制冷片。
本发明至少包括两层叠层式排列的具有类钻碳镀膜的金属基板，在相邻的两层具有类钻碳镀膜的金属基板之间设置若干半导体制冷晶粒和若干导流片，所述导流片分别焊接在类钻碳金属基板上，所述半导体制冷晶粒通过导流片串联电连接。
本发明通过在每两层具有类钻碳镀膜的金属基板中夹置半导体制冷晶粒和导流片，形成环保的高导热性金属电路半导体制冷片，克服了现有技术的不足。
本发明采用具有类钻碳镀膜的金属基板作为半导体制冷片的封装基板，形成由金属基板封装而成的多层结构，可使传导系数远大于10W/m.k，均达到或超过国家标准；还实现了制冷效率高和导热效果好的目的。另外，本发明采用具有类钻碳镀膜的金属基板，大大提高了产品的刚性，从而避免使用原有同类产品的陶瓷材料出现的破损现象，利于提高产品的良品率。
本发明可应用的领域广泛，如：
1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。
3、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。
4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。
5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。
另外，本发明选取的所述具有类钻碳镀膜的金属基板的厚度为0.5～5mm，具有类钻碳镀膜的金属基板的导热系数为10～475W/m.k。形成的产品的工作性能、实验和批量效果制冷效果极佳，可以满足实用领域不同工作条件要求。
本发明采用的具有类钻碳镀膜的金属基板中金属基本材料可以是铝板或铜板或钢板或铁板，可以采用其他合金基板，特别是军工和航天行业含钛等符合材料的基板。
本发明还提出以上高导热性金属电路半导体制冷片的加工方法。
本发明加工方法包括以下步骤：
1）通过刻蚀具有类钻碳镀膜的金属基板上的导电层，使其裸露出蚀刻图形的线路作为焊盘，将导流片焊接在焊盘上；
2）将分别焊接有导流片的两块具有类钻碳镀膜的金属基板叠层式放置，并将焊接有导流片的具有类钻碳镀膜的金属基板面相对布置；将一个N型半导体制冷颗粒和一个P型半导体制冷颗粒组成一个电偶对，电偶对的一面焊接在所述两块具有类钻碳镀膜的金属基板的一块具有类钻碳镀膜的金属基板的导流片上，该电偶对的另一面焊接在所述两块具有类钻碳镀膜的金属基板的另一块具有类钻碳镀膜的金属基板的导流片上。
本发明工艺简单、合理，利于工业化批量生产。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为本发明的另一种结构示意图。
图3为本发明产品与常规产品的温差、能效与驱动电流的关系图。
具体实施方式
一、按中国专利申请号为200510108046公开的方法制作具有类钻碳镀膜的金属基板：
取金属基板（铝板、或铜板、或钢板、或铁板，可以采用其他合金基板，特别是军工和航天行业含钛等符合材料的基板）的厚度约0.5～5mm。
在基板上制出绝缘层后，在线路层上制出钻石或类钻碳膜构成的导热绝缘层，再在绝缘层上采用真空溅镀加电镀方式、或采用印刷铜（或银）方式制出线路层。其中，基板的绝缘层制作是生成一层0-200微米阳极氧化层，或0-200微米环氧树脂胶或PP胶或阳极氧化层与环氧树脂胶PP胶混合（混合厚度为0-200微米）。另外，钻石或类钻碳膜构成的导热绝缘层的形成方法是：以阴极环电弧物理气相沉积(Cathodic Arc PVD)方法、溅射物理气相沉积(Sputtering PVD)方法或电浆辅助化学气相沉积(Plasma Assisted CVD)方法来形成。
对于单面使用的具有类钻碳镀膜的金属基板只在金属基板基板的单面进行以上工艺，形成单面类钻碳金属基板。
对于双面使用的具有类钻碳镀膜的金属基板，则需在金属基板基板的双面分别进行以上工艺，形成双面类钻碳金属基板。
二、高导热性金属电路半导体制冷片生产工艺及形成的产品结构：
例一：
一种典型的具体实施方式，如附图1所示：本发明由一块单面类钻碳金属基板1-1、半导体制冷晶粒1-2、导流片1-3 和1-4、另一块单面类钻碳金属基板1-5依次复合封装组成。
