一种具体石墨烯散热结构的功率器件的制造方法与流程

本发明涉及半导体新材料的应用领域，具体涉及一种具有石墨烯散热结构的IGBT功率器件的制造方法。

背景技术：

电子产品、机械、电力、通信、化工等诸多领域，在产品的加工、生产的过程中，以及使用的过程中，都会产生数量不同的热量。而且，所产生的热量如果不能得到有效散发的话，则会对产品的加工及使 用，均有可能造成影响。

目前广泛使用有各种各样的散热材料。不同类型的散热材料，会具有不同的性能。比如说，金属材料的导热性能良好，特别是其中的一部分金属材料，如石墨烯、铝、银等，其导热性能尤其良好。比如，石墨烯质的散热器、铝质的散热器，都应用非常普遍。

下面列举一下常用的一些散热材料的热导率性能：

铝：237W/m·K；

石墨烯：401W/m·K；

银：420W/m·K；

金：318W/m·K。

因为价格因素，当前使用的绝大多数散热器，是采用石墨烯质材料或者铝制材料来制造的；但有一些特殊场所，也使用银质或金质材料，来用作散热材料。散热器的形状与结构、尺寸等，根据不同的应用场合互有不同。比如，各种CPU上使用的散热器，以及电路板上使用的散热器，大多是具有波浪形散热沟槽的散热器件。

而在本发明中，会应用到具有高散热性能的膜材料。

其中，利用碳成分所制作的高散热石墨膜，具有很高的散热能力，可以达到：1500～1750W/m·K。

而目前作为研究热点的石墨烯材料，则具有更加强大的散热能力，其热导率约为5000W/m·K；不仅如此，石墨烯还具有优良的导电性能，具有较小的电阻率。

如此高散热率的膜材料，为各种的产品中的散热器材，提供了新的选择。

现有的石墨烯为膜厚度为单原子，厚度极薄，在一定程度上影响 了其导热性能的发挥。

本发明希望为解决该问题提供一种方案。

技术实现要素：

基于解决上述的问题，本发明提供了一种具体石墨烯散热结构的功率器件的制造方法，包括：

（1）提供一陶瓷基板，在基板上通过光刻工艺形成不连续的同心散热环的下半部；

（2）沉积碳化硅以包围所述下半部，并进行平坦化，以露出所述下半部的顶部；

（3）涂覆石墨烯层，并进行图案化，形成与所述同心散热环相互交叉的石墨烯连接筋；

（4）在石墨烯连接筋上部通过光刻工艺形成同心散热环的上半部，形成完整的同心散热环；

（5）用碳化硅材料覆盖所述上半部，进行平坦化形成完整的碳化硅材料；

（6）用机械方法进行开槽，形成凹槽，所述凹槽的底部露出基板；

（7））在凹槽底部形成石墨烯层并在所形成的散热结构的外侧涂覆一层不连续的石墨烯环，构成相互电隔离的石墨烯枝状结构；

（8）用绝缘导热胶固定功率元件，并通过导线将所述功率元件与所述枝状结构电连接，并用散热树脂进行封装，灌封凹槽，最终形成具体石墨烯散热结构的功率器件。

其中，所述凹槽底面和侧面的部分均设有石墨烯散热图案，所述底面和侧面的石墨烯散热图案与所述多个枝状结构相对应的不连续。

其中，所述石墨烯散热图案呈中心和轴对称图形。

其中，所述同心散热环的每一个被平均分为八个环弧。

其中，石墨烯连接筋的厚度小于或等于所述同心散热环的厚度。

其中，所述同心散热环呈发散状，并且从内至外的密度逐渐减小，即中间的环较密，边缘的较疏。

其中，所述碳化硅材料的厚度大于或等于所述石墨烯散热图案的厚度。

其中，所述散热树脂里面均匀分布有碳化硅纳米颗粒。

其中，所述石墨烯环的外侧可以进一步电连接其他功能模块。其中，所述凹槽底面和侧面的部分均设有石墨烯散热图案，所述底面和侧面的石墨烯散热图案连接为一个整体构成凹形槽。

