CN111524814B - 一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，包括如下步骤：S1，绘制功率器件集成结构的三维模型；S2，利用梯度材料根据三维模型做出散热基体雏形；S3，采用精密加工的方式将散热基体雏形加工成型；S4，将成型好的散热基体进行清洗；S5，在散热基体表面需要的位置生成一层氧化铝薄膜；S6，在氧化铝薄膜表面沉积金属电路；S7，将裸芯片、微模块和封装单元连接在散热基体表面指定区域；S8，将功率器件的外盖体与散热基体进行熔焊密封。本发明的制备方法可确保功率器件的三维高密度集成，且高效散热，实现电路、散热一体化。
Description
技术领域
本发明涉及功率电子组件集成技术领域，特别涉及一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，用于功率器件的高可靠三维立体组装。
背景技术
电子设备的小型化需求致使电子组件从元器件、基板、封装结构等方面全面提升集成密度。各种小型化器件、多功能基板、三维堆叠互联等新技术不断被开发出来。对于功率器件而言，还有各种不同的散热结构、散热材料也层出不穷。
现有功率器件的散热技术主要包括微流道液冷散热、高导热基板散热和相变材料散热。
首先，微流道液冷散热是在大功率元器件的安装基板中集成微流道，将大功率元器件安装在微流道正上方，通过微流道中的液体将热量迅速导出，已达到降低元器件及电路板表面温度的目的。但是该方法存在以下问题：
1)由于目前电路的微小型化越来越突出，要求集成在电路板中的微流道尺寸很小(50微米量级)，常规的机加等手段难以达到，只能借助半导体深硅刻蚀等加工手段，技术难度大，投入高；
2)这类微流道通常只能以硅基板作为载体，要求表层的电路必须在硅片表面进行集成，由于硅为半导体，当前技术下对硅片上集成宽带高频电路很困难，因此使用范围受到限制。
其次，高导热基板散热是采用氮化铝、氧化铍、金刚石铜复合材料、铝碳化硅复合艾伦等高导热率基板作为大功率元器件电路载体，通过该类基板达到将热量快速导出的目的。这种方法存最主要的问题是这类电路结构通常只能做成单层或平面双层的二维电路，无法做成三维集成结构。
再者，相变材料散热的散热结构一般依赖于金属微流道或高导热基板进行，其结构形式也是二维形式的。
纯金属，如铝、铜等金属的导热率在200～400W/m.K，比目前的任何陶瓷基板都高，可制备成三维散热结构。若将大功率芯片直接贴装在铝或铜等金属制成的散热结构表面，可很好的满足200W/cm2以上热流密度的散热需求，实现高效散热。但是，由于高密度集成时要保障组件的可靠性，需要芯片和安装基材的热膨胀系数匹配。高导热金属材料的热膨胀系数都于芯片相差很大，与芯片直接结合会存在严重的可靠性问题。故此高导热的纯金属也不能形成功率器件三维高密度组装的结构形式。
已申请的发明专利“一种散热共形电路及其制造方法”(申请公布号CN109378302A)虽描述了一种三维立体高效散热方法，但其散热金属芯采用高导热金属，介质层采用有机绝缘材料，这两种系列材料的热膨胀系数与芯片均差异过大，如果直接进行低热阻互联(如钎焊)，互联界面会存在很大的可靠性风险。
已有专利未见任何有关功率器件高可靠性高密度集成结构的制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，包括如下步骤：
S1，绘制功率器件集成结构的三维模型；
S2，利用梯度材料根据三维模型做出散热基体雏形；
S3，采用精密加工的方式将散热基体雏形加工成型；
S4，将成型好的散热基体进行清洗；
S5，在散热基体表面需要的位置生成一层氧化铝薄膜；
S6，在氧化铝薄膜表面沉积金属电路；
S7，将裸芯片、微模块和封装单元连接在散热基体表面指定区域；
S8，将功率器件的外盖体与散热基体进行熔焊密封。
进一步地，S2中利用梯度材料根据三维模型采用粉末冶金或喷射成型的方式做出散热基体雏形。
进一步地，所述散热基体的梯度材料是：
铝合金和热膨胀系数梯度变化的高硅铝合金复合材料；
铝合金和热膨胀系数梯度变化的铝基碳化硅复合材料；或者
铝合金、热膨胀系数梯度变化的高硅铝合金复合材料、以及热膨胀系数梯度变化的铝基碳化硅复合材料三者的组合。
