CN117767105A - 一种陶瓷热沉及其组合 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷热沉及其组合，陶瓷热沉用于连接半导体器件。包括：陶瓷基材具有沿陶瓷热沉厚度方向相对设置的第一面和第二面。线路层至少设置在陶瓷基材的第一面以连接半导体器件。其中，陶瓷基材包括不同材质的第一基材和第二基材，半导体器件对应设置于第一基材，线路层部分设置于第二基材并通过引线与半导体器件连接。通过使用不同材质的第一基材和第二基材相组合的陶瓷基材，相较于单一使用金刚石基材的技术，降低了陶瓷基材的材料成本，从而大大降低了陶瓷热沉的制造成本，同时通过将半导体器件对应设置于第一基材，以将半导体器件的热量直接通过第一基材快速散热，可以确保陶瓷热沉具有良好的散热效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光器件技术领域，尤其涉及一种陶瓷热沉及其组合。
背景技术
半导体激光器是一种利用半导体材料产生的受激辐射而工作的激光器，半导体激光器具有小型化、低功耗、高效率、高速调制和长寿命等优点。半导体激光器广泛应用于光通信、激光打印与扫描、医疗技术、材料加工和光信息处理等领域。
随着半导体激光器向小型化和高功率发展，半导体激光器的散热问题越来越突出。通过陶瓷热沉降低半导体激光器的温度，尤其是金刚石具有优异的热导性，可以大大增加激光器芯片的散热效果。在现有技术中，会采用整片式的金刚石作为陶瓷热沉的基材使用，即通过在整片金刚石晶圆上覆线路层，然后再裂片为单颗的陶瓷热沉。然而，整片式金刚石晶圆价格昂贵，导致陶瓷热沉的材料成本较高。
如何在大幅提升半导体激光器散热效果的同时，又降低陶瓷热沉的材料成本成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷热沉及其组合，能够大大降低了基材的材料成本，从而大大降低了陶瓷热沉的制造成本，同时还可以确保陶瓷热沉具有良好的散热效果。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种陶瓷热沉，用于焊接半导体器件，包括：
陶瓷基材，所述陶瓷基材具有沿所述陶瓷热沉厚度方向相对设置的第一面和第二面；
线路层，所述线路层至少设置在所述陶瓷基材的第一面以连接所述半导体器件；
其中，所述陶瓷基材包括不同材质的第一基材和第二基材，所述半导体器件对应设置于所述第一基材，所述线路层部分设置于所述第二基材并通过引线与所述半导体器件连接。
优选地，所述第一基材的热导率大于所述第二基材的热导率，所述第一基材的热导率大于等于500W/m·K，所述第二基材的热导率小于500W/m·K。
优选地，所述第一基材为金刚石基材，所述第二基材为氮化铝、氧化铝、碳化硅或氮化硅中的一种或多种的组合。
优选地，所述第二基材上设置有开口，至少部分所述第一基材设置于所述开口，所述第一基材和所述第二基材之间设置有间隙。
优选地，所述线路层至少包括间隔设置的第一线路层和第二线路层，至少部分所述第一线路层设置于所述第一基材，所述半导体器件设置于所述第一线路层，所述第二线路层设置于所述第二基材，所述第二线路层通过引线与所述半导体器件连接。
优选地，所述第一线路层设置于所述第一基材及所述第二基材，所述第一线路层将所述第一基材和所述第二基材连接。
优选地，所述线路层还包括第三线路层，所述第三线路层设置于所述第二基材；
所述第三线路层分别与所述第一线路层和所述第二线路层间隔设置，所述第三线路层通过所述引线与所述第一线路层连接。
优选地，还包括金属层，所述金属层设置于所述陶瓷基材的第二面，所述金属层为整体式的金属层，所述第一基材和所述第二基材均设置于所述金属层，或者，所述金属层包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层设置于所述第一基材，所述第二金属层设置于所述第二基材，所述第一金属层和所述第二金属层相互间隔设置。
优选地，所述第一线路层上设置有金锡合金层以与所述半导体器件的第一极直接焊接，所述金锡合金层于陶瓷基材的投影面积小于所述第一线路层于陶瓷基材的投影面积，至少部分所述第二线路层的顶面高于所述金锡合金层的顶面以与所述半导体器件的第二极通过所述引线进行焊接；和/或，
至少部分所述第三线路层的顶面高于所述金锡合金层的顶面以与所述第一线路层通过所述引线进行焊接；和/或，
至少部分未设置所述金锡合金层处的所述第一线路层的顶面高于所述金锡合金层的顶面以与所述第三线路层通过所述引线进行焊接。
优选地，通过增加至少部分所述第二线路层的厚度和/或通过减小至少设置所述金锡合金层处的所述第一基材的厚度，以使当所述半导体器件设置在所述金锡合金层上时，所述半导体器件的顶面高度与所述第二线路层的顶面高度一致或相差不超过所述半导体器件厚度的20％；和/或，
通过增加至少部分所述第三线路层的厚度和/或通过减小至少设置所述金锡合金层处的所述第一基材的厚度，以使当所述半导体器件设置在所述金锡合金层上时，所述半导体器件的顶面高度与所述第三线路层的顶面高度一致或相差不超过所述半导体器件厚度的20％；和/或，
通过增加至少部分未设置所述金锡合金层处的所述第一线路层的厚度和/或通过减小至少设置所述金锡合金层处的所述第一基材的厚度，以使当所述半导体器件设置在所述金锡合金层上时，所述半导体器件的顶面高度与至少部分未设置所述金锡合金层处的所述第一线路层的顶面高度一致或相差不超过所述半导体器件厚度的20％。
