鉬銅或鎢銅合金等熱沉材料為基板的復合均熱板制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種均熱板的制造，該均熱板的設計將熱沉材料與常規(guī)均熱板的結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)一體化，將所需的散熱源如芯片可直接集成在均熱板的熱沉材料面上，大大減少了原有的均熱板和熱沉材料集成所產(chǎn)生的熱阻和所需的厚度空間要求，可達到快速導熱和散熱的目的，并提高可靠性。
【背景技術】
[0002]熱管理是現(xiàn)代裝備發(fā)展的一個非常重要的環(huán)節(jié)，因為對半導體電子裝備的運行溫度有效的熱控制，可以確保其工作的穩(wěn)定性和可靠性。實現(xiàn)熱管理的器件和方法較多，其中均熱板是一種適合大功率應用的主要電子熱管理器件。
[0003]作為半導體電子器件的均熱板(Vapor Chamber)通常是一個內(nèi)壁具有微觀毛細結(jié)構(gòu)的高真空腔體，其結(jié)構(gòu)是由上蓋板、下底板、毛細吸液芯和銅柱構(gòu)成。作為吸液芯的毛細結(jié)構(gòu)材料和上蓋板下底板之間經(jīng)高溫燒結(jié)連接在一起，上蓋板和下底板之間經(jīng)擴散焊接或銅銀釬焊焊接而成，再將腔體通過對連接毛細銅管通過抽真空、注液和封裝焊接等工序制得。應用時，當熱由半導體的芯片熱源傳導至均熱板下底板的蒸發(fā)區(qū)時，腔體里面的液相介質(zhì)會在高真空度的環(huán)境中，開始發(fā)生液相氣化，吸收熱能并且體積迅速膨脹，并快速充滿整個蒸汽腔，氣相的介質(zhì)快速通過蒸汽腔，傳導到一個較冷的區(qū)域時便發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，借由氣-液轉(zhuǎn)變釋放出介質(zhì)的相變潛熱，凝結(jié)后的液相介質(zhì)會借由內(nèi)壁上微結(jié)構(gòu)的毛細現(xiàn)象再快速回流到熱源的蒸發(fā)端，此過程將在腔體內(nèi)快速地進行循環(huán)，這就是均熱板的工作過程。由于蒸發(fā)端吸液芯的微結(jié)構(gòu)具有很強的毛細力，介質(zhì)吸附在毛細的吸液芯上，所以均熱板的工作是不受重力影響，其具有反重力特性即應用過程的無方向性。均熱板具有擴展熱阻低、均勻的熱通量、熱量快速擴散、重量輕和無噪音等優(yōu)點，正在得到重視和不斷開發(fā)之中。
[0004]通常情況下，半導體芯片特別是如晶閘管、IGBT、IGCT等大功率電力電子器件的芯片因為對溫度變化產(chǎn)生的熱應力非常敏感，通常需將其設計貼附在熱沉材料上，該熱沉材料需要具有良好的導熱性能和低的熱膨脹系數(shù)。當熱沉材料的熱膨脹系數(shù)和相應的芯片材料的熱膨脹系數(shù)相近時，芯片隨使用過程和環(huán)境溫度變化時產(chǎn)生的熱應力就小，確保其安全工作。然后再將熱沉材料通過焊接或?qū)崮z連接在均熱板及其相應的散熱模組上，實現(xiàn)芯片等熱源所需的快速高效的導熱和散熱目的。
[0005]但是，通常的芯片等熱源與均熱板的連接過程是通過熱沉材料再和均熱板散熱模組結(jié)合，如圖1所示，這樣就至少增加了兩層熱阻，一是熱沉材料本身的熱阻，二是熱沉材料與均熱板連接的焊接層或?qū)崮z的熱阻。熱阻是影響芯片散熱和工作穩(wěn)定性的一個至關重要的參數(shù)。此外增加了連接層，也造成了結(jié)構(gòu)變化、幾何尺寸和重量的增大，相對降低了器件的可靠性。因為多一層連接，就多一次可能接觸失效的可能性。針對這一問題，為了提高散熱效果，減少熱阻和確保芯片和散熱模組結(jié)合的可靠性，提出了本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是鑒于芯片等熱源導熱和散熱過程所需進一步減少熱阻的要求，提升芯片等熱源集成過程的可靠性，提出將熱沉材料如鑰銅合金或鎢銅合金直接設計成均熱板的下底板，從而將常規(guī)的集成結(jié)構(gòu):芯片+結(jié)合層+熱沉材料+結(jié)合層+均熱板散熱模組，大大改進并簡化，形成精簡的集成結(jié)構(gòu):芯片+結(jié)合層+均熱板散熱模組。該均熱板實現(xiàn)了熱沉和均熱的效果。所以該發(fā)明大大降低了原多層結(jié)構(gòu)集成所產(chǎn)生的熱阻，并節(jié)省所需的厚度空間，實現(xiàn)了輕、薄和快速導熱和散熱的目的。