进一步地，可根据功率器件的散热需求，将散热基体与微流道和相变材料相结合。
进一步地，S4中进行清洗的清洗液为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮、碳酸钠溶液、磷酸钠溶液、硅酸钠溶液、硫酸溶液、氢氟酸溶液和硝酸溶液中的一种或几种的组合。
进一步地，S5中采用微弧氧化或等离子喷涂的方式在散热结构基体表面需要的位置生成一层氧化铝薄膜。
进一步地，S6中采用激光活化、化镀、微增材和/或微减材的方式在氧化铝薄膜表面沉积金属电路。
进一步地，S6中沉积金属电路的材料为金、银、铜、镍、铝和锡中的一种或者几种的组合。
进一步地，S7中采用钎焊或粘接的方式将裸芯片、微模块和封装单元连接在散热基体表面指定区域。
进一步地，S8中采用激光焊接的方式将功率器件的外盖体与散热基体进行熔焊密封。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明实现了功率器件高可靠高密度集成结构的制备，在制备的功率器件高可靠高密度集成结构上可直接可靠互联各种功能单元，结合常规散热方式将热量迅速导出，并利用梯度材料的特点，可直接熔焊密封整个功率组件，形成功能完备的功率器件，该制备方法可确保功率器件的三维高密度集成，且高效散热，实现电路、散热一体化。
2、本发明功率组件高可靠高密度集成结构的制备过程中的具体工艺参数，如梯度材料的组合及各层厚度分布，清洗方法及参数，氧化铝介质层生成厚度、方法及参数，布线方法及参数，组装方法及参数，均可灵活变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法的流程框图。
图2a为本发明实施例的一种功率器件高可靠高密度集成结构的等轴剖视图。
图2b为本发明实施例的一种功率器件高可靠高密度集成结构的外部结构图。
附图标记：1-功能单元、2-氧化铝薄膜、3-金属电路、4-散热基体、5-输入输出接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，包括如下步骤：
S1，绘制功率器件集成结构的三维模型；
S2，利用梯度材料根据三维模型做出散热基体雏形；
S3，采用精密加工的方式将散热基体雏形加工成型；
S4，将成型好的散热基体进行清洗；
S5，在散热基体表面需要的位置生成一层氧化铝薄膜；
S6，在氧化铝薄膜表面沉积金属电路；
S7，将裸芯片、微模块和封装单元连接在散热基体表面指定区域；
S8，将功率器件的外盖体与散热基体进行熔焊密封。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图2a所示的一种功率器件高可靠高密度集成结构的等轴剖视图，如图2b所示的一种功率器件高可靠高密度集成结构的外部结构图。该功率器件集成结构包括外盖体和散热基体4，在散热基体4表面的局部具有氧化铝薄膜2作为介质层，在氧化铝薄膜2上具有金属电路3，该功率器件集成结构的底部具有输入输出接口5，并在指定位置设置有相应的功能单元1。
以下是该功率器件高可靠高密度集成结构的制备示例：
S1，采用三维绘图软件绘制功率器件集成结构的三维模型。所述三维绘图软件可以是CATIA或PRO/E，根据设计图纸，绘制功率器件集成结构1：1的的三维模型，该三维模型应当包括散热基体4、以及散热基体4上的金属电路3布线。
S2，利用梯度材料根据三维模型采用粉末冶金或喷射成型的方式做出散热基体4雏形。
其中，所述散热基体4的梯度材料是：
铝合金和热膨胀系数梯度变化的高硅铝合金复合材料；
铝合金和热膨胀系数梯度变化的铝基碳化硅复合材料；或者
铝合金、热膨胀系数梯度变化的高硅铝合金复合材料、以及热膨胀系数梯度变化的铝基碳化硅复合材料三者的组合。
另外，可根据功率器件的散热需求，将散热基体4与微流道和相变材料相结合(可以采用钎焊的方式将散热基体4与微流道钎焊成一个整体，并在微流道中密封相变材料)，以实现不同级别的散热能力，尤其是满足150W/cm2～1000W/cm2热流密度场合的散热需求。
S4，将成型好的散热基体4进行清洗；进行清洗的清洗液为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮、碳酸钠溶液、磷酸钠溶液、硅酸钠溶液、硫酸溶液、氢氟酸溶液和硝酸溶液中的一种或几种的组合。