优选地，所述第一线路层包括依次层叠的第一附着层、第一导电层、第一隔离层和第一保护层，所述第一附着层设置在所述第一基材；
所述第二线路层包括依次层叠的第二附着层、第二导电层、第二隔离层和第二保护层，所述第二附着层设置在所述第二基材；
所述第三线路层包括依次层叠的第三附着层、第三导电层、第三隔离层和第三保护层，所述第三附着层设置在所述第二基材；
所述金锡合金层包括依次层叠的第四附着层、阻障层、金锡层和第四保护层，所述第四附着层设置在所述第一线路层上，所述阻障层为铂层；
所述第一附着层、所述第二附着层、所述第三附着层和所述第四附着层均为钛层，所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层均为铜层，所述第一隔离层、所述第二隔离层和所述第三隔离层均为镍层，所述第一保护层、所述第二保护层、所述第三保护层和所述第四保护层均为金层。
一种陶瓷热沉组合，包括如上述任一项所述的陶瓷热沉及连接至所述陶瓷热沉的半导体器件，所述线路层至少包括同时在所述陶瓷基材的第一面间隔设置的第一线路层和第二线路层，所述半导体器件包括相对设置的第一极与第二极，所述第一线路层与所述半导体器件的第一极连接，所述第二线路层通过所述引线与所述半导体器件的第二极连接。
优选地，包括多个所述陶瓷热沉及连接至所述陶瓷热沉的半导体器件，相邻的两个所述陶瓷热沉之间通过多个所述引线分别与对应的所述线路层连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明的陶瓷热沉及其组合，通过使用不同材质的第一基材和第二基材相组合的陶瓷基材，相较于单一使用金刚石基材的技术，降低了陶瓷基材的材料成本，从而大大降低了陶瓷热沉的制造成本，同时通过将半导体器件对应设置于第一基材，以将半导体器件的热量直接通过第一基材快速散热，可以确保陶瓷热沉具有良好的散热效果。
附图说明
图1是本发明实施例1的陶瓷热沉组合的一个视角的结构示意图。
图2是本发明实施例1的陶瓷热沉组合的另一个视角的结构示意图。
图3是图2沿A-A线的剖面示意图。
图4是本发明实施例1的线路层和金属层的结构示意图。
图5是本发明实施例2的陶瓷热沉组合的一个视角的结构示意图。
图6是本发明实施例2的陶瓷热沉组合的另一个视角的结构示意图。
图7是图6沿A-A线的剖面示意图。
图8是本发明实施例2的线路层和金属层的结构示意图。
图9是本发明实施例3的陶瓷热沉组合的一个视角的结构示意图。
图10是本发明实施例3的陶瓷热沉组合的另一个视角的结构示意图。
图11是图10沿A-A线的剖面示意图。
图12是本发明实施例3的线路层和金属层的结构示意图。
图13是本发明实施例4的陶瓷热沉组合的一个视角的结构示意图。
图14是本发明实施例4的陶瓷热沉组合的另一个视角的结构示意图。
图15是图14沿A-A线的剖面示意图。
图16是本发明实施例4的线路层和金属层的结构示意图。
图中：100、陶瓷热沉；1、陶瓷基材；11、第一面；12、第二面；13、第一基材；14、第二基材；141、开口；2、线路层；21、第一线路层；211、第一附着层；212、第一导电层；213、第一隔离层；214、第一保护层；22、第二线路层；221、第二附着层；222、第二导电层；223、第二隔离层；224、第二保护层；23、第三线路层；231、第三附着层；232、第三导电层；233、第三隔离层；234、第三保护层；24、金锡合金层；241、第四附着层；242、阻障层；243、金锡层；244、第四保护层；3、金属层；31、第一金属层；32、第二金属层；33、第五附着层；34、第五导电层；35、第五隔离层；36、第五保护层；4、引线；5、半导体器件；51、第一极；52、第二极。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。
参照图1至图16，本发明提供一种陶瓷热沉100，陶瓷热沉100用于连接半导体器件5，半导体器件5可为激光器芯片，陶瓷热沉100包括：陶瓷基材1和线路层2，线路层2设置在陶瓷基材1上。
具体的，陶瓷基材1整体呈长方体，当然也可以根据需要设置成其他形状。陶瓷基材1具有沿陶瓷热沉100厚度方向或高度方向相对设置的第一面11和第二面12，第一面11和第二面12优选为陶瓷基材1上面积较大的两个面。线路层2至少设置在陶瓷基材1的第一面11以连接半导体器件5。线路层2可以通过电镀工艺、直接铜键合(DBC-Direct BondCopper)工艺、活性钎焊工艺(AMB-Active Metal Brazing)等方式设置到陶瓷基材1的第一面11。
其中，陶瓷基材1包括不同材质的第一基材13和第二基材14，半导体器件5对应设置于第一基材13，线路层2部分设置于第二基材14并通过引线4与半导体器件5连接。第一基材13的热导率(又称导热率或导热系数)大于第二基材14的热导率，第一基材13的热导率可以大于等于500W/m·K(瓦/米·开尔文)，第二基材14的热导率可以小于500W/m·K(瓦/米·开尔文)。更佳的，第一基材13可以为金刚石基材或与金刚石基材热导率接近的其它材料，金刚石基材的热导率为1000～2400W/m·K(瓦/米·开尔文)。第二基材14包括但不限于采用氮化铝、氧化铝、碳化硅或氮化硅中的一种或多种陶瓷材质的组合，氮化铝的热导率为170～230W/m·K，氧化铝的热导率为18～35W/m·K，碳化硅的热导率为120～490W/m·K，氮化硅的热导率为20～80W/m·K。通过使用不同材质的第二基材14和第一基材13相组合的陶瓷基材1，第二基材14选择热导率较小但材料成本低的材质，第一基材13选择热导率大的材质，即使第一基材13的材料成本高，但只在半导体器件5对应区域设置第一基材13，能够大大减少第一基材13的使用，降低了陶瓷基材1的材料成本，从而大大降低了陶瓷热沉100的制造成本，同时通过将半导体器件5对应设置于第一基材13，第一基材13热导率高，半导体器件5的热量直接通过第一基材13快速散热，可以确保陶瓷热沉100具有良好的散热效果，从而提高半导体器件5的散热效果，兼顾制造成本和散热效果。
