CN111725144A - 基于气液相变的高温电子封装基板材料器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于气液相变的高温电子封装基板材料器件及其制备方法，该器件包括形成密闭空腔的基板壳体、覆盖在基板壳体内壁上并具有气体流动通道的多孔介质、以及设置在基板壳体上并连接所述多孔介质的充液口，在基板壳体的上表面处还设有功率器件，所述的多孔介质内浸润有受热后可发生气液相变的液态工质。与现有技术相比，本发明开发的新型封装基板材料可满足大功率三代半导体芯片级和模块级高温封装要求，即能在400℃高温条件下进行可靠封装，此外，还可实现封装基板壳体超薄化，降低传热热阻；可减少高温工作状态下温度分布不均匀和热膨胀系数不匹配引入的应力等。

Description

基于气液相变的高温电子封装基板材料器件及其制备方法

技术领域

本发明属于功率器件高温封装技术领域，涉及一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件及其制备方法。

背景技术

大功率三代半导体器件在诸多国家重大战略安全领域具有重要价值。然而，随着半导体器件的集成度、功能性、功率密度的持续性提高，人们对三代半导体器件提出新要求，即不仅需解决高热流密度散热需求，还需该器件能承受高温工作环境。首要解决的是功率器件的高温封装问题，要求制备的封装基板材料不仅能满足高温封装需求，还要求其具有高导热率、均温性能优良、热膨胀率可调、强度高等特点。然而，原有利用合金或复合材料本身的特性已难以满足热流密度不断提升的半导体器件散热需求，且难以在高温条件下正常工作，还会由高温引起的温度分布不均和热膨胀系数不匹配对功率器件引入额外应力。

因此，本领域的技术人员针对大功率三代半导体器件高温封装、高功率工作需求，致力于突破能满足高温工作环境的高热导率、低应力封装基板制备的关键技术。如中国专利201911250688.8公开了一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法，其包括形成密闭空腔的金属管壳、设置在金属管壳中间位置并浸润有液体液态工质的多孔介质，以及设置在金属管壳外部一端并连接所述多孔介质的充液口，在金属管壳外部的另一端可设置热源器件，所述液体液态工质受热后可发生气液相变，所述多孔介质将金属管壳的密闭空腔隔开形成两个蒸汽通道。上述专利的传热模式为单向传递，使得功率芯片在传热方向上存在温差，导致应力分布严重不均，且当该器件做到超薄时，由于横向热传递距离较长，热阻会大幅度增加，其传热极限会大大降低。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件及其制备方法，以解决现有电子封装基板材料器件存在的热阻过大和/或应力分布不均等问题。

本发明开发的新型封装基板材料可满足大功率三代半导体芯片级和模块级高温封装要求，即能在400℃高温条件下进行可靠封装，封装后的基板材料还包括以下性能：能进行高热流密度散热；可大幅度提升传热能力，降低功率芯片结温；主体材料为复合材料，去除与GaN、GaAs等芯片衬底的热膨胀系数不匹配性，极大地降低界面热阻；壳体材料强度高，可实现封装基板壳体超薄化，降低传热热阻；可减少高温工作状态下温度分布不均匀和热膨胀系数不匹配引入的应力。该发明为高功率密度器件高温封装技术的发展提供了新方向。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，包括形成密闭空腔的基板壳体、覆盖在基板壳体内壁上并具有气体流动通道的多孔介质、以及设置在基板壳体上并连接所述多孔介质的充液口，在基板壳体的上表面处还设有功率器件，所述的多孔介质内浸润有受热后可发生气液相变的液态工质。

进一步的，在基板壳体与多孔介质之间还镀覆有一层金属薄层。更进一步的，所述的金属薄层的厚度为1-4μm，其材质一般与多孔介质材质相同；金属薄层能一方面有效地隔离工质和基板壳体材料，防止发生化学反应，生成其它物质影响基板的性能，另一方面与多孔介质相同的材质能保障多孔介质与基板壳体连接可靠性，减小基板的传热热阻。

