CN108831837A - 高导热性相变温控复合封装基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，利用本发明方便地将低熔点合金固态相变材料直接集成在LTCC‑AlN复合基板内，形成集成度高、导热率高的相变温控装置，本发明通过下述技术方案予以实现：在多层AlN生瓷片的中间AlN生瓷片上制出相变温控腔，再经叠层等静压共烧，形成内嵌相变温控腔夹层的氮化铝AlN基板；并在LTCC生瓷片基板上制出以矩阵分布的电子元件安装腔体，再将AlN基板和LTCC生瓷片基板层压一体，进行共烧，形成可以埋入电子有源器件的LTCC‑AlN复合基板，最后将低熔点合金固态相变材料加热熔化至液态并灌注到复合基板的相变温控腔内，并通过密封盖板进行密封,完成高导热性相变温控复合基板的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于半导体致冷器、电子加热器、大功率电力半导体模块、功率控制电路、功率混合电路、智能功率组件、汽车电子、航天航空及军用电子组件，太阳能电池板组件，激光等多项工业电子领域内嵌相变材料的高导热复合基板的制备方法、尤其是涉及一种内嵌相变材料的高导热复合基板的结构及其制备方法。
背景技术
随着电子设备朝着高功率、小型化、高集成度的方向发展，现阶段高性能的设备热流密度急剧增大，电子产品单位体积内电子元器件尤其是芯片的功耗和密度都越来越高，但是对散热的需求却丝毫不减，对电子产品的金属基板的散热性要求较高。传统的风冷、液冷等散热方式很难满足电子元器件日益增加的散热要求和高集成度要求。虽然目前有通过微流管道散热的研究，但这样做会降低工艺灵活性并限制布线密度的提高。通常散热基板材料是由铝金属板、附在金属板上的导热性绝缘层、铜箔三种主要材料所构成的。完成金属基覆铜板制作后，再经对金属基覆铜板上的铜箔进行蚀刻加工，而制成导电电路图形，最后形成散热基板。自制的金属基覆铜板的绝缘层，其本体树脂是环氧树脂。在树脂中添加了高导性的无机填料。这个绝缘层的散热功效，可以达到一般氧化铝陶瓷基板材料的热阻性能水平。由于电路基板PCB上安装的元件会发热，为了提高基板的散热效果，现有技术采用高导热复合陶瓷基板或在玻璃布复合基板材料中大量填充粒径不同的各种无机氧化物，以提高覆铜板导热率。高导热复合陶瓷基板是新一代高功率陶瓷基板材料。使用真空等离子体增强沉积技术(PVD)在现有成熟Al2O3陶瓷基板表面上沉积AlN或金属涂层而制成的一种电子基础材料。因其具有很高的性价比，为中高端产品极大地降低生产成本。高导热复合陶瓷基板具有极好的热循环性、形状稳定、刚性好、导热率高、可靠性高，可以直接刻蚀出各种电路的特点，制备过程无污染、绿色环保。可在-30℃～600℃使用。在业界中，在解决基板材料高导热性方面，一般是采用在树脂组成物中添加陶瓷类等的无机填料的手段。过去，传统所用的封装基板是陶瓷类基板，而近年已经逐渐被这类环氧树脂作绝缘层的有机封装金属基散热基板所替代。后者在实现高散热性、高可靠性、低成本方面特性优于陶瓷类基板。树脂工艺配方制作的高导热性基板材料，往往它的柔韧性受损，从而会在绝缘可靠性、基材与电路的粘接两方面的PCB性能上有所下降。就布线密度而言，LTCC是目前最适合的多层基板制造技术，但LTCC难以制作完整的金属层和实心地或整块平面金属散热层，低温共烧陶瓷LTCC难以进行大尺寸加工，使得其生产成本较高，且不能用来制作大面积的高低频复合母版；当集成密度越来越高以后，LTCC只能依靠陶瓷自身的导热能力和散热通孔进行散热。虽然LTCC名字中有低温两字，但是其烧结温度也高达850°，难以在LTCC内部埋入热敏感的有源器件；受生瓷材料性能的限制，LTCC的介电常数相对较高，难以满足超高频段如毫米波频段的应用。LTCC利用AlN涂层的高导热特性，芯片所产生的热量沿基板表面快速扩散，然后于大面积使热量扩散通过Al2O3基板，从而有效地改善陶瓷基板散热能力。在同一树脂组成的金属基CCL中，绝缘层的厚度也对基板的导热性有很大的关联。太厚的绝缘层构成的金属基CCL在导热性上表现得比薄型绝缘层基CCL的相对恶劣。下一代的高导热性基板材料是底基板用铝板厚度很薄，从原来的1.0mm减薄到0.23mm，底基铝板采用更薄型，由于介质厚度变薄会使特性阻抗下降，一般会给整个铝基CCL的压制成型加工带来工艺性的困难。