在一具体实施方式中，第二基材14上设置有开口141，至少部分第一基材13设置于开口141，第一基材13和第二基材14之间设置有间隙。开口141的形状可以是长方形、椭圆形等形状，开口141可以是封闭式也可以是半封闭式。在本实施例中，开口141大致位于陶瓷基材1的中间位置，开口141的形状是半封闭式长方形，也可以说开口141大致呈U字形。开口141具有两个相对平行或大致平行的侧壁和一个底壁，底壁将开口141两侧的第二基材14连接，如此第二基材14作为一个整体，可以确保第二基材14结构强度，并且可以确保开口141两侧的第二基材14处于同一平面，便于生产制造。
第一基材13远离开口141底壁的一端可以凹陷于开口141的顶部或平齐于开口141的顶部或凸出于开口141的顶部，在本实施例中，第一基材13远离开口141底壁的一端与开口141的顶部平齐设置。第一基材13和第二基材14之间可以设置有间隙，一方面间隙可以容纳第二基材14的膨胀变形，可以防止第二基材14受热膨胀变形后与第一基材13相互挤压而导致陶瓷基材1整体变形甚至破损，另一方面便于将第一基材13安装到开口141中。在本实施例中，间隙大致呈U字形，也就是说，第一基材13与第二基材14之间完全不接触，即开口141的长和宽分别对应大于第一基材13的长和宽，进一步确保间隙可以容纳第二基材14的膨胀变形，可以防止第二基材14受热膨胀变形后与第一基材13相互挤压而导致基材1整体变形甚至破损。
在一具体实施方式中，线路层2可以包括间隔设置的第一线路层21和第二线路层22，至少部分第一线路层21可以设置于第一基材13，半导体器件5具有相对设置的第一极51和第二极52，半导体器件5的第一极51可以设置于第一线路层21，第二线路层22可以设置于第二基材14，第二线路层22通过引线4与半导体器件5的第二极52连接。第一线路层21和第二线路层22相互之间断开，可以确保第一线路层21和第二线路层22之间不会发生短路现象。
引线4的材质可以是金、银、铜、铝等材质，在本实施例中，引线4选用的材质为金，即金线。引线4的数量可以是一个或多个，在本实施例中，引线4的数量为多个且并间隔设置，多个引线4可以提升引线4的负载能力，可以承受更大的电流和电压，提高了陶瓷热沉100运行的稳定性和安全性，同时，在部分引线4损坏的情况下，陶瓷热沉100还可以运行，延长了陶瓷热沉100的使用寿命，也可以提高陶瓷热沉100的生产良率和生产效率，降低了陶瓷热沉100生产的生产成本。
在实施例4中，参照图13至图16，第一线路层21可以同时设置于第一基材13及第二基材14，即第一线路层21将第一基材13和部分第二基材14连接，既保证了整个陶瓷热沉100的结构稳固性，又保证了第一线路层21或者半导体器件5的第一极51的焊接面积，第一线路层21有充足的焊接面积焊接相邻陶瓷热沉100之间连接的引线4，方便相邻的陶瓷热沉100通过引线4进行连接。
线路层2还可以包括第三线路层23，第三线路层23可以设置于第二基材14。在实施例1-3中，参照图1至图12，第三线路层23分别与第一线路层21和第二线路层22间隔设置，即第一线路层21、第二线路层22和第三线路层23相互之间断开，第三线路层23通过引线4与第一线路层21连接，相当于间接扩展了第一线路层21的焊接面积，扩展了半导体器件5的第一极51的焊接面积，方便与相邻的陶瓷热沉100通过引线4进行连接。更具体的，第二线路层22设置于开口141一侧，第三线路层23设置于开口141两侧，即第三线路层23大部分区域位于开口141另一侧，小部分区域位于开口141的底壁及一侧。
陶瓷热沉100还包括金属层3，金属层3设置于陶瓷基材1的第二面12，金属层3可以为整体式的金属层3，第一基材13和第二基材14均设置于金属层3。在实施例1-3中，参照图3、图4、图7、图8、图11、图12，金属层3为整体式的金属层3，即第一基材13和第二基材14同时承载于金属层3。可以通过镀覆的方式在第二基材14上成型金属层3，在第二基材14上开设容纳第一基材13的开口141，第一基材13可以通过焊接或粘接的方式粘接于金属层3。
在实施例4中，参照图15、图16，金属层3可以包括第一金属层31和第二金属层32，第一金属层31设置于第一基材13，第二金属层32设置于第二基材14第一金属层31和第二金属层32可以相互间隔设置，即第一金属层31和第二金属层32相互之间断开。第一基材13与第二基材14分别独立成型第一金属层31和第二金属层32，第一基材13在独立成型第一金属层31后通过焊接或导电粘接的方式粘接于第一线路层21，使制作过程更加灵活，便于生产。
在实施例1-4中，参照图1至图16，第一线路层21上还可以设置有金锡合金层24以与半导体器件5的第一极51直接焊接，也就是半导体器件5焊接在第一线路层21上的金锡合金层24上，第二线路层22通过引线4与半导体器件5的第二极52连接。
