一种基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构及其制作方法

1.本发明涉及陶瓷均热板技术领域，尤其涉及一种基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构及其制作方法。


背景技术：

2.随着第三代半导体技术的快速发展，功率半导体器件向着大功率、小型化和多功能等方向快速发展，但随着系统集成度不断提高，其功率密度也随之迅速增加，系统功能集成化导致热量分布不均。原有传统封装技术无法满足第三代半导体高温、高频等特性的要求。陶瓷基板作为半导体封装基板，是平衡温度和散热的理想部件。陶瓷基板也可为电子电路提供附着，其电子电路的散热亦可通过陶瓷基板进行散热。
3.均热板为新型高效换热技术，能够充分利用气液相变所带来的极高换热系数，复合吸液芯能够极大提升其毛细能力，实现良好均温和快速启动，将封装器件产生的热量快速传递出去，是解决半导体封装和电子电路散热问题的有效途径。目前生产和研究中的均热板或热管大部分是金属材质，如铜、不锈钢、铝等材质。金属均热板或热管由其本身导电，无法直接用于半导体散热和电路板的散热，难以发挥均热板的散热优势。
4.传统的功率半导体模块，芯片功率损耗产生的大多数热量是依次通过芯片焊层、陶瓷衬板、衬板焊层、基板、tim(thermal interface material)到散热器扩散出去。利用陶瓷均热板可直接导热替代陶瓷衬板、衬板焊层以及基板，优化封装结构。
5.现有的陶瓷均热板槽道加工困难且形状简单，无法满足高效回流；单一吸液芯的毛细力与渗透率低，从而传热极限低；结构由上下板焊接或者粘结，时常发生开裂、漏液的现象，严重影响设备的性能。
6.因此，如何提供一种采用均热性能好、不导电、毛细力和渗透率高、热匹配性好的一体化均热基板及其制造方法，对于功率半导体模块封装具有重要意义。