S5，采用微弧氧化或等离子喷涂的方式在散热结构基体表面需要的位置生成一层氧化铝薄膜2。
S6，采用激光活化、化镀、微增材或微减材的方式在氧化铝薄膜2表面沉积金属电路3。其中，沉积金属电路3的材料为金、银、铜、镍、铝和锡中的一种或者几种的组合。通过激光活化、化镀、微增材和/或微减材的方式，可以在氧化铝薄膜2表面沉积最小尺寸为20μm2的金属电路3，该金属电路3的金属厚度≥1μm。
所述激光活化，是指在前述成型好的氧化铝膜层表面用特定激光进行可化镀的活化处理。
所述化镀，是指在氧化铝膜层表面经过激光活化处理的部位化学沉积一层金属膜层。
所述微增材，是指通过激光的高能量作用，将导体金属熔覆沉积在氧化铝膜层表面形成金属图形。
所述微减材，是指通过激光的高能量作用，将氧化铝膜层表面多余的金属材料去除形成金属图形。
S7，采用钎焊或粘接的方式将裸芯片、微模块和封装单元等功能连接在散热基体4表面指定区域，实现可直接可靠互联各种功能单元1。
S8，采用激光焊接的方式将功率器件的外盖体与散热基体4进行熔焊密封。其中，外盖体的密封技术为现有技术，在此不再赘述。
至此，形成功能完备的功率器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，绘制功率器件集成结构的三维模型；
S2，利用梯度材料根据三维模型做出散热基体雏形；可根据功率器件的散热需求，将散热基体与微流道和相变材料相结合；
S3，采用精密加工的方式将散热基体雏形加工成型；
S4，将成型好的散热基体进行清洗；
S5，在散热基体表面需要的位置生成一层氧化铝薄膜；
S6，在氧化铝薄膜表面沉积金属电路；
S7，将裸芯片、微模块和封装单元连接在散热基体表面指定区域；
S8，将功率器件的外盖体与散热基体进行熔焊密封。
2.根据权利要求1所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，S2中利用梯度材料根据三维模型采用粉末冶金或喷射成型的方式做出散热基体雏形。
3.根据权利要求1所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，所述散热基体的梯度材料是：
铝合金和热膨胀系数梯度变化的高硅铝合金复合材料；
铝合金和热膨胀系数梯度变化的铝基碳化硅复合材料；或者
铝合金、热膨胀系数梯度变化的高硅铝合金复合材料、以及热膨胀系数梯度变化的铝基碳化硅复合材料三者的组合。
4.根据权利要求1所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，S4中进行清洗的清洗液为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮、碳酸钠溶液、磷酸钠溶液、硅酸钠溶液、硫酸溶液、氢氟酸溶液和硝酸溶液中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，S5中采用微弧氧化或等离子喷涂的方式在散热结构基体表面需要的位置生成一层氧化铝薄膜。
6.根据权利要求1所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，S6中采用激光活化、化镀、微增材和/或微减材的方式在氧化铝薄膜表面沉积金属电路。
7.根据权利要求1或6所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，S6中沉积金属电路的材料为金、银、铜、镍、铝和锡中的一种或者几种的组合。
8.根据权利要求1或6所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，S7中采用钎焊或粘接的方式将裸芯片、微模块和封装单元连接在散热基体表面指定区域。
9.根据权利要求1所述的功率器件高可靠高密度集成结构的制备方法，其特征在于，S8中采用激光焊接的方式将功率器件的外盖体与散热基体进行熔焊密封。
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