CN105682428A - 一种大功率芯片散热装置制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子散热领域，尤其是一种大功率芯片散热装置制作方法。本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的大功率芯片高热流密度、散热困难的问题，提供一种大功率芯片散热装置制作方法。本发明采用了高导热金刚石铜复合材料作为大功率半导体散热热沉，同时在金刚石铜热沉上设计微流通道，并通过液体相变层，采用焊接技术形成蒸汽腔，然后抽真空，注入工作介质，最后收口，然后通过大功率芯片直接焊接在带有蒸汽空腔的金刚石铜载体上，利用金刚石铜高导热率和液体相变散热，提高大功率芯片的散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及微电子散热领域，尤其是一种大功率芯片散热装置制作方法。
背景技术
大功率半导体芯片对散热要求特别高，同时芯片材料热膨胀系数比较低，传统的AlSiC、铜、钼铜、钨铜等金属都无法同时满足其散热和工艺匹配要求。大功率模块的微流道散热结构多采用铝、铜、硅铝等金属材料，这些材料存在热膨胀系数无法和芯片匹配，同时这些材料的热导率不够高，散热效果不明显。微流道散热需要液体流入流出接头，会占用较大的体积。现有的均热板散热虽然无接头，但是一般采用铝或铜等金属材料，裸芯片无法直接焊接在均热板上，会影响大功率芯片的散热效率。
田玉福在《新型分形结构及其电子器件微通道散热应用研究》，陈慧雁在《高热流密度相变均热板传热特性的理论研究》，曹红在《一体化均热板在某毫米波功率放大器热设计中的应用》等文献中提到了平板均热板散热方法，但这些文章都是关于均热板流道的设计和加工，采用的是铝合金或铜材料，未提到采用金刚石铜作为均热板材质，也未提到大功率芯片直接焊接在均热板上。
徐兴龙《电子封装用金刚石/铜复合粉体的制备及表征》、张荣博《高导热金刚石/铜复合热沉的研究》、冯达《界面对封装用金刚石/铝复合材料性能的影响》等人在文献中提到了金刚石/铜，但是这些文章都是关于金刚石/铜这种材料的制备和表面镀涂，未涉及到高导热散热的应用。郑新在文章《宽禁带半导体器件的特点与应用分析》提到了宽禁带半导体芯片的封装，但文章中并未涉及到金刚石/铜相变散热方案。张梁娟在文献《基于裸芯片封装的金刚石/铜复合材料基板性能研究》提到了金刚石/铜导热基板，但文章仅仅介绍了金刚石/铜做高效散热基板的应用，并未涉及到相变散热方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的大功率芯片高热流密度(即大功率芯片热耗大需要较好的散热才能确保芯片正常工作，否则芯片很容易因散热不良而烧毁)、散热困难的问题，提供一种大功率芯片散热装置制作方法。本发明采用了高导热金刚石铜复合材料作为大功率半导体散热热沉，同时在金刚石铜热沉上设计微流通道，并通过液体相变层，采用焊接技术形成蒸汽腔，然后抽真空，注入工作介质，最后收口，然后通过大功率芯片直接焊接在带有蒸汽空腔的金刚石铜载体上，利用金刚石铜高导热率和液体相变散热，提高大功率芯片的散热效率。该散热方法不需要安装液体流入流出接头，同时芯片可以直接焊接在载体上，既降低了体积又提高了散热效率。
一种大功率芯片散热装置制作方法包括：
步骤1：采用激光或者水刀在金刚石铜顶板及金刚石铜底板上，加工微流道；其中金刚石铜顶板的边缘与中间部分最大高度差w，金刚石铜底板与中间部分最大高度差w；
步骤2：在金刚石铜底板、金刚石铜顶板中间部分内壁上设置液体相变层；金刚石铜顶板边缘设置通气孔；
步骤3：焊接金刚石铜底板边缘与金刚石铜顶板边缘部分，形成具有蒸汽腔的焊接工件；
步骤4：采用检漏仪检测步骤3中焊接处是否满足气密要求；若满足焊接要求，执行步骤5；否则，重新焊接；
步骤5：通过通气孔将焊接工件抽真空，然后通过通气孔在微流道中注入工作介质，然后将通气孔密封；
步骤6：将大功率芯片焊接在金刚石铜顶板外壁顶端，并采用X射线检测焊接空洞，完成制作。
进一步的，所述步骤1中w范围为1-2mm。
进一步的，所述步骤1中微流道加工精度为±0.05mm，表面粗糙度为小于等于0.8微米；微流道宽度方向h范围是0.5-1mm；
进一步的，所述步骤2中液体相变层材料是金属粉末烧结吸液芯、槽道式吸液芯或丝网屏吸液芯。
进一步的，所述步骤2中液体相变层厚度为30～300微米。