进一步的，所述基板壳体采用传统常规的电子封装基板材料即可，其对应的材质可以选用钨-铜、钼-铜或铝基碳化硅等复合材料。所采用的电子封装基板材料的热膨胀系数、热导率、强度等参数，可通过各组分的配比来进行调控。

进一步的，所述多孔介质为金属泡沫、金属粉末或金属丝网中的一种或几种的复合。更进一步的，所述多孔介质由金属粉末嵌入到金属泡沫中并高温烧结得到。

进一步的，所述的多孔介质的表面还经过改性处理并得到超浸润表面。

更进一步的，超浸润表面与液态工质的接触角小于10°。

进一步的，所述的基板壳体由对称设置的上壳体与下壳体密封而成。

本发明的技术方案之二提供了一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用机械加工方式制备得到可组成密闭空腔的上壳体和下壳体；

(2)在上壳体和下壳体的内壁面上贴合多孔介质；

(3)对多孔介质进行表面改性处理，使得其具有超浸润表面；

(4)将上壳体与下壳体组装后密封处理，得到具有密闭空腔基板壳体；

(5)在基板壳体上加工连接多孔介质的充液管，并往多孔介质内充装液态工质，然后抽真空后密封充液管；

(6)在基板壳体的上表面安装功率器件，即完成。

本发明的基于气液相变的高温电子封装基板材料，具有临界热流密度高、热膨胀可调、导热率高、均温性能好、强度高、耐高温等特点，满足于高温、高功率密度的点热源对封装基板材料性能的需求。当功率器件正常工作，在小空间范围内会产生大量热量，导致功率器件的温度会急剧上升，当将原始基板材料换成基于气液相变的基板材料时，其热扩散性能将得到大幅度提高，且功率芯片和基板温度分布会变得均匀，该基板材料不仅能有效降低功率器件散热热阻，降低芯片结温，还能减小基板温度分布不均引起的热变形，降低基板材料变形对功率器件的压应力，同时也会降低和均匀化功率器件内部的热应力。此外，由于壳体材料采用的是复合材料，其能通过调节各组分比例调控材料的热膨胀率，以满足与不同功率芯片衬底材料的热膨胀率匹配，降低其热失配率，同时减小界面热阻。在整个热传递过程中，功率器件产生的热量通过超薄壳体传导到基板空腔内部，由固体导热转换为相变潜热传热方式，其传热效率得到大幅度提升，这种方式尤其适用于集成度高的点热源散热；且壳体材料采用原有基板复合材料，本发明所制备的基于气液相变的封装基板材料，可通过控制空腔内的气液相变和壳体材料的组分，协同调控由封装基板对功率器件引入的压应力，减小功率器件的热阻，降低其工作结温；还开发了具有优良综合毛细性能的复合多孔介质结构，能满足大功率密度散热需求。

本发明制备的基于气液相变的高温电子封装基板，可满足功率器件对基板材料的导热率高、均温性能好、临界热流密度高、热膨胀可调、强度高、耐高温等需求，主要包括：能进行高热流密度散热；可大幅度提升传热能力，降低功率芯片结温；主体材料为复合材料，去除与GaN、GaAs等芯片衬底的热膨胀系数不匹配性，极大地降低界面热阻；强度高，可实现基于气液相变的电子封装基板超薄化；可通过控制气液相变能力和封装壳体材料的组分，来协同调控由封装基板引入的热应力；将中温液态工质与高强度复合材料结合，能实现在400℃高温条件下进行可靠封装。该发明为大功率三代半导体器件的发展提供了新方向。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(一)管壳材质采用现有电子封装基板材料，其不仅满足功率器件封装平整度、强度、热膨胀匹配等需求，且其高强度特点，能进一步减薄壳体壁厚，使功率器件产生的热量快速地从固体传热转化为高效的气液相变传热，降低电子封装基板本身导热率低带来的热阻。