在实施例1中，第一线路层21的顶面、第二线路层22的顶面及第三线路层23的顶面保持齐平。在实施例2至4中，参照图5、图9及图13，至少部分第二线路层22的顶面优选高于金锡合金层24的顶面以与半导体器件5的第二极52通过引线4进行焊接。可以通过增加至少部分第二线路层22的厚度，和/或，实施例3中参照图9通过减小至少设置金锡合金层24处的第一基材13的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％。
第三线路层23的顶面优选高于金锡合金层24的顶面以与第一线路层21通过引线4进行焊接。可以通过增加至少部分第三线路层23的厚度和/或通过减小至少设置金锡合金层24处的第一基材13的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与第三线路层23的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％。
至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面优选高于金锡合金层24的顶面以与第三线路层23通过引线4进行焊接。可以通过增加至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的厚度和/或通过减小至少设置金锡合金层24处的第一基材13的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％。
陶瓷热沉100的金属层3可以用于将陶瓷热沉100焊接到其他部件上，金属层3可以将陶瓷热沉100的热量传导到其它部件或者将陶瓷热沉100的热量传导至空气中，对陶瓷热沉100起到散热的效果，提升了将陶瓷热沉100的性能，延长了将陶瓷热沉100的使用寿命。
在实施例1-4中，参照图4、图8、图12、图16，第一线路层21可以包括依次层叠的第一附着层211、第一导电层212、第一隔离层213和第一保护层214，第一附着层211设置在第一基材13。
具体的，第一附着层211可以是钛层，第一附着层211增加陶瓷基材1和第一导电层212之间的结合力。第一导电层212位于第一附着层211和第一隔离层213之间，第一导电层212镀覆在第一附着层211表面，第一导电层212可以是铜层。第一隔离层213位于第一导电层212和第一保护层214之间，第一隔离层213镀覆在第一导电层212表面，第一隔离层213可以是镍层，第一隔离层213可以用于防止第一导电层212的铜离子向后续的第一保护层214中迁移，在本实施方式中，第一隔离层213的厚度优选为2～5微米，当第一隔离层213过薄时，其阻隔效果变差。第一保护层214可以是金层，镀覆在第一隔离层213的表面，第一保护层214可以防止第一线路层21氧化并提高信号传输品质，根据实际状况，优选增加第一保护层214的厚度，这样可以增强散热效果和确保大电流安全通过。
第二线路层22可以包括依次层叠的第二附着层221、第二导电层222、第二隔离层223和第二保护层224，第二附着层221设置在第二基材14。
具体的，第二附着层221可以是钛层，第二附着层221增加陶瓷基材1和第二导电层222之间的结合力。第二导电层222位于第二附着层221和第二隔离层223之间，第二导电层222镀覆在第二附着层221表面，第二导电层222可以是铜层。第二隔离层223位于第二导电层222和第二保护层224之间，第二隔离层223镀覆在第二导电层222表面，第二隔离层223可以是镍层，第二隔离层223可以用于防止第二导电层222的铜离子向后续的第二保护层224中迁移，在本实施方式中，第二隔离层223的厚度优选为2～5微米，当第二隔离层223过薄时，其阻隔效果变差。第二保护层224可以是金层，镀覆在第二隔离层223的表面，第二保护层224可以防止第二线路层22氧化并提高信号传输品质，根据实际状况，优选增加第二保护层224的厚度，这样可以增强散热效果和确保大电流安全通过。
第三线路层23可以包括依次层叠的第三附着层231、第三导电层232、第三隔离层233和第三保护层234，第三附着层231设置在第二基材14。
具体的，第三附着层231可以是钛层，第三附着层231增加陶瓷基材1和第三导电层232之间的结合力。第三导电层232位于第三附着层231和第三隔离层233之间，第三导电层232镀覆在第三附着层231表面，第三导电层232可以是铜层。第三隔离层233位于第三导电层232和第三保护层234之间，第三隔离层233镀覆在第三导电层232表面，第三隔离层233可以是镍层，第三隔离层233可以用于防止第三导电层232的铜离子向后续的第三保护层234中迁移，在本实施方式中，第三隔离层233的厚度优选为2～5微米，当第三隔离层233过薄时，其阻隔效果变差。第三保护层234可以是金层，镀覆在第三隔离层233的表面，第三保护层234可以防止第三线路层23氧化并提高信号传输品质，根据实际状况，优选增加第三保护层234的厚度，这样可以增强散热效果和确保大电流安全通过。
在实施例1中，参照图3、图4，第一线路层21、第二线路层22和第三线路层23的结构优选为相同，并且分层结构的厚度也优选为相同。也就是说，第一附着层211的厚度、第二附着层221的厚度和第三附着层231的厚度相等或相近；第一导电层212的厚度、第二导电层222的厚度和第三导电层232的厚度相等或相近；第一隔离层213的厚度、第二隔离层223的厚度和第三隔离层233的厚度相等或相近；第一保护层214的厚度、第二保护层224的厚度和第三保护层234的厚度相等或相近。如此便于控制第一线路层21、第二线路层22和第三线路层23的形成，可以提高生产效率。