[0007]該發(fā)明提出了將熱沉材料如鑰銅或鎢銅合金作為均熱板的下底板，與無氧純銅上蓋板的形成復合結(jié)構(gòu)均熱板的制造方法。也就是均熱板的下底板根據(jù)設計要求，采用鑰銅合金或鎢銅合金。因為鑰銅合金和鎢銅合金具有很好的物理性能，如高的熱導性能、耐熱性能及低的熱膨脹系數(shù)等，也具有良好的力學性能如高彈性模量，可滿足大功率的集成電路和微波器件的熱沉應用。用該熱沉板材作為均熱板的一個面，這樣就可實現(xiàn)熱沉材料和均熱板的一體化，保證半導體芯片隨溫度變化的熱應力的影響不大，大大降低芯片與所需散熱整個模組集成的熱阻，提高芯片的工作穩(wěn)定性和可靠性，有效解決高發(fā)熱量電子元件的散熱問題。
【附圖說明】
[0008]圖1常規(guī)芯片和熱沉材料及均熱板模組結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2芯片與復合結(jié)構(gòu)均熱板(熱沉材料和均熱板一體化)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 50*50*3.2 mm的方形復合結(jié)構(gòu)均熱板內(nèi)部設計及結(jié)構(gòu)示意圖
圖4直徑為100，厚度為2.6mm圓形的復合結(jié)構(gòu)均熱板內(nèi)部設計、支撐柱模板與結(jié)構(gòu)示意圖
具體實例
例一,尺寸為50*50*3.2 mm的方形結(jié)構(gòu)鑰銅復合均熱板的制造制備尺寸為50*50*3.2 mm的方形結(jié)構(gòu)兼具熱沉材料和均熱板為一體的以鑰銅合金為底板的超薄均熱板，具體步驟如下:
(I)均熱板的設計和部件材料的準備:底板采用鑰銅合金板，尺寸為50*50mm，厚度為0.6 mm ;上蓋板為純銅板，厚度為0.8 mm,經(jīng)沖壓形變,形變深度為1.8 mm,外形尺寸為50*50 mm;上下板的燒結(jié)銅粉的厚度設定為0.5 mm，銅粉粒度為霧化銅粉，粒度為180目；支撐柱采用直徑f2mm的銅柱。
[0009](2)均熱板的制作，如圖3所示:
(i)清洗和組合:將沖壓加工后的上蓋板無氧銅板材和下底板鑰銅合金板經(jīng)清洗、干燥后，置入所需厚度的銅粉，并進行高溫還原燒結(jié)處理；
(ii)焊料的涂覆和布置:將上述準備好的上蓋板和下底板按照均熱板組合，在其四周邊緣焊接區(qū)域內(nèi)，均勻涂覆銅銀釬料(包括預留的用于抽真空注液的毛細純銅管)，確保焊接的效果和質(zhì)量；
(iii)高溫燒結(jié)與焊接:將上述組合置于石墨模具內(nèi)，該石墨模具是用來確保制備的均熱板平整，在后續(xù)900°C高溫氫還原氣氛下燒結(jié)和焊接中采用外加重力，保溫時間為60分鐘，實現(xiàn)均熱板組合件之間的良好燒結(jié)結(jié)合和焊接效果；
(3)檢漏測試:焊接后需要對四周焊接質(zhì)量進行檢漏測試，確保四周焊接良好； (4)抽真空、注液、封裝和二次除氣及焊接封口:檢漏后，將均熱板的毛細管固定在抽真空、注液和封裝的夾具上，進行抽真空、注液和封裝；真空度為10-30 Pa，將封裝后的均熱板進行適當加熱，達到二次除氣的目的，然后對封裝口進行焊接封合，確保焊接封口的質(zhì)量;
(5)老化及熱性能測試:復合均熱板老化測試溫度定為200°C，經(jīng)6小時在200°C保溫完成老化測試；經(jīng)老化測試后，進行均熱板的熱性能測定，主要測試Qmax、溫差和熱阻，測定后完成整個均熱板的制造；
(6)防腐處理:復合均熱板進行電鍍鎳的表面防腐處理。
[0010]例二，直徑為flOO mm，厚度為2.6mm鑰銅復合均熱板的制造
制備圓形結(jié)構(gòu)直徑為f 100*2.6 mm的兼具熱沉材料和均熱板為一體的鑰銅為底板的均熱板，結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體步驟如下:
(I)均熱板的設計和部件材料的準備:底板鑰銅合金板的大小為直徑f 100 mm，厚度為
0.6 mm ;上蓋板為無氧純銅,為0.6 mm,大小經(jīng)沖壓形變,形變深度為1.4mm,形變后的尺寸為直徑f 100 mm;泡沫銅采用江蘇格業(yè)新材料科技有限公司的分級構(gòu)造泡沫銅，厚度為0.2mm,孔隙率為80% ;支撐柱同樣采用江蘇格