(二)采用气液相变高效传热技术来改善封装基板材料的横向导热率，由于其具有高效均温性能，将功率芯片点热源产生的热量快速进行扩散，不仅降低了芯片结温，且能减小封装基板温度不均匀对功率芯片引入的压应力，有效降低和均匀化芯片内部热应力。

(三)采用金属薄层将壳体材料与多孔介质、中温工质隔离，不仅解决材料之间互溶问题，提升高温封装基板使用寿命，且能实现多孔介质与壳体材料的可靠连接，降低壳体材料与多孔介质之间的界面传热热阻。

(四)电子封装基板材料通常采用的是钨-铜合金、钼-铜合金、铝基碳化硅、金刚石-铜等复合材料，该复合材料可通过调节组分来对其热膨胀性能进行调控，本专利所制备的基于气液相变的高温电子封装基板，其热膨胀率可通过壳体材料组分和气液相变技术协同调控，实现封装基板与功率芯片衬底材料之间的热膨胀匹配，从而减小界面连接材料厚度，降低热界面热阻，避免出现热失配问题。

(五)中温液态工质降低了高温封装环境导致腔体内部压强；高强度复合材料也提升了传统气液相变器件壳体材料的强度，将中温液态工质与高强度复合材料结合制备的新型基板材料可满足大功率三代半导体芯片级和模块级高温封装要求，能在400℃高温条件下进行可靠封装。

(六)基于气液相变的电子封装基板材料还具有横向热导率高、热膨胀率可控、强度高、综合毛细性能好、临界热流密度高、超薄、寿命高、面积小等特点：采用气液相变传热技术，热扩散能力强，能对点热源进行快速散热；壳体材料采用复合材料，可通过调节组分对热膨胀进行调控，结合气液相变技术，实现与功率芯片衬底材料的热膨胀匹配；采用高毛细力、高渗透率的复合多孔介质结构，具有优良的反重力特性，能完成各种倾斜角度下的高效散热，且能将液态工质快速回流，满足高功率密度散热需求；采用高强度材料作为壳体，壳体厚度可减薄，降低功率器件与中温工质之间的传热热阻；采用金属覆层技术，将壳体材料与多孔介质、传热工质隔离，解决了材质互溶问题，且解决了多孔介质与壳体材料之间的连接问题；采用高潜热和高比热容的工质，降低了封装基板的面积。

因此，所提出的基于气液相变的封装基板材料结构设计合理，制备方法简单，适合大批量生产；能满足不同尺寸热源对封装基板材耐高温、传热、强度、热膨胀性能的要求，能有效降低传热热阻，提高设备寿命及可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的横截面示意图；

图3为本发明的工作原理示意图；

图4为传统的散热器件的集成示意图；

图5为本发明的金属复合材料器件的纵向剖视示意图；

图6为封装基板的性能变化情况；

图中标记说明：

1-充液管，2-上壳体，3-下壳体，4-钎焊片，5-多孔介质，6-密闭空腔，7-支撑柱多孔介质，8-合金框架，9-基板壳体，10-功率器件，11-接线针，12-金属薄层，13-对称面，14-支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出了一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，包括形成密闭空腔6的基板壳体9、覆盖在基板壳体9内壁上并具有气体流动通道的多孔介质5、以及设置在基板壳体9上并连接所述多孔介质5的充液口，在基板壳体9的上表面处还设有功率器件10，所述的多孔介质5内浸润有受热后可发生气液相变的液态工质。