而薄型绝缘层，尽管它可提高整个金属基CCL的导热性有所贡献，但它也需要克服由绝缘层的减薄而带来的基材耐电压下降的问题出现。为了提高金属基CCL的高导热性，在此板的绝缘层的树脂组成中加入高导热性的填料。在填料种类的选择上，大多数的金属基CCL生产企业是采用了Al2O3填料。在绝缘层中加入Al2O3填料的铝基CCL，在PCB加工中，对模具的磨耗很大，大大地减少了它在PCB加工中的使用寿命。需要解决芯片或片式元件，在安装在金属基CCL所制的散热基板上时,容易发生的焊接部位开裂。近年来，由于铝材的热膨胀系数(CTE)过高，在它作为散热基板用高导热性基板材料中(一般作为底基材)，往往由此性能缺陷而造成在基板在受热冲击时而出现铝板与绝缘基材分层、开裂等问题。为了应对散热基板需求量迅速增加的市场变化，近年来在芯片搭载在基板上的设计，追求在一块基板上搭载多个发光颜色不同的多个芯片安装形式。这样，它的封装基板的电路就变得更为复杂，对基板的耐热性也提出了更高的要求。这种新的严历要求，对于一般有机树脂类覆铜板(如一般白色FR-4板)来说是无法胜任的，同时，由于大部分有机材料都具有吸水性，无法形成气密封装，由此，在近几年中出现一些用白色有机树脂类CCL被耐热性更高的陶瓷类散热基板所替代的现象。使用陶瓷基散热基板在加工性和成本性上变差，这也成为了在采用这类基板的两大缺陷。
目前相变温控装置主要采用将相变材料密封在金属材料例如铝合金制作的结构腔体内的方式，电路组件安装在金属腔体上，电子元器件工作时候产生的热量需通过基板传递给金属腔体，再通过金属腔体传递给相变材料，不同材料间的热阻较大，影响相变温控的效率和响应速率。此外，由于需增加金属腔体结构件，很难再减小相变温控装置的体积和重量，无法满足电子设备进一步小型化的需求。采用相变温控技术制作的散热装置可以以较小的尺寸，将电子元器件的工作温度控制在一定范围内，较传统的风冷、液冷装置具备更高的集成度，已逐步应用于由于体积或者集成度限制很难安装风冷和液冷装置的电子设备，尤其是间隙性或周期性工作的电子设备的被动冷却。相变温控技术是利用采用的相变材料(PCM)从低熵聚集态转变到高熵聚集态物质时需吸收大量热量而转变过程中温度基本保持不变的特性，从而达到控制电子元器件温度的目的，待设备停止工作时相变材料再从高熵聚集态转变到低熵聚集态，并将吸收的热量释放到周围的环境中，为设备下一个工作周期做准备。但现有相变温控装置不同材料间热阻大、存在体积和重量难以进一步降低等的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有相变温控装置不同材料间热阻大、体积和重量难以进一步降低等的不足之处，提供一种集成度高，导热率高，可以直接将相变材料集成在电路基板内进行相变温控的高导热复合基板的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供的一种高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，具有如下技术特征：首先在中间AlN生瓷片2和下层AlN生瓷片3上分别制出灌注孔5和填充低熔点合金固态相变材料16的相变温控腔4；用温水等静压将上层AlN生瓷片1、中间层AlN生瓷片2和下层AlN生瓷片3层压在一起，再放入烧结炉中进行共烧，形成内嵌相变温控腔4的氮化铝AlN基板7；并在LTCC生瓷片基板15上制出按线阵排列的，以矩阵分布的电子元件安装腔体11，然后将AlN基板7和LTCC生瓷片基板15层压在一起，再进行共烧，形成可以埋入电子有源器件或热敏感有源器件的LTCC-AlN复合基板12；然后将低熔点合金固态相变材料(16)加热熔化至液态并灌注到复合基板的相变温控腔内，最后通过密封盖板(14)进行密封,完成内嵌相变材料的高导热性复合基板的制备。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
