一种具有均温能力的绝缘衬底结构及其制备方法

1.本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种具有均温能力的绝缘衬底结构及其制备方法。

背景技术：

2.随着新能源交通、轨道交通、发电与配电等电力电子等领域向着高功率和高集成化方向快速发展，为了满足此需求，迫使半导体功率器件也需要向高功率和高集成方向发展。高功率将导致大量热量产生，高集成导致多芯片集成到同一区域导致温度不均。半导体功率器件工作产生的热量是引起半导体器件失效的关键因素。有研究表明有55％的功率器件是由于温度的原因导致失效的，所以解决散热问题对提高半导体功率器件可靠性极其重要。
3.工业上，半导体功率器件往往采用在绝缘层(金属陶瓷或者硅化物)表面覆盖金属层(金、银、铜)构成绝缘衬底，比如氧化铝陶瓷覆铜板。
4.其存在以下技术问题：
5.由于陶瓷或硅化物的导热率往往较低，导致陶瓷覆铜板绝缘衬底导热率远远低于金属导热率，导热能力和均温能力差，无法满足半导体功率器件日益增长散热需求；
6.采用内嵌均温板的低温共烧陶瓷覆铜板，平整度较难控制，难以在保证散热性能的前提下实现轻量化。

技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种具有均温能力的绝缘衬底结构，具有良好的导热能力和均温能力，平整度容易控制，有利于在保证散热性能的前提下实现轻量化。
8.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法，容易控制绝缘衬底结构平整度，有利于在保证散热性能的前提下实现轻量化。
9.本发明目的通过以下技术方案实现：
10.一种具有均温能力的绝缘衬底结构，包括对应密封连接的上盖板和下盖板，上盖板和下盖板之间设有真空内腔，真空内腔灌注有液体工质，上盖板和下盖板的外侧面均为金属层，上盖板和下盖板的内侧面均为陶瓷层，陶瓷层设有吸液芯，吸液芯设于真空内腔内。
11.进一步，吸液芯截面为三角形、矩形或梯形。
12.进一步，真空内腔高度为0.1mm。
13.进一步，液体工质的填充量为吸液芯饱和工质总和的80％～100％。
14.进一步，上盖板和下盖板均采用单面覆铜的氧化铝或氮化铝制备。
15.进一步，上盖板和下盖板的金属层蚀刻有半导体功率器件需要的线路图。
16.一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法，包括以下步骤，
17.在上盖板和下盖板的陶瓷层分别加工出吸液芯；
18.上盖板和下盖板的金属层朝外，将上盖板和下盖板对应密封连接，使上盖板和下盖板之间形成真空内腔，吸液芯位于真空内腔中；
19.在真空内腔中灌注液体工质。
20.进一步，将上盖板和下盖板对应密封连接前还包括以步骤，利用印刷方法将防腐剂刷在上盖板和下盖板的金属层不需要蚀刻的地方，待干燥后放入有铜蚀刻剂的溶液中并不停晃动，直至裸露的铜层蚀刻殆尽后，撕去耐腐胶。
21.进一步，吸液芯的加工步骤为，采用激光、磨削等加工的方法，在上盖板和下盖板的陶瓷层加工出截面形状为三角形、矩形或者梯形的吸液芯，在加工后的吸液芯表面采用等离子处理以提高其表面能，增加表面毛细性能。
22.进一步，上盖板和下盖板对应密封连接的步骤为，在上盖板和下盖板四周采用激光玻璃焊接的方式进行密封。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.在上盖板和下盖板的陶瓷层设有吸液芯，通过工质相变进行高速散热，散热能力和均温能力得到大幅提高，由于具有良好的导热率，可实现功率器件在极端环境下的热控制，保证功率器件对散热和均温的要求。绝缘衬底基板内部为空腔结构，可以灵活地控制绝缘衬底的平整度，在保证散热性能的前提下使基板得以轻量化。
附图说明