在本发明的一种具体的实施方式中，在基板壳体9与多孔介质5之间还镀覆有一层金属薄层12。更具体的实施方式中，所述的金属薄层12的厚度为1-4μm，其材质一般与基板壳体9相同，以将壳体材料与多孔介质5、传热工质隔离，解决了材质互溶问题，且解决了多孔介质5与壳体材料之间的连接问题。镀覆技术可采用蒸发镀、电镀、离子镀等膜制备方法，镀覆厚度、致密度、速率可通过电流密度、温度等条件来进行调控，一般采用简单、高效、价格便宜的电镀镀膜方法。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述基板壳体9采用传统常规的电子封装基板材料即可，其对应的材质可以选用钨-铜(如WCu20等)、钼-铜(如MoCu15等)或铝基碳化硅等复合材料，也可以采用如纯铜等材质。所采用的电子封装基板材料的热膨胀系数、热导率、强度等参数，可通过各组分的配比来进行调控。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述多孔介质5为金属泡沫、金属粉末或金属丝网中的一种或几种的复合。更进一步的，所述多孔介质5由金属粉末嵌入到金属泡沫中并高温烧结得到，高温会使得粉末和泡沫烧结而结合。此处的高温根据金属粉末与金属泡沫的具体材质而定，以满足将金属粉末固定在金属泡沫内部即可。多孔介质5的材料可以为镍、铜、钢、铁等，根据工作介质(即液态工质)选择多孔介质5材料的种类，避免工质和多孔介质5发生反应，影响基板的传热性能和寿命。金属粉末的形状有球状、树枝状或无规则状，可通过高温烧结制备成多孔介质5。多孔介质5的厚度小于密闭空腔6的厚度，从而保证可为气态工质快速扩散提供通道。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的多孔介质5的表面还经过改性处理并得到超浸润表面。更具体的实施方式中，超浸润表面与液态工质的接触角小于10°。超浸润表面的制备方法有水热法、刻蚀法、自组装、化学气相沉积、电化学沉积、物理气相沉积、喷涂和旋转涂布等方法。具体可参考Tahk,Dongha,Fabrication of antireflection andantifogging polymer sheet by partial photopolymerization and dry etching,Langmuir,2010,26.4:2240-2243.或Xu Ligang；He Junhui,Antifogging andantireflection coatings fabricated by integrating solid and mesoporous silicananoparticles without any post-treatments,ACS applied materials&interfaces,2012,4.6:3293-3299.等。

在本发明的一种具体的实施方式中，液态工质优选为比热容高、汽化潜热大的液体，优选为导热姆、汞或萘等中的一种或几种混合形成的多元液体。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的基板壳体9由对称设置的上壳体2与下壳体3密封而成。

另外，本发明还提出了一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用机械加工方式制备得到可组成密闭空腔6的具有对称结构的上壳体2和下壳体3；

(2)在上壳体2和下壳体3的内壁面上贴合多孔介质5；

(3)对多孔介质5进行表面改性处理，使得其具有超浸润表面；

(4)将上壳体2与下壳体3组装后密封处理，得到具有密闭空腔6基板壳体9；

(5)在基板壳体9上加工连接多孔介质5的充液管1，并往多孔介质5内充装液态工质，然后抽真空后密封充液管1；

(6)在基板壳体9的上表面安装功率器件10，即完成。

步骤(2)中，多孔介质5之间还可以布置支撑柱14，且支撑柱14四轴也可以贴合多孔介质5，以丰富气体流动通道。具有优良综合毛细性能的多孔介质5可以由成型模具制备得到，包括烧结、切除、压制成型等制备工序。

步骤(4)中，上壳体2与下壳体3的密封处理通过高温压力扩散焊的方法将完成。

步骤(5)中，液态工质可利用倒装充液法充装，具体为：即利用恒温加热台将高温电子封装基板加热到200℃，并采用真空泵对密闭腔体抽真空，当真空度达到5×10^-3torr时，利用腔体内部负压将液态工质充入空腔内，需对液态工质充入量进行控制，最后采用冷焊的方式对充装口进行密封。

以上各实施方式，可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

以上实施方式中的高温电子封装基板的具体工作原理参见图3，将功率器件10(即热源)与基板通过高温焊接进行集成。正常工作时，大电流输入功率芯片会导致高密度空间热量产生，产生的热量通过电子封装基板的上壳体2进行传导，进入密封腔体内部的多孔介质5，在多孔介质5内部的液态工质吸收热量进行汽化；汽化后的工质在气体通道内向远离功率芯片方向进行快速扩散传递，在封装基板的下壳体3内表面附近冷凝成液态；最后热量通过下壳体3传递到外界散热热沉中。与此同时，冷凝后的液态工质在多孔介质5的毛细力驱动下回流到热源附近，重新吸热蒸发，此过程属于无源传热过程，即液态工质在多孔介质5毛细力作用下，进行液体蒸发-气体扩散-气体冷凝-液体回流循环，无需外界能量输入就能将功率芯片产生的热量连续不断的散出。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