集成度高。本发明在中间层氮化铝AlN生瓷片2和下层AlN生瓷片3上分别制出灌注相变材料的灌注孔5和填充相变材料的相变温控腔4，直接将相变材料填充在相变温控腔4中；将上层AlN生瓷片1、中间层AlN生瓷片2和下层AlN生瓷片3层压、烧结在一起，实现耐热性高，高导热性吸水率低、轻量，并具有高温可靠性优异的氮化铝AlN基板，突破现有相变温控装置独立的金属腔体封装结构形式，进一步提升相变温控技术的集成度。由于不需要金属封装腔体结构，可较大程度上减小电子设备的体积和重量，将相变材料与基板集成在一起的结构形式能够满足绝大多数电子设备进一步小型化的发展需求；同时，利用LTCC生瓷片基板介电常数低、插入损耗小、可埋置无源元件和功能电路等诸多优点，可实现多芯片组件(MCM)、系统级封装(SIP)等高密度集成电路，采用相变温控结构，可满足电子设备集成度进一步提升的需求，从而克服了LTCC难以制作完整的金属层和实心地或整块平面金属散热层，低温共烧陶瓷LTCC难以进行大尺寸加工，生产成本较高，LTCC只能依靠陶瓷自身的导热能力和散热通孔进行散热，难以满足毫米波频段、超高频段的应用问题。
导热率高。本发明将将制有按线阵排列的，矩阵分布的电子元件安装腔体11的LTCC生瓷片基板15和AlN基板7层压在一起再进行共烧，形成可以埋入电子有源器件或热敏感有源器件和内嵌有相变材料的LTCC-AlN复合基板12，提供了更大的制作工艺实施上的方便。由于取消了传统相变温控装置的金属封装腔体，芯片等高功率电子有源器件直接安装在氮化铝AlN基板上，高功率电子有源器件工作时的热量直接通过LTCC-AlN复合基板传给其内部的相变材料，相变材料填料改变导热方向，缩短了热量的传递路径，减少了不同材料界面间的热阻，很大幅度地提高了其散热性。利用接近BeO和SiC，是Al2O3的5倍以上，热导率高达270W/m·K的氮化铝AlN基板，热膨胀系数(4.5×10-6℃)与Si(3.5～4×10-6℃)和GaAs(6×10-6℃)匹配，受热后氮化铝基板的尺寸变形方面好于铝材。导热系数远高于目前绝大多数基板的特点，机械性能好，抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷，可以常压烧结；杨氏模量值约为310GPa，各种电性能：介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度优良，可进一步提升相变温控的热响应速率。本发明采用内嵌相变材料的氮化铝AlN基板，还会在加工性上得到提高，与其它类别的常规高导热性基板材料(例如铝基CCL、陶瓷基CCL等)相比，设计自由度高。同时它在耐电压性、耐金属离子迁移性方面也与其它高导热性基板材料相竞争上具有明显的优势。
附图说明
图1是本发明的高导热性内嵌相变材料复合封装基板的剖视图。
图2是图1的制作流程示意图。
图中：1.上层AlN生瓷片，2.中间层AlN生瓷片，3.下层AlN生瓷片，4.相变温控腔，5.灌注孔，6.牺牲材料，7.AlN基板，8.上层LTCC生瓷片，9.中间层LTCC生瓷片，10.下层LTCC生瓷片，11.电子元件安装腔体，12.LTCC-AlN复合基板，13.灌注接头，14.密封盖板，15.LTCC生瓷片基板，16.低熔点合金固态相变材料。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，高导热性相变温控复合封装基板主要包括LTCC生瓷片基板15、AlN基板7、低熔点合金固态相变材料16、灌注接头13、密封盖板14。相变温控腔4为至少两条平行排列在中间层AlN生瓷片2上的腔体，上层AlN生瓷片1、下层AlN生瓷片3将中间层AlN生瓷片2层压密封形成内嵌相变温控腔4的AlN基板7。LTCC生瓷片基板15通过共烧与AlN基板7集成在一起形成LTCC-AlN复合基板12。通过LTCC-AlN复合基板12底面四周灌注孔5上焊接的灌注接头13，将低熔点合金固态相变材料16灌注到复合基板的相变温控腔4内，将密封盖板14焊接在灌注孔5的台阶孔上，对复合基板内嵌的相变材料进行的密封。牺牲材料6主要作用是在AlN基板层压时防止腔体变形，在烧结时挥发，与后续填充的相变材料不同，所以本次又改为牺牲材料；灌注接头13主要作用是焊接在基板灌注孔上，方便与外部灌注设备相连进行相变材料灌注，
芯片等高功率电子有源器件通过LTCC-AlN复合基板12上的电子元件安装腔体11，安装在AlN基板7的表面。AlN基板7通过相变温控腔4内填充的低熔点合金固态相变材料16，从低熵聚集态转变到高熵聚集态物质时吸收大量热量将器件的温度控制在要求范围内。