25.图1为具有均温能力的绝缘衬底结构的示意图。
26.图2为上盖板内侧吸液芯的结构示意图。
27.图中：
28.1、下盖板；2、灌液口；3、吸液芯；4、蒸汽腔；5、上盖板；6、玻璃焊料钎焊接头。
具体实施方式
29.下面对本发明作进一步详细的描述。
30.如图1、图2所示，一种具有均温能力的绝缘衬底结构，包括绝缘衬底的上盖板5、吸液芯3、下盖板1以及由上盖板5和下盖板1密封连接形成的蒸汽腔4(真空内腔)，蒸汽腔4内灌注有液体工质。
31.本实施例中，上盖板5和下盖板1均采用单面覆铜板，上盖板5和下盖板1的外表面均覆盖有铜层线路图，内表面采用激光、磨削等加工方法加工出吸液芯3结构。
32.吸液芯3结构截面形状为三角形、矩形或梯形等。
33.上盖板5内侧带有吸液芯3的结构面与下盖板1内侧带有吸液芯3的结构面相对，上盖板5和下盖板1的四周采用激光玻璃钎焊密封。
34.钎焊密封后，绝缘衬底通过灌液口2注入液体工质，灌注量为吸液芯3饱和液体工质总和的80％～100％。将绝缘衬底放入远低于液体工质结冰温度氛围内5min后进行抽真空。
35.本实施例的绝缘衬底结构，在绝缘层内嵌均温板，在上盖板5和下盖板1的陶瓷层
设有吸液芯3，通过工质相变进行高速散热，其散热能力和均温能力得到大幅提高，是现有氧化铝陶瓷覆铜板的百倍，由于具有良好的导热率，可实现功率器件在极端环境下的热控制，保证功率器件对散热和均温的要求。绝缘衬底基板内部为空腔结构，可以灵活地控制绝缘衬底的平整度，在保证散热性能的前提下使基板得以轻量化。利用相变原理的高导热和均温能力实现绝缘衬底的均温性和高导热，是满足半导体功率器件的最优选择。
36.一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法，包括如下步骤：
37.(1)上盖板5和下盖板1的表面电路图蚀刻：将单面覆铜板放在超纯水溶液中进行超声波清洗，超声波清洗后风干，利用印刷方法将防腐剂刷在单面覆铜板金属层不需要蚀刻的地方，待干燥后放入铜蚀刻剂中并不停晃动覆铜板，直至裸露的铜层蚀刻殆尽后，撕去耐腐胶。
38.(2)板材清洗：上盖板5和下盖板1放入5vt％稀盐酸溶液30s，取出放入超纯水中清洗干净，再放入无水乙醇溶液内，然后置于超声波清洗机清洗10分钟以上，取出放入去离子水中，超声波清洗10钟以上祛除表面乙醇溶液，而后风干备用。
39.(3)吸液芯3的加工:在上盖板5和下盖板1的陶瓷层表面采用激光、磨削等加工方法，在陶瓷层表面加工出截面形状为三角形、矩形或者梯形的吸液芯3结构。在加工后的吸液芯3表面采用等离子处理，进一步提高其表面能，从而增加表面毛细性能。
40.(4)密闭蒸汽腔4的形成：上盖板5和下盖板1采用模具，在上盖板5和下盖板1四周采用激光玻璃焊接的方式进行密封，形成玻璃焊料钎焊接头6，在上盖板5和下盖板1中间形成0.1mm的蒸汽腔4。
41.(5)液体工质灌注并抽真空：保证玻璃焊料钎焊接头6密封后，通过灌液口2向蒸汽腔内4注入吸液芯3吸收液体工质的80％～100％左右的液体工质，在远低于工质结冰温度环境下冷冻5min后进行抽真空，最后对抽口进行冷压密封且氩弧焊焊接进一步密封。
42.传统的均温板采用低温共烧方式烧结，烧结过程中容易出现裂纹、塌陷；低温共烧均温板存在吸液芯3结构简单、毛细能力差，烧结平整度较差等问题，由于其采用牺牲材质烧结方法，厚度往往较大，难以满足半导体功率器件封装对厚度和平整度的要求，同时还需要两面覆铜并加工电路图，才能满足半导体功率器件对电路的需求。
43.本实施例的绝缘衬底结构制备方法，采用单面覆铜板加工出吸液芯3，并采用玻璃焊料钎焊密封连接，无需采用传统低温共烧的方式，避免烧结过程中出现裂纹、塌陷等问题。由于在绝缘衬底基板内部设有空腔结构，可以灵活地控制绝缘衬底的厚度，能够满足半导体功率器件封装对厚度和平整度的要求；直接采用两个单面覆铜板制作，无需额外两面覆铜，能够满足半导体功率器件对电路的需求。具有热匹配性高、制作流程简单、加工方便等优点，对于功率半导体模块封装和电子电路封装具有重要意义。