一种基于气液相变传热的高温电子封装基板材料，其结构请参见图1-图3、图5等所示，其制备方法如下：

步骤一，壳体成型：利用机加工的方式在厚度为1.5mm的钼-铜合金板材(MoCu15)制备成带有支撑柱14和对称面13的上壳体2、下壳体3，。

步骤二，基板壳体材料内、外表面的清洁：首先采用丙酮和超声波清洗去除基板材料壳体表面加工残留的有机物、颗粒物等杂质(时间：30min)；然后采用阴极除油方式，彻底清除壳体内表面的油脂(时间：20s)；再利用氨水溶液清除表面的氧化钼(时间：10s)，利用稀硫酸去除表面氧化铜(时间：10s)；最后用去离子水反复冲洗表面两到三次，去除表面残留的稀硫酸溶液。

步骤三，壳体材料内表面电镀金属铜层：采用电镀铜技术，在壳体内壁覆金属铜薄层，厚度控制在1-4μm(本实施例优选为2μm左右)，且要求中温的液态工质(导热姆)与壳体材料-钼能完全隔离，以防止导热姆工质和钼-铜合金基板材料在正常工作时进行化学反应。

步骤四，超浸润复合多孔介质5的制备与烧结成型：将直径为100μm左右的球形铜粉均匀嵌入到尺寸约50～100PPI的铜泡沫内部，其铜粉嵌入厚度控制为铜泡沫厚度的1/2，在850℃高温环境下连续烧结2小时，以保证铜粉与铜泡沫可靠、有效连接，得到铜粉-铜泡沫复合多孔结构，同时采用定型石墨模具将复合的多孔介质5与上壳体2、下壳体3以及支撑柱14(支撑柱14的外表面的则定义为支撑柱多孔介质7)固定，通过高温烧结方式将复合多孔介质5与镀铜表面进行可靠连接。整个烧结过程中所采用的防氧化气体是5％氢氩混合气体(即氢气的体积分数为5％)，该混合气体一方面防止壳体表面被氧化而破坏表面镀层，另一方面对壳体表面进行活化，使得材料表面(复合多孔介质5和镀铜表面)具有超浸润性。

步骤五，高温电子封装基板的钼-铜合金壳体密封：将钼-铜壳体进行压力钎焊焊接，由于钎焊变形小、接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂结构，可满足于高温电子封装基板的工业批量生产需求，但需保证钎焊焊料与内部中温工质无化学反应，影响气液相变传热性能。因此，采用的是银铜焊料(AgCu28)，焊料焊接温度为780～820℃，保温时间为20分钟，所用保护气体为高纯氩气，这样，即可以在上壳体2、下壳体3的接缝处形成钎焊片4而实现密封。同时，在上壳体2上表面的中间位置焊接高温热源相关器件(包括合金框架8、接线针11等)。

步骤六，中温液体工质(导热姆)的充装：首先根据复合多孔介质5的体积和孔隙率准确计算复合多孔介质5所能容装的液态工质的总量，将其作为气液相变电子封装基板内部的充液量；然后采用倒充液法对基板进行液体充装，即通过真空泵进行抽真空，真空度高达5×10^-3torr，通过三通阀的调控实现定量充装中温的液态工质(导热姆)；最后通过冷焊接技术对充液口进行密封。

