本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件，具體涉及一種相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法。

背景技術(shù)：

1、功率半導(dǎo)體器件實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)過(guò)載、浪涌和短路等短時(shí)沖擊過(guò)載，而在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如固態(tài)斷路器、高功率脈沖源等，功率半導(dǎo)體器件則主要以間歇短時(shí)高功率脈沖模式運(yùn)行。在短時(shí)沖擊過(guò)載工況下，一方面功率半導(dǎo)體器件短時(shí)間產(chǎn)生巨大損耗，導(dǎo)致芯片溫度急劇上升，功率半導(dǎo)體器件面臨較高的電熱擊穿風(fēng)險(xiǎn)；另一方面短時(shí)沖擊過(guò)載通常持續(xù)時(shí)間短(秒級(jí))，間隔時(shí)間長(zhǎng)(分鐘級(jí)以上)，因此功率半導(dǎo)體器件運(yùn)行時(shí)平均損耗低，理論上僅需簡(jiǎn)單可靠的自然對(duì)流或小型風(fēng)冷即可，然而目前由于功率半導(dǎo)體器件瞬態(tài)損耗大，為了緩解功率半導(dǎo)體器件短時(shí)急劇溫升，不得不配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積質(zhì)量大、可靠性低散熱系統(tǒng)，嚴(yán)重限制了裝置功率密度和能量密度的提升。

2、材料相變是自然界普遍存在的物理現(xiàn)象，相變時(shí)物質(zhì)溫度恒定在相變溫度附近，同時(shí)伴隨大量的能量釋放與吸收，物質(zhì)相變焓通常是其比熱容的2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。假若利用材料相變溫度恒定以及相變吸熱特性，在功率半導(dǎo)體器件傳熱路徑上設(shè)置相變吸熱材料，快速吸收功率半導(dǎo)體器件短時(shí)沖擊過(guò)載時(shí)能量耗散，可能實(shí)現(xiàn)緩沖功率半導(dǎo)體器件急劇溫升的目的，從而顯著增加功率半導(dǎo)體器件短時(shí)沖擊過(guò)載應(yīng)用時(shí)安全裕量，同時(shí)簡(jiǎn)化散熱需求，提升電力電子裝置功率密度與可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述技術(shù)的不足，提供一種相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，制備具備相變吸熱功能的功率半導(dǎo)體器件，安全裕量高，散熱需求低。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，明確功率半導(dǎo)體器件類(lèi)型和封裝結(jié)構(gòu)，分析功率半導(dǎo)體器件發(fā)熱體的傳熱路徑，確定相變吸熱結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)和融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)；針對(duì)不同的相變吸熱結(jié)構(gòu)，分析明確該相變吸熱結(jié)構(gòu)的材料體系和復(fù)合結(jié)構(gòu)類(lèi)型，再根據(jù)該相變吸熱結(jié)構(gòu)提出相變吸熱功率半導(dǎo)體器件的工藝流程，完成相變吸熱功率半導(dǎo)體器件的制備。

3、優(yōu)選地，內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變吸熱結(jié)構(gòu)內(nèi)置于功率半導(dǎo)體器件封裝內(nèi)腔，與功率半導(dǎo)體器件芯片和陶瓷覆銅層直接接觸，部分替代絕緣硅膠。

4、優(yōu)選地，融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變吸熱結(jié)構(gòu)布置于功率半導(dǎo)體器件散熱基板底部，通過(guò)燒結(jié)或焊接與功率半導(dǎo)體器件一體融合。

5、優(yōu)選地，內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用相變材料復(fù)合高導(dǎo)熱顆粒的結(jié)構(gòu)，相變材料用于熱能吸收與釋放，高導(dǎo)熱顆粒用于相變材料改性。

6、優(yōu)選地，融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用相變材料復(fù)合多孔骨架的結(jié)構(gòu)，相變材料用于熱能吸收與釋放，多孔骨架用于相變吸熱結(jié)構(gòu)與功率半導(dǎo)體器件基板物理連接以及相變材料導(dǎo)熱增強(qiáng)改性，實(shí)現(xiàn)相變材料與基板的一體融合連接，對(duì)相變材料進(jìn)行導(dǎo)熱增強(qiáng)，提供相變材料超大規(guī)模熱交換界面。

7、優(yōu)選地，內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變材料為有機(jī)烴或有機(jī)酸脂類(lèi)，包括石蠟、月桂酸和棕櫚酸中的一種或多種，高導(dǎo)熱顆粒為高導(dǎo)熱絕緣陶瓷顆粒，包括氧化鋁、氮化鋁和碳化硅中的一種或多種，高導(dǎo)熱顆粒均勻彌散分布于相變材料內(nèi)部。

8、優(yōu)選地，融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變材料為有機(jī)烴或有機(jī)酸脂類(lèi)或金屬類(lèi)，包括bi-cd-sn-pb-in、bi-sn-pb-in中的一種或多種，多孔骨架為導(dǎo)熱增強(qiáng)體，包括泡沫銅、泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫碳化硅金屬或陶瓷類(lèi)，相變材料填充入多孔骨架結(jié)構(gòu)孔隙，導(dǎo)熱增強(qiáng)體在相變材料中呈連續(xù)分布。

9、優(yōu)選地，內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用熔融注入工藝，首先完成功率半導(dǎo)體器件貼片焊接、鍵合線/端子超聲焊接和塑封，然后將相變材料加熱熔化，添加定量高導(dǎo)熱顆粒，攪拌混合均勻形成混合熔體待用，最后將混合熔體注入功率半導(dǎo)體器件的塑封模塊，完成內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)的制。