参阅图2。根据本发明，在中间层AlN生瓷片2和下层AlN生瓷片3两层AlN生瓷片上分别制出相变温控腔4和灌注孔5，灌注孔5连通相变温控腔4，再在相变温控腔4内填充牺牲材料6，防止相变温控腔4在层压时发生变形甚至是塌陷，然后用温水等静压将上、中、下三层AlN生瓷片层压在一起，放入烧结炉中进行共烧，形成内嵌相变温控腔4的AlN基板7。在上层LTCC生瓷片8、中间层LTCC生瓷片9、下层LTCC生瓷片10上制出电子元件安装腔体11，再用温水等静压将上、中、下三层LTCC生瓷片和AlN基板层压在一起，然后放入烧结炉中进行共烧形成LTCC-AlN复合基板12。LTCC-AlN复合基板12烧结完成后，将灌注接头13焊接在基板上，再将低熔点合金固态相变材料16加热熔化为液态并通过灌注接头13填充到复合基板的相变温控腔4内，最后在灌注接头13上焊接密封盖板14对相变材料进行密封，完成内嵌相变材料的高导热复合基板的制备。
具体可以采用以下步骤完成内嵌相变材料的高导热复合基板的制作：
1)采用冲孔机或激光加工设备，分别在中间层AlN生瓷片2、下层AlN生瓷片3上制作相变温控腔4、灌注孔5、电路通孔以及定位通孔；
2)采用丝网印刷机，上层AlN生瓷片1、中间层AlN生瓷片2、下层AlN生瓷片3表面的印制电路导线，同时填充上、中、下三层生瓷片上的电路通孔；
3)在中间层AlN生瓷片2上的相变温控腔4内填充牺牲材料6，牺牲材料6填充高度与腔体高度比为90％左右，以防止相变温控腔4在层压时发生变形甚至是塌陷；
4)采用高精度贴片机或销钉定位手工叠片，将上层AlN生瓷片1、中间层AlN生瓷片2和下层AlN生瓷片3精确叠层在一起；
5)采用温水等静压，对上层AlN生瓷片1、中间层AlN生瓷片2和下层AlN生瓷片3进行层压，层压压力为15MPa、层压温度为70℃，持续15min左右；
6)将层压在一起的AlN生瓷片置于氮气气氛下从室温缓慢升温至500℃后，维持峰值温度1～2h，完成AlN生瓷片排胶，同时确保相变温控腔4内填充的牺牲材料6通过灌注孔5完全挥发；再逐步升温至1800℃左右，维持峰值温度4h左右后逐步降至室温，完成AlN基板7的烧结，形成内嵌相变温控腔4的AlN基板。
7)采用冲孔机或激光加工设备，分别在上层LTCC生瓷片8、中间层LTCC生瓷片9、下层LTCC生瓷片10上制作电子元件安装腔体11、电路通孔以及定位通孔；
8)采用丝网印刷机，印制上层LTCC生瓷片8、中间层LTCC生瓷片9、下层LTCC生瓷片10表面的导线，同时填充上、中、下三层生瓷片上的电路通孔；
9)采用高精度贴片机或销钉定位手工叠片，将上层LTCC生瓷片8、中间层LTCC生瓷片9、下层LTCC生瓷片10与AlN基板7精确叠层在一起，其中AlN基板7与下层LTCC生瓷片10压合的一面需提前镀敷厚度为10～15μm的Au层；
10)采用软质硅胶塞子填充电子元件安装腔体11，防止电子元件安装腔体11在层压时发生变形，再采用温水等静压，对上层LTCC生瓷片8、中间层LTCC生瓷片9、下层LTCC生瓷片10与AlN基板7进行层压，层压压力至少为30MPa、层压温度为至少70℃，持续10～15min；
11)取出软质硅胶塞子，将层压在一起的LTCC生瓷片与AlN基板放入烧结炉中进行共烧，首先缓慢升温至450～500℃后，维持峰值温度1～2h，完成LTCC生瓷片排胶；再缓慢升温至850～900℃后，维持峰值温度2～3h后逐步降至室温，完成LTCC生瓷片和AlN基板的烧结，形成LTCC-AlN复合基板12；
12)采用Au80Sn20焊料将灌注接头13焊接在LTCC-AlN复合基板12上；
13)将低熔点合金固态相变材料16放入100℃～110℃烘箱中，加热直至低熔点合金全部熔化为液态，再通过灌注接头13注入LTCC-AlN复合基板12的相变温控腔4；
14)采用Sn63Pb37焊料将密封盖板14焊接在灌注接头13的台阶孔上，完成相变材料的密封，最终完成内嵌低熔点合金固态相变材料的高导热复合基板的制备。