技术实现要素：

7.本申请所要解决的第一个技术问题是：提供一种基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构，以解决现有均热板结构导热能力差和均热性能不佳的技术问题。
8.为解决上述技术问题，本申请的技术方案是：一种基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构，包括：
9.均热板，所述均热板包括上板体和下板体，所述上板体和下板体之间设有腔室；
10.复合吸液芯，所述上板体底侧面和所述下板体内侧面均设有若干槽道，所述上板体和下板体上的所述槽道均并排设置，所述均热板内部于所述上板体和所述下板体的内侧均覆盖有丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯，所述丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯与相邻的若干所述槽道构成复合吸液芯；以及
11.工质流体，所述均热板的所述腔室内封存有所述工质流体。
12.优选的，所述所述丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯材质为铜、铁或钛。
13.优选的，所述均热板根据所需传热形状设计为四边形、圆形或梯形。
14.优选的，所述均热板槽道横截面形状为梯形或v型或倒ω型。
15.优选的，所述上板体和下板体上的所述槽道为直槽或弯槽，所述上板体和下板体上的所述槽道等间隔分布或渐变分布。
16.为解决上述第二个技术问题，本申请所采用的技术方案是：一种基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构，包括如下步骤：
17.步骤1：制作复合吸液芯石蜡模，通过模具用石蜡浇注出腔室蜡模，于所述腔室蜡模上下两侧分别布置吸液芯,所述吸液芯为丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯，于两所述吸液芯外侧分别布置槽道反形状，固化后得到复合吸液芯石蜡模；
18.步骤2：通过流延法用陶瓷浆料刮出均热板下板体底部，放入步骤1所制得的复合吸液芯石蜡模，再刮均热板上板体，使复合吸液芯石蜡模封闭于上板体与下板体之间，待陶瓷浆料凝固后，形成陶瓷均热板本体；
19.步骤3：板体烧结，于所述陶瓷均热板本体的表面设置与所述腔室相通的工质流体注入口，将所述陶瓷均热板本体进行烧结使石蜡气化形成一体化陶瓷均热板；
20.步骤4：腔室灌注，通过所述工质流体注入口对一体化陶瓷均热板进行抽真空并注入工质流体，密封所述工质流体注入口即得。
21.优选的，步骤3中，所述陶瓷浆料为氧化铝、氮化铝、氮化硅及氮化硼中的一种或几种混合而成。
22.优选的，步骤3中，将所述均热板本体采用低温梯度烧结或高温梯度烧结工艺一体烧结成型。
23.采用上述技术方案所取得的技术效果为：
24.本申请提出了一种用于半导体功率器件封装和电子电路一体化均热板结构，包括带有复合吸液芯的陶瓷均热板的上板体、下板体、均热板内表面复合吸液芯以及工质流体，所述均热板结构一体化成型构造。通过该一体化均热板，能够实现良好导热能力和均热的目标。
25.该一体化均热板板体内侧上设有槽道阵列结构，槽道内可设置有烧结粉末，同时均热板上板体和下板体内侧设有丝网结构吸液芯或烧结粉末板结构吸液芯，两者烧结一体构成复合吸液芯，由于复合吸液芯的存在，极大提高吸液芯的毛细力与渗透率从而提高均热板的极限传热能力。
26.本申请的基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构具有以下效果：
27.(1)流延法的实施过程中无压力作用，可避免槽道反形状被压溃或激光加工复杂形状困难，极大减小了陶瓷材料对槽道形状限制，提高了工质回流能力。复合吸液芯的加入极大提高吸液芯的毛细力与渗透率从而提高均热板的极限传热能力；流延法一体化烧结成型，极大避免陶瓷均热板因上下板焊接困难或粘结不牢靠导致的开裂、漏液现象。
28.(2)流延法的采用，使槽道结构由陶瓷激光加工和压力加工结构单一扩大到可加工多种形状甚至三维结构，提高其回流能力；流延法一体化烧结成型，实现了低热阻和均热性好的特点。
29.(3)本发明提出基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板及其制备方法，通过使均热板的上板体、下板体、均热板内表面复合吸液芯和工质流体注入口一体化烧结成型，避免了使用上下板焊接或粘结成型，克服开裂、漏液的问题，同时可替代封装中的相关结构，达到了低热阻、均热性好以及优化结构的效果。
附图说明
30.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
31.图1为带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构示意图；
32.图2为丝网复合吸液芯石蜡模轴测图；
33.图3为丝网复合吸液芯石蜡模侧视图；
34.图4为一体化金属槽道反形状复合吸液芯石蜡模轴测图；
35.图5为图4侧视图；
36.图6为带有复合吸液芯的陶瓷均热板中采用的流延法示意图；
37.图7为带有工质流体注入口的上板体或下板体示意图；
38.图8为基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构的制作流程示意图；
39.其中，1、下板体；2、槽道；3、吸液芯；4、腔室；5、上板体；6、槽道反形状；7、丝网；8、腔室蜡模；9、烧结粉末板吸液芯；10、工质流体注入口；11、陶瓷浆料；12、刮刀； 13、复合吸液芯石蜡模。