具体加工工艺：通过刻蚀具有类钻碳镀膜的金属基板1-1上的导电层，使其裸露出蚀刻图形的线路作为焊盘之用，将导流片1-3分别焊接在焊盘上。
类钻碳金属基板1-5也同样加工出很多焊盘，然后再导流片1-4分别焊接在各焊盘上。
将两块类钻碳金属基板1-1和1-5叠放，并使分别焊接有焊盘的面相对布置。
半导体制冷颗粒分为N型和P型，一个N型和一个P型两个一组组成一个电偶对，每组电偶对的一面焊接在类钻碳金属基板1-1上的导流片1-3上，电偶对的另一面焊接在类钻碳金属基板1-5上的导流片1-4上。
类钻碳金属基板1-5与类钻碳金属基板1-1通过上下焊盘和导流片将所有电偶对串连起来，最终形成一个正极和负极，正极和负极交换可以改变冷热属性。
形成的产品结构如图1所示：具有两层叠层式排列的类钻碳金属基板1-1和1-5，在两层类钻碳金属基板1-1和1-5之间设置若干半导体制冷晶粒1-2和若干导流片1-3 和1-4，导流片1-3 和1-4分别焊接在类钻碳金属基板1-1和1-5上，半导体制冷晶粒1-2通过导流片1-3 和1-4串联电连接。
形成的产品的传导系数远大于10W/m.k。具有制冷效率高、高导热、热阻小、节能和环保等特点。
例二：
另一种典型的具体实施方式，如附图2所示。由第一块单面类钻碳金属基板2-1、半导体制冷晶粒2-2、导流片2-3和2-4、第二块双面类钻碳金属基板2-5、半导体制冷晶粒2-6和导流片2-7、第三块单面类钻碳金属基板2-8依次复合封装组成。
具体生产工艺：通过刻蚀具有类钻碳镀膜的金属基板2-1上的导电层，使其裸露出蚀刻图形的线路作为焊盘之用，将导流片2-3分别焊接在焊盘上。
在第二块类钻碳金属基板2-5的两面分别同相同工艺做成双面焊盘，一面焊接导流片2-4，另一面焊接导流片2-7。
在第三块类钻碳金属基板2-8的一面以与类钻碳金属基板2-1相同的工艺，于一面生成很多焊盘，将各导流片2-9分别焊接在相应的焊盘上。
将第一块类钻碳金属基板2-1、第二块类钻碳金属基板2-5，第三块类钻碳金属基板2-8相互叠层放置。
半导体制冷颗粒分为N型和P型，一个N型和一个P型两个一组组成一个点偶对，每电偶对的一面焊接在第一块类钻碳金属基板2-1上的导流片2-3上，另一面焊接在第二块类钻碳金属基板2-5的导流片2-4上。依此类推。
第三块类钻碳金属基板2-8、第一块类钻碳金属基板2-1与中间的其它类钻碳金属基板通过焊盘和导流片将所有电偶对串连起来，最终形成一个正极和负极，正极和负极交换可以改变冷热属性。
形成的产品如图2所示：在第一块类钻碳金属基板2-1与中间的第二块类钻碳金属基板2-5之间设有导流片2-3、2-4和半导体制冷颗粒2-2，在第二块类钻碳金属基板2-5与第三块类钻碳金属基板2-8之间设有导流片2-7、2-9和半导体制冷颗粒2-6。
当然，也可依据以上方法，将四块、四块以上的类钻碳金属基板依次进行复合封装组成四层以上的多层结构。
以上两例选取的类钻碳金属基板1-1、1-5的材料为铝板、铜板、钢板、铁板、合金板中的任意一种，厚度分别为0.5～5mm，导热系数为10～475W/m.k。
三、测试效果：
1、在常温环境，取一标准铝型材（基体长宽高为210X110X15mm，鳍片为长宽110X65mm、厚度为5mm，总重量约0.8公斤）为标准散热器。
将同一类型的陶瓷基板半导体制冷片和本发明冷片分别通过等量导热硅脂附于铝型材上面中部，驱动电流分别从0.5A增加到3A，以0.5A为间隔，记录工作30分钟的环境温度、半导体制冷片冷面温度、散热器温度、驱动电压和电流数据，其中半导体制冷片因一面为冷面，一面为热面，散热器温度指热面安装于散热器上面时的散热器温度。其中温差的计算公式为环境温度减去冷面温度，能效的计算公式为温差除以电压和电流的乘积。结果如图3所示。
从图3中可以看出本发明高导热性金属电路半导体制冷片在2A和2.5A时温差和能效均常规高于陶瓷基板半导体制冷片，3A后双方因能效极低，一般没实际应用意义。
2、测试方法同于上，其中瓦数的数据为电压和电流的乘积，因仪器原因，电流无法正好调整到0.5A的整数倍，但不影响温差和能效的计算。
结果如表1：    
                             表1