进一步的，所述步骤3中焊接金刚石铜底板边缘与金刚石铜顶板边缘部分的焊接材料是银铜、金硅、金锑、金锗、金锡、锡银铜、锡铅或铟锡。
进一步的，所述步骤5的工作介质指的是蒸馏水、乙醇或丙酮。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
在高导热金刚石铜上采用激光水刀加工技术形成毛细通道，采用焊接技术形成蒸汽空腔，然后抽真空，注入工作介质，最后收口。大功率芯片直接焊接在带有蒸汽空腔的金刚石铜载体上，利用金刚石铜高导热率和液体相变散热，提高大功率芯片的散热效率。
利用了金刚石铜高导热率和低热膨胀系数，综合采用工艺匹配设计、微流道和液体相变散热等方法。本发明实施后功率芯片的散热可以接近于结温散热，散热效率相比未采用金刚石铜相变散热可以提高30％以上(自然散热仅仅为金刚石铜的热导率约为550W/mk，本专利依靠自身内部工质发生相变实现传热的器件热导率达到了5000W/mk，如传热效率高、内热导阻小、等温性好等，从而更适用于电子器件的散热)。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是金刚石铜顶板仰视图。
图2是金铜底板俯视图。
图3是金刚石铜顶板的主视图。
图4是金刚石铜高效散热剖面图。
附图标记：
1-大功率芯片2-金刚石铜
3-工作介质4-金刚石铜顶板
41-金刚石铜顶板边缘部分42-金刚石铜顶板微流道
5-金刚石铜底板51-金刚石铜底板边缘部分
52-金刚石铜底板微流道6-通气孔
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一：
步骤1：采用激光或者水刀在金刚石铜顶板及金刚石铜底板上，加工微流道；其中金刚石铜顶板的边缘与中间部分最大高度差w，金刚石铜底板与中间部分最大高度差w；
步骤2：在金刚石铜底板、金刚石铜顶板中间部分内壁上设置液体相变层；金刚石铜顶板边缘设置通气孔；其中通气孔是注入工作介质用的，注完后就密封住不再打开
步骤3：焊接金刚石铜底板边缘与金刚石铜顶板边缘部分，形成具有蒸汽腔的焊接工件；
步骤4：采用检漏仪检测步骤3中焊接处是否满足气密要求；若满足焊接要求，执行步骤5；否则，重新焊接；
步骤5：通过通气孔将焊接工件抽真空，然后通过通气孔在微流道中注入工作介质，然后将通气孔焊接密封；
步骤6：将大功率芯片焊接在金刚石铜顶板外壁顶端，并采用X射线检测焊接空洞，完成制作。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种大功率芯片散热装置制作方法，其特征在于包括：
步骤1：采用激光或者水刀在金刚石铜顶板及金刚石铜底板上，加工微流道；其中金刚石铜顶板的边缘与中间部分最大高度差w，金刚石铜底板与中间部分最大高度差w；
步骤2：在金刚石铜底板、金刚石铜顶板中间部分内壁上设置液体相变层；金刚石铜顶板边缘设置通气孔；
步骤3：焊接金刚石铜底板边缘与金刚石铜顶板边缘部分，形成具有蒸汽腔的焊接工件；
步骤4：采用检漏仪检测步骤3中焊接处是否满足气密要求；若满足焊接要求，执行步骤5；否则，重新焊接；
步骤5：通过通气孔将焊接工件抽真空，然后通过通气孔在微流道中注入工作介质，然后将通气孔密封；
步骤6：将大功率芯片焊接在金刚石铜顶板外壁顶端，并采用X射线检测焊接空洞，完成制作。
2.根据权利要求1所述的一种大功率芯片散热装置制作方法，其特征在于所述步骤1中w范围为1-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种大功率芯片散热装置制作方法，其特征在于所述步骤1中微流道加工精度为±0.05mm，表面粗糙度为小于等于0.8微米；微流道宽度方向h范围是0.5-1mm。
4.根据权利要求1所述的一种大功率芯片散热装置制作方法，其特征在于所述步骤2中液体相变层材料是金属粉末烧结吸液芯、槽道式吸液芯或丝网屏吸液芯。
5.根据权利要求1所述的一种大功率芯片散热装置制作方法，其特征在于所述步骤2中液体相变层厚度为30～300μm。
6.根据权利要求1所述的一种大功率芯片散热装置制作方法，其特征在于所述步骤3中焊接金刚石铜底板边缘与金刚石铜顶板边缘部分的焊接材料是银铜、金硅、金锑、金锗、金锡、锡银铜、锡铅或铟锡。
7.根据权利要求1所述的一种大功率芯片散热装置制作方法，其特征在于所述步骤5的工作介质指的是蒸馏水、乙醇或丙酮。
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