步骤七，高温电子封装基板的集成和其热传递过程：制备完成的高温电子封装基板，通过高温焊接封装技术将基板材料与功率器件10(芯片和合金框架8)进行集成，由于基板材料采用的是钼-铜合金，其热膨胀率实际上可通过调节各组分比例进行调控，能实现与GaN、GaAs等芯片衬底材料匹配。正常工作时，大电流流入功率芯片会导致高密度空间热量产生，产生的热量经基板的上壳体2传导，进入密封腔体内部的多孔介质5，多孔介质5内部中温液态工质吸收热量进行汽化，汽化后的工质在气体通道内向远离功率芯片方向进行快速扩散，并在封装基板内部空腔的下表面冷凝成液态，最后热量会通过下壳体3传递到外界热沉中。与此同时，冷凝后的液态工质在多孔介质5的毛细力驱动下回流到热源附近，重新吸热蒸发，此过程属于无源传热过程，即液态工质在多孔介质5毛细力作用下，进行液体蒸发-气体扩散-气体冷凝-液体回流循环，无需外界能力输入就将功率芯片产生的热量源源不断散出。

对比例1：

本对比例为传统的电子封装基板，其基本结构见图4，包括功率芯片、合金框架8和封装基板(MoCu15)，其中封装基板材料的导热率为160W/(m·K)，热膨胀系数为7.0×10^-6/m，硬度(HV)为150，抗拉强度为540MPa，杨氏模量为280GPa。

对比例2：

与实施例1相比较，绝大部分(功率芯片、合金框架8、功率密度等)都相同，除了本对比例中的基于气液相变的高温封装基板材料，多孔介质5仅采用超浸润的100PPI铜泡沫，最后所制备的电子封装基板的导热率约为1240W/(m·K)。

对比例3：

与实施例1相比较，绝大部分(功率芯片、因瓦合金框架8、功率密度等)都相同，除了本对比例中的基于气液相变的高温电子封装基板材料，多孔介质5无超浸润处理，所制备的电子封装基板内部的气液相变难以启动，其导热率仅在100～150W/(m·K)范围内。

实施例2：

本实施例中的基于气液相变传热的高温电子封装基板的热膨胀率，可通过壳体材料自身热膨胀性能和气液相变快速扩散的均温性能进行协同调控，本实施例可将具有膨胀率可控的电子封装基板材料加工成不同尺寸的壳体(正方形、圆形、长方形，厚度1～3mm)，其余同实施例1。

实施例3、实施例4：

本实施例中，高温电子封装基板内表面镀覆的金属薄层12(Cu)，选择为与多孔介质5材质相同的材料，并采用电镀、真空蒸镀、磁控溅射等方法，通过控制电流密度调控镀覆速率、厚度和镀层致密度，在上、下壳体3内表面的镀层厚度分别为1μm、4μm。其余同实施例1。

实施例5：

将实施例1中的高温电子封装基板与功率器件10集成，满足不同热源衬底材料对封装基板材料热膨胀匹配、传热性能、强度等需求。通过实施例1过程制备的基于气液相变的高温电子封装基板可用于功率半导体芯片热管理应用。

对所述基于气液相变的高温电子封装基板材料进行性能测试：

实施例1的基于气液相变的封装基板材料，结合图6可知，当热源与基板接触面面积为2.5mm×2.5mm，输入功率范围为33～50W时，其横向有效导热系数范围为1670～1730W/(m·K)，但此时并未达到临界热流密度。对比例1的封装基板采用的钼-铜合金(MoCu15)块体，其导热率为160W/(m·K)。对比例2中采用的传统多孔介质5(铜泡沫)制备的散热器件，由于铜泡沫的孔隙率较高(>90％)，多孔介质5的热阻较大，且其蒸发冷凝面积小于实施例1，因此其横向有效导热率小于铜粉嵌入式复合多孔介质5的基板热导率。对比例3中未对多孔介质5进行超浸润处理，液态工质无法回流，高温封装基板内部气液相变传热不能正常启动，其导热率仅在100～150W/(m·K)范围内。