制冷片 电流(A) 电压(V) 瓦数(W) 温差(ΔT) 能效(ΔT/W)
陶瓷基板半导体制冷片 2.48 11.2 27.8 36.6 1.3
陶瓷基板半导体制冷片 2.94 13 38.2 37.7 0.98
高导热性金属电路半导体制冷片 1.98 9.9 19.6 41.5 2.1
从表1测试数据表明：高导热性金属电路半导体制冷片在2A时制冷效率约为2.1，高于陶瓷基板半导体制冷片1.3约62%。
3、在老化房内，半导体制冷片加制冷负载封闭空间体积5L，通电电流2A，分别测试同一类型半导体颗粒封装的陶瓷基板半导体制冷片和高导热性金属电路半导体制冷片，记录5分钟到30分钟的环境温度、半导体制冷片冷面温度、散热器温度和封闭环境温度数据，其中半导体制冷片因一面为冷面，一面为热面，散热器温度指热面加散热器时的散热器温度。分别取得表2和表3，其中表2为本发明高导热性金属电路半导体制冷片测试结果，表3为常规陶瓷基板半导体制冷片测试结果：
                           表2
时间 环境温度℃  冷面温度℃ 散热器温度℃ 封闭环境温度℃
初始 36.58 -8.7 31.8 29.4
5min 38.16 -4.1 38.51 30.67
10min 39.39 -1.91 41.87 32.68
15min 40.59 -0.35 44.73 34.89
20min 41.06 0.6 46.14 36.08
25min 41.48 1.41 47.34 37.12
30min 43.92 1.88 48.12 37.83
从表2数据显示：高导热性金属电路半导体制冷片2A电流下，30分钟后密闭空间温度比环境温度低6.1℃。
 
                             表3
时间 环境温度℃  冷面温度℃ 散热器温度℃ 封闭环境温度℃
初始 40.24 -0.28 35.94 31.81
5min 41.53 2.81 43.82 34.87
10min 42.56 5.02 48.32 36.92
15min 42.38 7.6 51.88 38.68
20min 42.95 9.36 54.46 40.28
25min 43.01 9.4 56.79 41.45
30min 43.21 11.06 59.09 42.82
从表3数据表明：陶瓷基板半导体制冷片2A电流下，30分钟后密闭空间温度比环境温度低0.29℃
表2和表3的对比数据可以看出高导热性金属电路半导体制冷片在同一负载情况下比陶瓷基板半导体制冷片有4.81℃的降温效果。

Claims (4)

1.高导热性金属电路半导体制冷片，其特征在于至少包括两层叠层式排列的具有类钻碳镀膜的金属基板，在相邻的两层具有类钻碳镀膜的金属基板之间设置若干半导体制冷晶粒和若干导流片，所述导流片分别焊接在类钻碳金属基板上，所述半导体制冷晶粒通过导流片串联电连接。
2.根据权利要求1所述高导热性金属电路半导体制冷片，其特征在于所述具有类钻碳镀膜的金属基板的厚度为0.5～5mm，具有类钻碳镀膜的金属基板的导热系数为10～475W/m.k。
3.根据权利要求1所述高导热性金属电路半导体制冷片，其特征在于所述具有类钻碳镀膜的金属基板中金属为铝、铜、钢、铁、合金中的任意一种。
4.如权利要求1所述高导热性金属电路半导体制冷片的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
1）通过刻蚀具有类钻碳镀膜的金属基板上的导电层，使其裸露出蚀刻图形的线路作为焊盘，将导流片焊接在焊盘上；
2）将分别焊接有导流片的两块具有类钻碳镀膜的金属基板叠层式放置，并将焊接有导流片的具有类钻碳镀膜的金属基板面相对布置；将一个N型半导体制冷颗粒和一个P型半导体制冷颗粒组成一个电偶对，电偶对的一面焊接在所述两块具有类钻碳镀膜的金属基板的一块钻碳金属基板的导流片上，该电偶对的另一面焊接在所述两块具有类钻碳镀膜的金属基板的另一块具有类钻碳镀膜的金属基板的导流片上。
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