44.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种具有均温能力的绝缘衬底结构，其特征在于：包括对应密封连接的上盖板和下盖板，上盖板和下盖板之间设有真空内腔，真空内腔灌注有液体工质，上盖板和下盖板的外侧面均为金属层，上盖板和下盖板的内侧面均为陶瓷层，陶瓷层设有吸液芯，吸液芯设于真空内腔内。2.按照权利要求1所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构，其特征在于：吸液芯截面为三角形、矩形或梯形。3.按照权利要求1所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构，其特征在于：真空内腔高度为0.1～2mm。4.按照权利要求1所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构，其特征在于：液体工质的填充量为吸液芯饱和工质总和的50％～150％。5.按照权利要求1所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构，其特征在于：上盖板和下盖板均采用单面覆铜的氧化铝或氮化铝制备。6.按照权利要求1所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构，其特征在于：上盖板和下盖板的金属层蚀刻有半导体功率器件需要的线路图。7.一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，在上盖板和下盖板的陶瓷层分别加工出吸液芯；上盖板和下盖板的金属层朝外，将上盖板和下盖板对应密封连接，使上盖板和下盖板之间形成真空内腔，吸液芯位于真空内腔中；在真空内腔中灌注液体工质。8.按照权利要求7所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法，其特征在于：将上盖板和下盖板对应密封连接前还包括以步骤，利用印刷方法将防腐剂刷在上盖板和下盖板的金属层不需要蚀刻的地方，待干燥后放入铜蚀刻剂中并不停晃动，直至裸露的铜层蚀刻殆尽后，撕去耐腐胶。9.按照权利要求7所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法，其特征在于：吸液芯的加工步骤为，采用激光或磨削加工的方法，在上盖板和下盖板的陶瓷层加工出截面形状为三角形、矩形或者梯形的吸液芯，在加工后的吸液芯表面采用等离子处理以提高其表面能，增加表面毛细性能。10.按照权利要求7所述的一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法，其特征在于：上盖板和下盖板对应密封连接的步骤为，在上盖板和下盖板四周采用激光玻璃焊接的方式进行密封。

技术总结

本发明涉及一种具有均温能力的绝缘衬底结构，包括对应密封连接的上盖板和下盖板，上盖板和下盖板之间设有真空内腔，真空内腔灌注有液体工质，上盖板和下盖板的外侧面均为金属层，上盖板和下盖板的内侧面均为陶瓷层，陶瓷层设有吸液芯，吸液芯设于真空内腔内。在上盖板和下盖板的陶瓷层设有吸液芯，通过工质相变进行高速散热，散热能力和均温能力得到大幅提高，由于具有良好的导热率，可实现功率器件在极端环境下的热控制，保证功率器件对散热和均温的要求。绝缘衬底基板内部为空腔结构，可以灵活地控制绝缘衬底的厚度和平整度，在保证散热性能的前提下使基板得以轻量化。本发明还涉及一种具有均温能力的绝缘衬底结构的制备方法。法。法。