另外，对比纯铜、钼铜(即对比例1)、气液相变-铜、气液相变-钼铜(即实施例1)作为基板材料时功率芯片的内部热应力情况，芯片的最大热应力分别为0.46GPa、0.26GPa、0.3GPa、0.2GPa，基板材料的最大热应力分别为1.29GPa、0.75GPa、0.52GPa、0.23GPa；芯片的最大热膨胀量分别为17.1*10^-4m、10.5*10^-4m、20.1*10^-4m、15.2*10^-4m，而基板材料的最大热膨胀量分别为90.7*10^-4m、54.7*10^-4m、39.4*10^-4m、19.4*10^-4m，从最大热应力、热膨胀量可以看出：采用本发明的气液相变基板材料，不仅能降低功率芯片的热应力，均匀化热应力分布，还能有效的匹配高温引起的芯片热膨量，避免高温引起的热失配率。

其中，纯铜作为基板材料时，其所得器件与对比例1相比，除了将基板壳体的材质由MoCu15改为纯铜，其余均一样；

气液相变-铜作为基板材料时，其对应所得器件与实施例1相比，除了将基板壳体的材质由MoCu15改为纯铜，其余也均一样。

同样以单向传递的已申请专利201911250688.8作为对比，其有效导热率是在器件长度为100mm条件下得到的10000W/(m·k)，导热率与长度有关，将长度换算成15mm，有效导热率将降低为1700W/(m·k)左右，与本发明专利的横向导热率相当。单向导热器件在其热传递方向上温度是逐渐减小的分布，而本发明的器件传热方向是向四周扩散，在导热率一定的情况下，传递通道的增多有效功率芯片的结温，同时提高临界热流密度；且温度属于对称分布，也降低了芯片在平面上的温度差，使其温度分布更均匀化。因此，本发明的基板材料器件传热方式上的优势，功率器件的结温得到降低和温度分布对称均温分布，能有效降低、均匀化功率芯片的热应力。

以上各实施例中的基于气液相变的高温电子封装基板，能够满足热膨胀率在1.6～20*10^-6/m范围内的功率半导体器件的热膨胀匹配需求；壳体壁的厚度达0.1mm，且还具有一定的强度，能减薄高温电子封装基板，薄于现有封装基板厚度；本发明的基于气液相变的高温电子封装基板传热性能突出，能够满足市场上大多数的功率器件10的散热需求。以上各实施例中，多孔介质5的材质可根据液态工质需求进行替换，包括镍、铁、钢等。

需要说明的是，以上数据仅为某个特定工况下的实验测试性能，并非是本发明所述开发的封装基板的最佳性能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，包括形成密闭空腔的基板壳体、覆盖在基板壳体内壁上并具有气体流动通道的多孔介质、以及设置在基板壳体上并连接所述多孔介质的充液口，在基板壳体的上表面处还设有功率器件，所述的多孔介质内浸润有受热后可发生气液相变的液态工质。

2.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，在基板壳体与多孔介质之间还镀覆有一层金属薄层。

3.根据权利要求2所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，所述的金属薄层的厚度为1-4μm，其材质与基板壳体相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，所述基板壳体的材质为钨-铜复合材料、钼-铜复合材料或铝基碳化硅复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，所述多孔介质为金属泡沫、金属粉末或金属丝网中的一种或几种的复合。

6.根据权利要求5所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，所述多孔介质由金属粉末嵌入到金属泡沫中并高温烧结得到。

7.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，所述的多孔介质的表面还经过改性处理并得到超浸润表面。

8.根据权利要求7所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，超浸润表面与液态工质的接触角小于10°。

9.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件，其特征在于，所述的基板壳体由对称设置的上壳体与下壳体密封而成。

10.如权利要求1-9任一所述的一种基于气液相变的高温电子封装基板材料器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用机械加工方式制备得到可组成密闭空腔的上壳体和下壳体；

(2)在上壳体和下壳体的内壁面上贴合多孔介质；

(3)对多孔介质进行表面改性处理，使得其具有超浸润表面；

(4)将上壳体与下壳体组装后密封处理，得到具有密闭空腔基板壳体；

(5)在基板壳体上加工连接多孔介质的充液管，并往多孔介质内充装液态工质，然后抽真空后密封充液管；

(6)在基板壳体的上表面安装功率器件，即完成。

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