高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片及其加工方法
【專利摘要】高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片及其加工方法，屬于熱電與半導(dǎo)體制冷和制熱【技術(shù)領(lǐng)域】。通過刻蝕具有類鉆碳鍍膜的金屬基板上的導(dǎo)電層，使其裸露出蝕刻圖形的線路作為焊盤，將導(dǎo)流片焊接在焊盤上；將分別焊接有導(dǎo)流片的兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板疊層式放置，并將焊接有導(dǎo)流片的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板面相對布置；將一個N型半導(dǎo)體制冷顆粒和一個P型半導(dǎo)體制冷顆粒組成一個電偶對，電偶對的一面焊接在所述兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的一塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的導(dǎo)流片上，該電偶對的另一面焊接在所述兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的另一塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的導(dǎo)流片上。本發(fā)明大大提高了產(chǎn)品的剛性，利于提高產(chǎn)品的良品率。
【專利說明】高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱電與半導(dǎo)體制冷和制熱【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在熱電與半導(dǎo)體制冷和制熱【技術(shù)領(lǐng)域】，已有的半導(dǎo)體制冷片技術(shù)大多是采用陶瓷基板結(jié)構(gòu)，也有個別采用薄膜塑料或云母結(jié)構(gòu)。
[0003]上述已有的基板解決方案,一般熱阻較大,一般熱傳導(dǎo)系數(shù)均在10W/m.k以下。由于其導(dǎo)熱性能不夠理想，容易影響其耐久工作性能，制冷效率偏低。此外陶瓷基板容易破碎，容易在組裝時造成良品率比較低。
[0004]于2007年4月4日公開的申請?zhí)枮?00510108046的高導(dǎo)熱效率電路板，其主要在于一基板上覆蓋有一絕緣層，于絕緣層上設(shè)置一線路，線路一處用以設(shè)置一半導(dǎo)體芯片，線路一處下面和線路外露表面下面覆蓋一含有鉆石粉末或鉆石及類鉆碳膜的導(dǎo)熱絕緣層，該導(dǎo)熱絕緣層用以迅速傳導(dǎo)直接來自于線路的高熱及間接來自于半導(dǎo)體芯片的高熱，并將高熱排除至外界，由此，以維持該電路板在一正常工作溫度；導(dǎo)熱絕緣層可取代現(xiàn)有電路板基板上的絕緣層，使得高功率半導(dǎo)體芯片所產(chǎn)生的高熱能通過線路及導(dǎo)熱絕緣層的傳遞，快速地與外界空氣進(jìn)行熱交換而散熱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種熱傳導(dǎo)系數(shù)聞、制冷效率聞和良品率聞的聞導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片。
[0006]本發(fā)明至少包括兩層疊層式排列的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板，在相鄰的兩層具有類鉆碳鍍膜的金屬基板之間設(shè)置若干半導(dǎo)體制冷晶粒和若干導(dǎo)流片，所述導(dǎo)流片分別焊接在類鉆碳金屬基板上，所述半導(dǎo)體制冷晶粒通過導(dǎo)流片串聯(lián)電連接。
[0007]本發(fā)明通過在每兩層具有類鉆碳鍍膜的金屬基板中夾置半導(dǎo)體制冷晶粒和導(dǎo)流片，形成環(huán)保的高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0008]本發(fā)明采用具有類鉆碳鍍膜的金屬基板作為半導(dǎo)體制冷片的封裝基板，形成由金屬基板封裝而成的多層結(jié)構(gòu)，可使傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于10W/m.k，均達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)；還實現(xiàn)了制冷效率高和導(dǎo)熱效果好的目的。另外，本發(fā)明采用具有類鉆碳鍍膜的金屬基板，大大提高了產(chǎn)品的剛性，從而避免使用原有同類產(chǎn)品的陶瓷材料出現(xiàn)的破損現(xiàn)象，利于提高產(chǎn)品的良品率。