在实施例2中，参照图7、图8，第一线路层21的厚度小于第二线路层22的厚度，至少部分第二线路层22的顶面高于第一线路层21的顶面，第一线路层21进一步设置金锡合金层24以与半导体器件5的第一极51直接焊接，至少部分第二线路层22的顶面高于金锡合金层24的顶面以与半导体器件5的第二极52通过引线4进行焊接。当半导体器件5焊接至陶瓷热沉100时，半导体器件5设置在第一线路层21上，第一线路层21上设置金锡合金层24以与半导体器件5的第一极51直接焊接，也就是半导体器件5焊接在第一线路层21上的金锡合金层24上，第二线路层22通过引线4与半导体器件5的第二极52连接，第二线路层22的高度大于第一线路层21叠加金锡合金层24后的高度。具体的，第二线路层22通过镀覆增厚的方式加厚，以使其高度(或厚度)大于第一线路层21叠加金锡合金层24后的高度(或厚度)。由此，在焊接半导体器件5时，可以减小第二线路层22的顶面与半导体器件5的顶面之间的距离，因此连接第二线路层22的顶面和半导体器件5的顶面的引线4缩短，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能。
可以通过增加至少部分第二线路层22的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，以进一步缩短引线4的长度。因为半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，这样可以进一步减小第二线路层22的顶面与半导体器件5的顶面之间的距离，因此连接第二线路层22的顶面和半导体器件5的顶面的引线4进一步缩短，尤其是在半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致时，引线4长度最短，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能，同时提高了第二线路层22的载流能力。
第一线路层21的厚度小于第三线路层23的厚度，至少部分第三线路层23的顶面高于第一线路层21的顶面。至少部分第三线路层23的顶面也优选高于金锡合金层24的顶面，如此不仅可以提高第三线路层23的载流能力，而且当第三线路层23与相邻陶瓷热沉100通过引线4连接时，还可以缩短引线4的长度，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能。
可以通过增加至少部分第三线路层23的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与第三线路层23的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％。因为半导体器件5的顶面高度与第三线路层23的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，当第三线路层23与相邻陶瓷热沉100的第二线路层22通过引线4连接时，半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度和第三线路层23的顶面高度一致，引线4长度最短，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能，同时提高了第二线路层22的载流能力。
在实施例2，参照图8，第一附着层211的厚度、第二附着层221的厚度和第三附着层231的厚度相等或相近；第一隔离层213的厚度、第二隔离层223的厚度和第三隔离层233的厚度相等或相近；第一保护层214的厚度、第二保护层224的厚度和第三保护层234的厚度相等或相近。
其中，至少部分第二导电层222为加厚镀层从而加厚第二线路层22，第二导电层222通过镀覆增厚的方式设置于第二附着层221表面，第二导电层222的厚度与第一导电层212的厚度的差值和半导体器件5的厚度与金锡合金层24的厚度之和相等或相差不超过半导体器件5厚度的20％。至少部分第三导电层232为加厚镀层从而加厚第三线路层23，第三导电层232通过镀覆增厚的方式设置于第三附着层231表面，第三导电层232的厚度与第一导电层212的厚度的差值和半导体器件5的厚度与金锡合金层24的厚度之和相等或相差不超过半导体器件5厚度的20％。镀覆增厚的方式包括电镀或化镀等方式，第二导电层222的厚度优选与第三导电层232的厚度相同。
在实施例3中，参照图11、图12，在第二线路层22及第三线路层23增厚的基础上，至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面高于设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面。至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面优选高于金锡合金层24的顶面以与第三线路层23通过引线4进行焊接。
具体的，可以通过增加至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，如此不仅可以提高第一线路层21的载流能力，而且当第一线路层21与第三线路层23通过引线4连接时，第一线路层21与第三线路层23的顶面高度一致，还可以缩短引线4的长度，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能。