AlN基板7通过内嵌相变温控腔4填充的低熔点合金固态相变材料16，从低熵聚集态转变到高熵聚集态物质时吸收大量热量，将电子有源器件的温度控制在要求范围内。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以根据原材料的不同做出若干变形和改进，比如本发明对于导热石蜡类相变材料、脂肪酸类相变材料以及多元醇类相变材料同样有效，只需要根据相变温度的区别调整相变材料灌注时的加热温度即可完成基于不同相变材料的高导热复合基板的制备。这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，具有如下技术特征：在至少三层AlN生瓷片的中间AlN生瓷片上制出相变温控腔(4)，再经过叠层、等静压、共烧工序，形成内嵌相变温控腔夹层的氮化铝AlN基板(7)；并在LTCC生瓷片基板(15)上制出以矩阵分布的电子元件安装腔体(11)，然后将AlN基板和LTCC生瓷片基板层压在一起，再进行共烧，形成可以埋入电子有源器件或热敏感有源器件的LTCC-AlN复合基板(12)，然后将低熔点合金固态相变材料(16)加热熔化至液态并灌注到复合基板的相变温控腔内，最后通过密封盖板(14)进行密封,完成高导热性相变温控复合基板的制备。
2.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：相变温控腔(4)为至少两条平行排列在中间层AlN生瓷片(2)上的腔体，上层AlN生瓷片(1)、下层AlN生瓷片(3)和中间层AlN生瓷片(2)层压、共烧形成内嵌相变温控腔(4)的AlN基板(7)。
3.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：电子元件安装腔体(11)由上层LTCC生瓷片(8)、中间层LTCC生瓷片(9)和下层LTCC生瓷片(10)层叠层压LTCC生瓷片上制出。
4.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：采用冲孔机或激光加工设备，分别在中间层AlN生瓷片(2)、下层AlN生瓷片(3)上制作相变温控腔(4)、灌注孔(5)、电路通孔以及定位通孔；采用丝网印刷机在上层AlN生瓷片(1)、中间层AlN生瓷片(2)、下层AlN生瓷片(3)表面印制电路的导线，同时填充上、中、下三层生瓷片上的电路通孔；在中间层AlN生瓷片(2)上的相变温控腔(4)内，填充，填充高度与相变温控腔(4)的腔体高度比为80～95％的牺牲材料(6)，以防止相变温控腔(4)在层压时发生变形甚至是塌陷。
5.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：采用温水等静压对上层AlN生瓷片(1)、中间层AlN生瓷片(2)和下层AlN生瓷片(3)进行层压，层压的压力为至少15MPa、层压温度至少为70℃，持续至少15min。
6.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：将层压在一起的AlN生瓷片置于氮气气氛下从室温缓慢升温至500℃后，维持峰值温度1～2h，完成AlN生瓷片排胶，同时确保相变温控腔(4)内填充的牺牲材料(6)通过灌注孔(5)完全挥发；再逐步升温至1750℃～1850℃，维持峰值温度4h左右后逐步降至室温，形成内嵌相变材料安装腔体的AlN基板(7)。
7.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：将层压在一起的LTCC生瓷片基板(15)与AlN基板(7)放入烧结炉中进行共烧，首先缓慢升温至450～500℃后，维持峰值温度1～2h，完成LTCC生瓷片排胶；再缓慢升温至850～900℃后，维持峰值温度2～3h后逐步降至室温，完成LTCC生瓷片基板(15)和AlN基板(7)的烧结，形成LTCC-AlN复合基板(12)。
8.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：LTCC-AlN复合基板(12)烧结完成后，将LTCC-AlN复合基板(12)和低熔点合金固态相变材料(16)放入100℃～110℃烘箱中，加热直至低熔点合金全部熔化为液态，再通过焊接在复合基板灌注孔(5)上的灌注接头(13)注入相变温控腔(4)，最后将密封盖板(14)焊接在灌注接头(13)的台阶孔上，完成低熔点合金固态相变材料的密封。
9.如权利要求1所述的高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，其特征在于：AlN基板(7)通过内嵌相变温控腔(4)填充的低熔点合金固态相变材料(16)，从低熵聚集态转变到高熵聚集态物质时吸收大量热量，将电子有源器件的温度控制在要求范围内。
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