[0009]本發(fā)明可應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，如:
1、軍事方面:導(dǎo)彈、雷達(dá)、潛艇等方面的紅外線探測、導(dǎo)行系統(tǒng)。
[0010]2、醫(yī)療方面；冷力、冷合、白內(nèi)障摘除片、血液分析儀等。
[0011]3、實驗室裝置方面:冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片。
[0012]4、專用裝置方面:石油產(chǎn)品低溫測試儀、生化產(chǎn)品低溫測試儀、細(xì)菌培養(yǎng)箱、恒溫顯影槽、電腦等。
[0013]5、日常生活方面:空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱等。
[0014]另外，本發(fā)明選取的所述具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的厚度為0.5?5mm，具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的導(dǎo)熱系數(shù)為10?475W/m.k。形成的產(chǎn)品的工作性能、實驗和批量效果制冷效果極佳，可以滿足實用領(lǐng)域不同工作條件要求。
[0015]本發(fā)明采用的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板中金屬基本材料可以是鋁板或銅板或鋼板或鐵板，可以采用其他合金基板，特別是軍工和航天行業(yè)含鈦等符合材料的基板。
[0016]本發(fā)明還提出以上高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片的加工方法。
[0017]本發(fā)明加工方法包括以下步驟:
1)通過刻蝕具有類鉆碳鍍膜的金屬基板上的導(dǎo)電層，使其裸露出蝕刻圖形的線路作為焊盤，將導(dǎo)流片焊接在焊盤上；
2)將分別焊接有導(dǎo)流片的兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板疊層式放置，并將焊接有導(dǎo)流片的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板面相對布置；將一個N型半導(dǎo)體制冷顆粒和一個P型半導(dǎo)體制冷顆粒組成一個電偶對，電偶對的一面焊接在所述兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的一塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的導(dǎo)流片上，該電偶對的另一面焊接在所述兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的另一塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的導(dǎo)流片上。
[0018]本發(fā)明工藝簡單、合理，利于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明產(chǎn)品與常規(guī)產(chǎn)品的溫差、能效與驅(qū)動電流的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0022]一、按中國專利申請?zhí)枮?00510108046公開的方法制作具有類鉆碳鍍膜的金屬
基板:
取金屬基板(鋁板、或銅板、或鋼板、或鐵板，可以采用其他合金基板，特別是軍工和航天行業(yè)含鈦等符合材料的基板)的厚度約0.5?5mm。
[0023]在基板上制出絕緣層后，在線路層上制出鉆石或類鉆碳膜構(gòu)成的導(dǎo)熱絕緣層，再在絕緣層上采用真空濺鍍加電鍍方式、或采用印刷銅(或銀)方式制出線路層。其中，基板的絕緣層制作是生成一層0-200微米陽極氧化層，或0-200微米環(huán)氧樹脂膠或PP膠或陽極氧化層與環(huán)氧樹脂膠PP膠混合(混合厚度為0-200微米)。另外，鉆石或類鉆碳膜構(gòu)成的導(dǎo)熱絕緣層的形成方法是:以陰極環(huán)電弧物理氣相沉積(Cathodic Arc PVD)方法、濺射物理氣相沉積(Sputtering PVD)方法或電衆(zhòng)輔助化學(xué)氣相沉積(Plasma Assisted CVD)方法來形成。