也可以通过减小至少设置金锡合金层24处的第一基材13的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，如此不仅降低第一基材13的成本，而且当第一线路层21与第三线路层23通过引线4连接时，还可以缩短引线4的长度，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能。
在本实施例中，可以同时增加至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的厚度和减小至少设置金锡合金层24处的第一基材13的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％。
作为优选方式，半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，半导体器件5的顶面高度与第三线路层23的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％。也就是说，至少部分未设置金锡合金层24处的第一线路层21的顶面高度、第二线路层22的顶面高度和第三线路层23的顶面高度基本一致，进一步降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能。
在实施例3，参照图12，第一附着层211的厚度、第二附着层221的厚度和第三附着层231的厚度相等或相近；第一隔离层213的厚度、第二隔离层223的厚度和第三隔离层233的厚度相等或相近；第一保护层214的厚度、第二保护层224的厚度和第三保护层234的厚度相等或相近。
其中，至少部分第二导电层222为加厚镀层从而加厚第二线路层22，第二导电层222通过镀覆增厚的方式设置于第二附着层221表面，第二导电层222的厚度与设置金锡合金层24处的第一导电层212的厚度的差值和半导体器件5的厚度与金锡合金层24的厚度之和相等或相差不超过半导体器件5厚度的20％。至少部分第三导电层232为加厚镀层从而加厚第三线路层23，第三导电层232通过镀覆增厚的方式设置于第三附着层231表面，第三导电层232的厚度与设置金锡合金层24处的第一导电层212的厚度的差值和半导体器件5的厚度与金锡合金层24的厚度之和相等或相差不超过半导体器件5厚度的20％。镀覆增厚的方式包括电镀或化镀等方式，第二导电层222的厚度优选与第三导电层232的厚度相同。
未设置金锡合金层24处的第一导电层212为加厚镀层从而加厚未设置金锡合金层24处的第一线路层21，未设置金锡合金层24处的第一导电层212通过镀覆增厚的方式设置于第二附着层221表面，未设置金锡合金层24处的第一导电层212的厚度与设置金锡合金层24处的第一导电层212的厚度的差值和半导体器件5的厚度与金锡合金层24的厚度之和相等或相差不超过半导体器件5厚度的20％。
在实施例4中，参照图15、图16，线路层20包括第一线路层21及第二线路层22，第一线路层21同时设置于第一基材13及第二基材14，第二线路层22设置于第二基材14，第一线路层21的焊接面积较大，在通过引线4连接相邻的陶瓷热沉100时，引线4可以直接焊接至第一线路层21，因而无需设置扩展的第三线路层23。
第一线路层21的厚度小于部分第二线路层22的厚度，至少部分第二线路层22的顶面高于第一线路层21的顶面，至少部分第一线路层21进一步设置金锡合金层24以与半导体器件5的第一极51直接焊接，部分第二线路层22的顶面高于金锡合金层24的顶面以与半导体器件5的第二极52通过引线4进行焊接。当半导体器件5焊接至陶瓷热沉100时，半导体器件5设置在第一线路层21上，第一线路层21上设置金锡合金层24以与半导体器件5的第一极51直接焊接，也就是半导体器件5焊接在第一线路层21上的金锡合金层24上，第二线路层22通过引线4与半导体器件5的第二极52连接，部分第二线路层22的高度大于第一线路层21叠加金锡合金层24后的高度。具体的，部分第二线路层22通过镀覆增厚的方式加厚，以使其高度(或厚度)大于第一线路层21叠加金锡合金层24后的高度(或厚度)。由此，在焊接半导体器件5时，可以减小第二线路层22的顶面与半导体器件5的顶面之间的距离，因此连接第二线路层22的顶面和半导体器件5的顶面的引线4缩短，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能。
可以通过增加至少部分第二线路层22的厚度，以使当半导体器件5设置在金锡合金层24上时，半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，以进一步缩短引线4的长度。因为半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致或相差不超过半导体器件5厚度的20％，这样可以进一步减小第二线路层22的顶面与半导体器件5的顶面之间的距离，因此连接第二线路层22的顶面和半导体器件5的顶面的引线4进一步缩短，尤其是在半导体器件5的顶面高度与第二线路层22的顶面高度一致时，引线4长度最短，进而降低了引线4的热损耗，提高了陶瓷热沉100的效能，同时提高了第二线路层22的载流能力。
在实施例4，参照图16，第一附着层211的厚度、第二附着层221的厚度相等或相近；第一隔离层213的厚度、第二隔离层223的厚度相等或相近；第一保护层214的厚度、第二保护层224的厚度相等或相近。