具体实施方式
40.如图1～3所示，一种基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构，包括均热板、金属吸液芯3以及工质流体。均热板包括上板体5和下板体1，均热板根据所需传热形状可以设计为四边形、圆形或梯形。上板体5和下板体1之间设有腔室4，上板体5底侧面和下板体1 顶侧面均设有若干槽道2，均热板槽道2横截面形状为梯形或v型或倒ω型。上板体5和下板体1上的槽道2均并排设置；上板体5和下板体1上的槽道2可为直槽或弯槽，上板体5 和下板体1上的槽道2等间隔分布或渐变分布。
41.均热板内部于上板体5和下板体1的内侧均覆盖有丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯9，所述丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯9与相邻的若干所述槽道构成复合吸液芯。金属吸液芯 3优选为网状或烧结粉末板结构，丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯9材质为铜、铁或钛。均热板的腔室内封存有工质流体。工质流体可采用去离子水、氨、甲醇、氟利昂、丙酮中的一种或由其中的几种混合而成的与复合吸液芯3材料相容的工质，注入量的多少和抽真空的程度取决于散热器件工况。
42.本申请提出了一种用于半导体功率器件封装和电子电路的一体化的均热板结构，包括带有复合吸液芯的上板体5、下板体1以及工质流体，均热板结构一体化成型构造。通过该一体化均热板，能够实现良好导热能力和均热的目标。
43.该一体化均热板板体内侧上设有槽道2阵列结构，槽道2内可填充金属烧结粉末，同时均热板内侧设有丝网结构吸液芯3或烧结粉末板结构吸液芯3，丝网结构吸液芯3或烧结粉末板结构吸液芯3与相邻的若干所述槽道构成复合吸液芯，由于复合吸液芯的存在，极大提高吸液芯3的毛细力与渗透率从而提高均热板的极限传热能力。
44.如图4～8所示，本申请的基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构包括如下步骤：
45.步骤1：制作复合吸液芯石蜡模，通过模具用石蜡浇注出腔室蜡模8，于所述腔室蜡模8 上下两侧分别布置金属吸液芯，金属吸液芯为丝网吸液芯或烧结粉末板吸液芯9，金属吸液芯3可为丝网或金属烧结粉末板结构，其材质可以为铜、铁或钛。于两金属吸液芯3外侧分别布置槽道反形状2，其中槽道反形状2由石蜡加工而成或由金属粉末模压而成，固化后得到复合吸液芯石蜡模；
46.步骤2：通过流延法用陶瓷浆料刮出均热板下板体底部，放入步骤1所制得的复合吸液芯石蜡模，再刮均热板上板体，使复合吸液芯石蜡模封闭于上板体与下板体之间，待陶瓷浆料凝固后，形成陶瓷均热板本体，陶瓷浆料为氧化铝、氮化铝、氮化硅及氮化硼中的一种或几种混合而成；
47.步骤3：板体烧结，于陶瓷均热板本体的表面设置与腔室4相通的工质流体注入口10，将均热板本体进行烧结使石蜡气化形成一体化陶瓷均热板，优选将均热板采用低温梯度烧结或高温梯度烧结工艺一体烧结成型。
48.步骤4：腔室4灌注，通过工质流体注入口10对一体化陶瓷均热板进行抽真空并注入工质流体，密封工质流体注入口10即得。
49.步骤1中，槽道2反形状可以采用石蜡材质，也可由金属粉末模压而成，这样经过步骤 3，就可以形成四种不同复合吸液芯，分别是：
①
烧结粉末板层7和板内侧槽道2组成的复合吸液芯；
②
烧结粉末板层7和一体化金属槽道反形状及板内侧槽道2组成的复合吸液芯；
③
丝网7和板内侧槽道2组成的复合吸液芯；
④
丝网7和金属烧结粉末反形状6及板内侧槽道 2组成的复合吸液芯。
50.本申请的基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构具有以下效果：
51.(1)流延法的实施过程中无压力作用，可避免槽道2反形状被压溃或激光加工复杂形状困难，极大减小了陶瓷材料对槽道2形状限制，提高了工质回流能力。复合吸液芯的加入可极大提高吸液芯的毛细力与渗透率从而提高均热板的极限传热能力；流延法一体化烧结成型，极大避免陶瓷均热板因上下板焊接困难或粘结不牢靠导致的开裂、漏液的现象。
52.(2)流延法的采用，使槽道2结构由陶瓷激光加工和压力加工结构单一扩大到多种形状甚至三维结构，提高其回流能力；流延法一体化烧结成型，并具有低热阻和均热性好的特点。
53.(3)本发明提出基于流延法带有复合吸液芯的陶瓷均热板结构及其制备方法，通过使均热板的上下板、板上槽道2结构、均热板内表面吸液芯和工质流体注入口10一体化烧结成型，避免了使用上下板焊接或粘结成型，克服开裂、漏液的问题，同时可替代封装中的相关结构，达到了低热阻、均热性好以及优化结构的效果。
54.该一体化均热板板体内侧上设有槽道2阵列结构，槽道2内可有或无覆盖烧结粉末，同时均热板内侧设有丝网结构吸液芯3或烧结粉末板结构吸液芯3，丝网结构吸液芯3或烧结粉末板结构吸液芯3与槽道结构烧结一体构成复合吸液芯，由于复合吸液芯的存在，极大提高吸液芯的毛细力与渗透率，当腔室4内温度较高的一侧工质流体汽化后，复合吸液芯可将腔室4内温度较低一侧的液态工质流体吸入到温度较高一侧，从而提高均热板的极限
传热能力；流延法的采用，使槽道2结构由陶瓷激光加工和压力加工结构形态单一扩大到可实现多种形状甚至三维结构，从而提高其回流能力；流延法一体化烧结成型，极大避免了陶瓷均热板因上下板焊接困难或粘结不牢靠导致的开裂、漏液的现象，并具有低热阻和均热性好的特点。
55.显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。