[0024]對于單面使用的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板只在金屬基板基板的單面進(jìn)行以上工藝，形成單面類鉆碳金屬基板。
[0025]對于雙面使用的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板，則需在金屬基板基板的雙面分別進(jìn)行以上工藝，形成雙面類鉆碳金屬基板。[0026]二、高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片生產(chǎn)工藝及形成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu):
例一:
一種典型的【具體實施方式】，如附圖1所示:本發(fā)明由一塊單面類鉆碳金屬基板1-1、半導(dǎo)體制冷晶粒1-2、導(dǎo)流片1-3和1-4、另一塊單面類鉆碳金屬基板1-5依次復(fù)合封裝組成。
[0027]具體加工工藝:通過刻蝕具有類鉆碳鍍膜的金屬基板1-1上的導(dǎo)電層，使其裸露出蝕刻圖形的線路作為焊盤之用，將導(dǎo)流片1-3分別焊接在焊盤上。
[0028]類鉆碳金屬基板1-5也同樣加工出很多焊盤，然后再導(dǎo)流片1-4分別焊接在各焊盤上。
[0029]將兩塊類鉆碳金屬基板1-1和1-5疊放，并使分別焊接有焊盤的面相對布置。
[0030]半導(dǎo)體制冷顆粒分為N型和P型，一個N型和一個P型兩個一組組成一個電偶對，每組電偶對的一面焊接在類鉆碳金屬基板1-1上的導(dǎo)流片1-3上，電偶對的另一面焊接在類鉆碳金屬基板1-5上的導(dǎo)流片1-4上。
[0031]類鉆碳金屬基板1-5與類鉆碳金屬基板1-1通過上下焊盤和導(dǎo)流片將所有電偶對串連起來，最終形成一個正極和負(fù)極，正極和負(fù)極交換可以改變冷熱屬性。
[0032]形成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示:具有兩層疊層式排列的類鉆碳金屬基板1-1和1-5，在兩層類鉆碳金屬基板1-1和1-5之間設(shè)置若干半導(dǎo)體制冷晶粒1-2和若干導(dǎo)流片1-3和
1-4，導(dǎo)流片1-3和1-4分別焊接在類鉆碳金屬基板1-1和1-5上，半導(dǎo)體制冷晶粒1-2通過導(dǎo)流片1-3和1-4串聯(lián)電連接。
[0033]形成的產(chǎn)品的傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于10W/m.k。具有制冷效率高、高導(dǎo)熱、熱阻小、節(jié)能和環(huán)保等特點。
[0034]例二:
另一種典型的【具體實施方式】，如附圖2所示。由第一塊單面類鉆碳金屬基板2-1、半導(dǎo)體制冷晶粒2-2、導(dǎo)流片2-3和2-4、第二塊雙面類鉆碳金屬基板2-5、半導(dǎo)體制冷晶粒2_6和導(dǎo)流片2-7、第三塊單面類鉆碳金屬基板2-8依次復(fù)合封裝組成。
[0035]具體生產(chǎn)工藝:通過刻蝕具有類鉆碳鍍膜的金屬基板2-1上的導(dǎo)電層，使其裸露出蝕刻圖形的線路作為焊盤之用，將導(dǎo)流片2-3分別焊接在焊盤上。
[0036]在第二塊類鉆碳金屬基板2-5的兩面分別同相同工藝做成雙面焊盤，一面焊接導(dǎo)流片2-4，另一面焊接導(dǎo)流片2-7。
[0037]在第三塊類鉆碳金屬基板2-8的一面以與類鉆碳金屬基板2-1相同的工藝,于一面生成很多焊盤，將各導(dǎo)流片2-9分別焊接在相應(yīng)的焊盤上。
[0038]將第一塊類鉆碳金屬基板2-1、第二塊類鉆碳金屬基板2-5，第三塊類鉆碳金屬基板2-8相互疊層放置。
[0039]半導(dǎo)體制冷顆粒分為N型和P型，一個N型和一個P型兩個一組組成一個點偶對，每電偶對的一面焊接在第一塊類鉆碳金屬基板2-1上的導(dǎo)流片2-3上，另一面焊接在第二塊類鉆碳金屬基板2-5的導(dǎo)流片2-4上。依此類推。
[0040]第三塊類鉆碳金屬基板2-8、第一塊類鉆碳金屬基板2-1與中間的其它類鉆碳金屬基板通過焊盤和導(dǎo)流片將所有電偶對串連起來，最終形成一個正極和負(fù)極，正極和負(fù)極交換可以改變冷熱屬性。
[0041]形成的產(chǎn)品如圖2所示:在第一塊類鉆碳金屬基板2-1與中間的第二塊類鉆碳金屬基板2-5之間設(shè)有導(dǎo)流片2-3、2-4和半導(dǎo)體制冷顆粒2-2，在第二塊類鉆碳金屬基板2_5與第三塊類鉆碳金屬基板2-8之間設(shè)有導(dǎo)流片2-7、2-9和半導(dǎo)體制冷顆粒2-6。