其中，第一导电层212的厚度和部分第二导电层222的厚度相等或相近。另外部分第二导电层222为加厚镀层从而加厚第二线路层22，第二导电层222通过镀覆增厚的方式设置于第二附着层221表面，加厚的第二导电层222的厚度与第一导电层212的厚度的差值和半导体器件5的厚度与金锡合金层24的厚度之和相等或相差不超过半导体器件5厚度的20％，镀覆增厚的方式包括电镀或化镀等方式。
在实施例1-4，参照图4、图8、图12、图16，金锡合金层24可以包括依次层叠的第四附着层241、阻障层242、金锡层243和第四保护层244，第四附着层241设置在第一线路层21上，阻障层242为铂层。
具体的，第四附着层241设置在第一线路层21的上表面，阻障层242设置在第四附着层241和金锡层243之间，阻障层242可以防止位于阻障层242上方的金锡层243和下方的第四附着层241之间相互扩散，造成金锡层243中金锡比例的改变，从而影响焊接效果，金锡层243中金和锡之间形成共晶，能够使半导体器件5的第一极51与金锡层243直接接触加热即可焊接在一起，而不需要焊料，提升了焊接的便利性，提高了焊接的生产效率。第四保护层244为镀覆于金锡层243的外表面，第四保护层244用于防止金锡层243氧化，同时还可有效阻止陶瓷热沉100表面的其他镀层被腐蚀，从而起到保护陶瓷热沉100的作用。
第一附着层211、第三附着层231、第三附着层231和第四附着层241均为钛层，第一导电层212、第二导电层222和第三导电层232均为铜层，第一隔离层213、第二隔离层223和第三隔离层233均为镍层，第一保护层214、第二保护层224、第三保护层234和第四保护层244均为金层。
在实施例1-4，参照图4、图8、图12、图16，金属层3的结构优选为与线路层2的结构相似，也就是说金属层3具有与线路层2相似的分层结构，只有分层结构的厚度不同。金属层3包括依次层叠的第五附着层33、第五导电层34、第五隔离层35和第五保护层36，第五附着层33设置在陶瓷基材1的第二面12。
具体的，第五附着层33可以是钛层，第五附着层33增加陶瓷基材1和第五导电层34之间的结合力。第五导电层34位于第五附着层33和第五隔离层35之间，第五导电层34镀覆在第五附着层33表面，第五导电层34可以是铜层。第五隔离层35位于第五导电层34和第五保护层36之间，第五隔离层35镀覆在第五导电层34表面，第五隔离层35可以是镍层，第五隔离层35可以用于防止第五导电层34的铜离子向后续的第五保护层36中迁移，在本实施方式中，第五隔离层35的厚度优选为2～5微米，当第五隔离层35过薄时，其阻隔效果变差。第五保护层36可以是金层，镀覆在第五隔离层35的表面，第五保护层36可以防止金属层3氧化并提高信号传输品质，根据实际状况，优选增加第五保护层36的厚度，这样可以增强散热效果。
参照图1至图16，本发明还提供一种陶瓷热沉组合，包括上述的陶瓷热沉100及连接至陶瓷热沉100的半导体器件5，线路层2至少包括同时在陶瓷基材1的第一面11间隔设置的第一线路层21和第二线路层22，半导体器件5包括相对设置的第一极51与第二极52，第一线路层21与半导体器件5的第一极51连接，第二线路层22通过引线4与半导体器件5的第二极52连接。当半导体器件5的第一极51是正极或P极时，半导体器件5的第二极52为负极或N极，当半导体器件5的第一极51是负极或N极时，半导体器件5的第二极52为正极或P极，在本发明的实施例中，以半导体器件5的第一极51是正极，半导体器件5的第二极52为负极进行说明。当半导体器件5连接至陶瓷热沉100时，半导体器件5的第一极51与第一线路层21连接，第二线路层22通过引线4与半导体器件5的第二极52连接。可以通过焊接、导电胶黏结等方式将半导体器件5的第一极51与第一线路层21连接。
陶瓷热沉组合可以包括多个陶瓷热沉100及连接至陶瓷热沉100的半导体器件5，相邻的两个陶瓷热沉100之间通过多个引线4分别与对应的线路层2连接。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，在发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，所有的这些改变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种陶瓷热沉，用于连接半导体器件，其特征在于，包括：
陶瓷基材，所述陶瓷基材具有沿所述陶瓷热沉厚度方向相对设置的第一面和第二面；
线路层，所述线路层至少设置在所述陶瓷基材的第一面以连接所述半导体器件；
其中，所述陶瓷基材包括不同材质的第一基材和第二基材，所述半导体器件对应设置于所述第一基材，所述线路层部分设置于所述第二基材并通过引线与所述半导体器件连接。
2.根据权利要求1所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述第一基材的热导率大于所述第二基材的热导率，所述第一基材的热导率大于等于500W/m·K，所述第二基材的热导率小于500W/m·K。
3.根据权利要求2所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述第一基材为金刚石基材，所述第二基材为氮化铝、氧化铝、碳化硅或氮化硅中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述第二基材上设置有开口，至少部分所述第一基材设置于所述开口，所述第一基材和所述第二基材之间设置有间隙。