本发明的优点如下：

（1）利用石墨烯枝状结构的散热图案不仅保证了纵向的散热效果，也提高了横向的散热效果；

（2）利用散热树脂中散布碳化硅纳米颗粒进行上面的散热，保证散热的充分；

（3）利用陶瓷板上的石墨烯图案和碳化硅进行整体散热，提高散热效率；

（4）利用石墨烯分离的枝状结构进行电连接，进一步加大散热速率。

附图说明

图1为本发明的具体石墨烯散热结构的功率器件的剖视图；

图2为图1沿A1-A2线的剖面的俯视图；

图3-12为本发明的具体石墨烯散热结构的功率器件制造方法示意图。

具体实施方式

参见图1-2，本发明首先提供了一种具有石墨烯的功率器件，包括散热基板和布置在所述散热基板上的功率半导体芯片4，所述功率半导体芯片4通过导热绝缘胶5固定于所述散热基板的凹槽内，所述凹槽呈圆柱状，且其深度方向为厚度方向，其直径方向为宽度方向，所述导热绝缘胶可以是硅胶，并用散热树脂6填充所述凹槽，所述散热基板包括散热陶瓷板1，设置于散热陶瓷板1上的石墨烯图案2和碳化硅材料3，所述石墨烯图案2包括一系列的不连续的同心散热环9、最外圈的石墨烯环7和连接筋8，所述连接筋8垂直于所述同心散热环9和所述石墨烯环7，所述同心散热环9和所述石墨烯环7通过筋8连接成一体结构，并形成彼此电隔离的枝状结构，并且所述碳化硅材料3包围所述石墨烯图案2，所述功率半导体芯片4通过导线10与所述枝状结构中的一些进行电连接，所述枝状结构作为其外连端子。其中，所述凹槽底面和侧面的部分均设有石墨烯图案，所述底面和侧面的石墨烯图案连接为一个整体构成凹形槽，连接筋8的厚度小于或等于所述同心散热环9的厚度，最外圈的石墨烯环7的厚度大于或等于所述同心散热环9的厚度。

参见图2，所述石墨烯图案2呈中心和轴对称图形，所述同心散热环9的每一个被平均分为八个环弧。所述同心散热环9呈发散状，并且从内至外的密度逐渐减小，即中间的环较密，边缘的较疏。所述碳化硅材料3的厚度大于或等于所述石墨烯图案2的厚度，当等于石墨烯图案2的厚度时，石墨烯环7和同心散热环9的上端露出（未示出），露出部分可以作为连接端子与其他功能芯片电连接。所述散热树脂6里面均匀分布有碳化硅纳米颗粒。所述石墨烯环7的外侧可以进一步电连接电源、功能模块等。

其制造方法如下：参见图3，提供一陶瓷基板1，在基板1上形成一层第一光刻胶10，所述第一光刻胶10的厚度等于待形成的同心散热环9的厚度的一半；

参见图4，刻蚀所述第一光刻胶10，形成同心圆形状，并填充石墨烯，以形成同心散热环的下半部11，所述下半部11的每个同心圆是不连续的圆弧，且呈现对称结构；

参见图5，去除第一光刻胶10，并用沉积碳化硅以包围所述下半部11，并进行平坦化，以露出下半部11的顶部；

参见图6，涂覆石墨烯层，并进行图案化，形成相互交叉的石墨烯连接筋13，石墨烯连接筋13与待形成的石墨烯连接筋不同的是其具有共同的中心点，并在中心点交叉；

参见图7，在石墨烯连接筋13上形成第二光刻胶14；

参见图8，同样的刻蚀所述第二光刻胶14，并填充石墨烯，以形成同心散热环9的上半部15；所述第二光刻胶14的厚度等于待形成的同心散热环9的厚度的一半；

参见图9，去除所述第二光刻胶14，用碳化硅材料覆盖所述上半部15，进行平坦化形成完整的碳化硅层16，即碳化硅材料3；

参见图10，用机械方法进行开槽，形成凹槽17，所述凹槽17的底部露出基板1；

参见图11，在凹槽底部形成石墨烯层18，该石墨烯层18的厚度等于同心散热环9的宽度；在所形成的散热结构的外侧涂覆一层厚的石墨烯层，形成石墨烯环7，石墨烯环7也是由与上述同心圆相对应的不连续的圆弧组成；

参见图12，用绝缘导热胶5固定所述功率半导体芯片4，并用散热树脂6进行封装，灌封凹槽17，最终形成具体石墨烯散热结构的功率器件。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。