[0042]當(dāng)然，也可依據(jù)以上方法，將四塊、四塊以上的類鉆碳金屬基板依次進(jìn)行復(fù)合封裝組成四層以上的多層結(jié)構(gòu)。
[0043]以上兩例選取的類鉆碳金屬基板1-1、1_5的材料為鋁板、銅板、鋼板、鐵板、合金板中的任意一種，厚度分別為0.5~5mm,導(dǎo)熱系數(shù)為10~475W/m.k。
[0044]三、測試效果:
1、在常溫環(huán)境，取一標(biāo)準(zhǔn)鋁型材(基體長寬高為210X110X15mm，鰭片為長寬110X65mm、厚度為5mm,總重量約0.8公斤)為標(biāo)準(zhǔn)散熱器。
[0045]將同一類型的陶瓷基板半導(dǎo)體制冷片和本發(fā)明冷片分別通過等量導(dǎo)熱硅脂附于鋁型材上面中部，驅(qū)動電流分別從0.5A增加到3A，以0.5A為間隔，記錄工作30分鐘的環(huán)境溫度、半導(dǎo)體制冷片冷面溫度、散熱器溫度、驅(qū)動電壓和電流數(shù)據(jù)，其中半導(dǎo)體制冷片因一面為冷面，一面為熱面，散熱器溫度指熱面安裝于散熱器上面時的散熱器溫度。其中溫差的計算公式為環(huán)境溫度減去冷面溫度，能效的計算公式為溫差除以電壓和電流的乘積。結(jié)果如圖3所示。
[0046]從圖3中可以看出本發(fā)明高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片在2A和2.5A時溫差和能效均常規(guī)高于陶瓷基板半導(dǎo)體制冷片，3A后雙方因能效極低，一般沒實際應(yīng)用意義。
[0047]2、測試方法同于上，其中瓦數(shù)的數(shù)據(jù)為電壓和電流的乘積，因儀器原因，電流無法正好調(diào)整到0.5A的整數(shù)倍，但不影響溫差和能效的計算。
[0048]結(jié)果如表1:

表1
【權(quán)利要求】
1.高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片，其特征在于至少包括兩層疊層式排列的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板，在相鄰的兩層具有類鉆碳鍍膜的金屬基板之間設(shè)置若干半導(dǎo)體制冷晶粒和若干導(dǎo)流片，所述導(dǎo)流片分別焊接在類鉆碳金屬基板上，所述半導(dǎo)體制冷晶粒通過導(dǎo)流片串聯(lián)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片，其特征在于所述具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的厚度為0.5?5mm，具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的導(dǎo)熱系數(shù)為10?475ff/m.k。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片，其特征在于所述具有類鉆碳鍍膜的金屬基板中金屬為招、銅、鋼、鐵、合金中的任意一種。
4.如權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱性金屬電路半導(dǎo)體制冷片的加工方法，其特征在于包括以下步驟: 1)通過刻蝕具有類鉆碳鍍膜的金屬基板上的導(dǎo)電層，使其裸露出蝕刻圖形的線路作為焊盤，將導(dǎo)流片焊接在焊盤上； 2)將分別焊接有導(dǎo)流片的兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板疊層式放置，并將焊接有導(dǎo)流片的具有類鉆碳鍍膜的金屬基板面相對布置；將一個N型半導(dǎo)體制冷顆粒和一個P型半導(dǎo)體制冷顆粒組成一個電偶對，電偶對的一面焊接在所述兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的一塊鉆碳金屬基板的導(dǎo)流片上，該電偶對的另一面焊接在所述兩塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的另一塊具有類鉆碳鍍膜的金屬基板的導(dǎo)流片上。
【文檔編號】H01L35/32GK103682074SQ201310732993
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】嚴(yán)圣軍, 李權(quán)憲 申請人:江蘇天楹環(huán)?？萍加邢薰?br>