5.根据权利要求1所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述线路层至少包括间隔设置的第一线路层和第二线路层，至少部分所述第一线路层设置于所述第一基材，所述半导体器件设置于所述第一线路层，所述第二线路层设置于所述第二基材，所述第二线路层通过引线与所述半导体器件连接。
6.根据权利要求5所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述第一线路层设置于所述第一基材及所述第二基材，所述第一线路层将所述第一基材和所述第二基材连接。
7.根据权利要求5所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述线路层还包括第三线路层，所述第三线路层设置于所述第二基材；
所述第三线路层分别与所述第一线路层和所述第二线路层间隔设置，所述第三线路层通过所述引线与所述第一线路层连接。
8.根据权利要求1所述的陶瓷热沉，其特征在于，还包括金属层，所述金属层设置于所述陶瓷基材的第二面，所述金属层为整体式的金属层，所述第一基材和所述第二基材均设置于所述金属层，或者，所述金属层包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层设置于所述第一基材，所述第二金属层设置于所述第二基材，所述第一金属层和所述第二金属层相互间隔设置。
9.根据权利要求7所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述第一线路层上设置有金锡合金层以与所述半导体器件的第一极直接焊接，所述金锡合金层于陶瓷基材的投影面积小于所述第一线路层于陶瓷基材的投影面积，至少部分所述第二线路层的顶面高于所述金锡合金层的顶面以与所述半导体器件的第二极通过所述引线进行焊接；和/或，
至少部分所述第三线路层的顶面高于所述金锡合金层的顶面以与所述第一线路层通过所述引线进行焊接；和/或，
至少部分未设置所述金锡合金层处的所述第一线路层的顶面高于所述金锡合金层的顶面以与所述第三线路层通过所述引线进行焊接。
10.根据权利要求9所述的陶瓷热沉，其特征在于，通过增加至少部分所述第二线路层的厚度和/或通过减小至少设置所述金锡合金层处的所述第一基材的厚度，以使当所述半导体器件设置在所述金锡合金层上时，所述半导体器件的顶面高度与所述第二线路层的顶面高度一致或相差不超过所述半导体器件厚度的20％；和/或，
通过增加至少部分所述第三线路层的厚度和/或通过减小至少设置所述金锡合金层处的所述第一基材的厚度，以使当所述半导体器件设置在所述金锡合金层上时，所述半导体器件的顶面高度与所述第三线路层的顶面高度一致或相差不超过所述半导体器件厚度的20％；和/或，
通过增加至少部分未设置所述金锡合金层处的所述第一线路层的厚度和/或通过减小至少设置所述金锡合金层处的所述第一基材的厚度，以使当所述半导体器件设置在所述金锡合金层上时，所述半导体器件的顶面高度与至少部分未设置所述金锡合金层处的所述第一线路层的顶面高度一致或相差不超过所述半导体器件厚度的20％。
11.根据权利要求9所述的陶瓷热沉，其特征在于，所述第一线路层包括依次层叠的第一附着层、第一导电层、第一隔离层和第一保护层，所述第一附着层设置在所述第一基材；
所述第二线路层包括依次层叠的第二附着层、第二导电层、第二隔离层和第二保护层，所述第二附着层设置在所述第二基材；
所述第三线路层包括依次层叠的第三附着层、第三导电层、第三隔离层和第三保护层，所述第三附着层设置在所述第二基材；
所述金锡合金层包括依次层叠的第四附着层、阻障层、金锡层和第四保护层，所述第四附着层设置在所述第一线路层上，所述阻障层为铂层；
所述第一附着层、所述第二附着层、所述第三附着层和所述第四附着层均为钛层，所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层均为铜层，所述第一隔离层、所述第二隔离层和所述第三隔离层均为镍层，所述第一保护层、所述第二保护层、所述第三保护层和所述第四保护层均为金层。
12.一种陶瓷热沉组合，其特征在于，包括如权利要求1-11中任一项所述的陶瓷热沉及连接至所述陶瓷热沉的半导体器件，所述线路层至少包括同时在所述陶瓷基材的第一面间隔设置的第一线路层和第二线路层，所述半导体器件包括相对设置的第一极与第二极，所述第一线路层与所述半导体器件的第一极连接，所述第二线路层通过所述引线与所述半导体器件的第二极连接。
13.根据权利要求12所述的陶瓷热沉组合，其特征在于，包括多个所述陶瓷热沉及连接至所述陶瓷热沉的半导体器件，相邻的两个所述陶瓷热沉之间通过多个所述引线分别与对应的所述线路层连接。
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|---|---|---|---|
| CN202410001268.0A CN117767105A (zh) | 2024-01-02 | 2024-01-02 | 一种陶瓷热沉及其组合 |
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| CN202410001268.0A CN117767105A (zh) | 2024-01-02 | 2024-01-02 | 一种陶瓷热沉及其组合 |
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