10、優(yōu)選地，融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用燒結(jié)或焊接連接+真空液相浸漬工藝，首先選用功率半導(dǎo)體器件基板和多孔骨架，通過(guò)燒結(jié)或焊接工藝將多孔骨架連接至基板底部，采用氣液相沉積方法在多孔骨架表面制備涂層，改善相變材料和多孔骨架的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)相界面導(dǎo)熱，然后在多孔骨架-基板上繼續(xù)完成功率半導(dǎo)體器件的封裝流程，最后將相變材料融化，采用真空浸漬工藝將相變材料熔體填充入多孔骨架，完成融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)的制備。

11、優(yōu)選地，制備完成后，分別設(shè)計(jì)功率半導(dǎo)體器件+水冷散熱、功率半導(dǎo)體器件+內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)+水冷散熱、功率半導(dǎo)體器件+融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)+水冷散熱和功率半導(dǎo)體器件+內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)+融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)+水冷散熱的試驗(yàn)裝置，基于有限元模型或溫度測(cè)量試驗(yàn)在恒功率脈沖工況開(kāi)展下功率半導(dǎo)體器件芯片和基板溫度仿真和試驗(yàn)，評(píng)估不同相變吸熱結(jié)構(gòu)方案對(duì)功率半導(dǎo)體模塊瞬態(tài)溫升的抑制效果。

12、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：制備的具備相變吸熱功能的功率半導(dǎo)體模塊，一方面可以緩沖短時(shí)沖擊過(guò)載時(shí)功率半導(dǎo)體模塊瞬態(tài)溫度沖擊，提升功率半導(dǎo)體模塊安全裕量，另一方面可以降低功率半導(dǎo)體模塊散熱需求，能夠采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的散熱方式，從而大大提高電力電子裝置功率密度和可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：明確功率半導(dǎo)體器件類(lèi)型和封裝結(jié)構(gòu)，分析功率半導(dǎo)體器件發(fā)熱體的傳熱路徑，確定相變吸熱結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)和融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)；針對(duì)不同的相變吸熱結(jié)構(gòu)，分析明確該相變吸熱結(jié)構(gòu)的材料體系和復(fù)合結(jié)構(gòu)類(lèi)型，再根據(jù)該相變吸熱結(jié)構(gòu)提出相變吸熱功率半導(dǎo)體器件的工藝流程，完成相變吸熱功率半導(dǎo)體器件的制備。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變吸熱結(jié)構(gòu)內(nèi)置于功率半導(dǎo)體器件封裝內(nèi)腔，與功率半導(dǎo)體器件芯片和陶瓷覆銅層直接接觸，部分替代絕緣硅膠。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變吸熱結(jié)構(gòu)布置于功率半導(dǎo)體器件散熱基板底部，通過(guò)燒結(jié)或焊接與功率半導(dǎo)體器件一體融合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用相變材料復(fù)合高導(dǎo)熱顆粒的結(jié)構(gòu)，相變材料用于熱能吸收與釋放，高導(dǎo)熱顆粒用于相變材料改性。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用相變材料復(fù)合多孔骨架的結(jié)構(gòu)，相變材料用于熱能吸收與釋放，多孔骨架用于相變吸熱結(jié)構(gòu)與功率半導(dǎo)體器件基板物理連接以及相變材料導(dǎo)熱增強(qiáng)改性，實(shí)現(xiàn)相變材料與基板的一體融合連接，對(duì)相變材料進(jìn)行導(dǎo)熱增強(qiáng)，提供相變材料超大規(guī)模熱交換界面。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變材料為有機(jī)烴或有機(jī)酸脂類(lèi)，包括石蠟、月桂酸和棕櫚酸中的一種或多種，高導(dǎo)熱顆粒為高導(dǎo)熱絕緣陶瓷顆粒，包括氧化鋁、氮化鋁和碳化硅中的一種或多種，高導(dǎo)熱顆粒均勻彌散分布于相變材料內(nèi)部。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，相變材料為有機(jī)烴或有機(jī)酸脂類(lèi)或金屬類(lèi)，包括bi-cd-sn-pb-in、bi-sn-pb-in中的一種或多種，多孔骨架為導(dǎo)熱增強(qiáng)體，包括泡沫銅、泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫碳化硅金屬或陶瓷類(lèi)，相變材料填充入多孔骨架結(jié)構(gòu)孔隙，導(dǎo)熱增強(qiáng)體在相變材料中呈連續(xù)分布。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用熔融注入工藝，首先完成功率半導(dǎo)體器件貼片焊接、鍵合線/端子超聲焊接和塑封，然后將相變材料加熱熔化，添加定量高導(dǎo)熱顆粒，攪拌混合均勻形成混合熔體待用，最后將混合熔體注入功率半導(dǎo)體器件的塑封模塊，完成內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)的制。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)中，采用燒結(jié)或焊接連接+真空液相浸漬工藝，首先選用功率半導(dǎo)體器件基板和多孔骨架，通過(guò)燒結(jié)或焊接工藝將多孔骨架連接至基板底部，采用氣液相沉積方法在多孔骨架表面制備涂層，改善相變材料和多孔骨架的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)相界面導(dǎo)熱，然后在多孔骨架-基板上繼續(xù)完成功率半導(dǎo)體器件的封裝流程，最后將相變材料融化，采用真空浸漬工藝將相變材料熔體填充入多孔骨架，完成融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)的制備。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，其特征在于：制備完成后，分別設(shè)計(jì)功率半導(dǎo)體器件+水冷散熱、功率半導(dǎo)體器件+內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)+水冷散熱、功率半導(dǎo)體器件+融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)+水冷散熱和功率半導(dǎo)體器件+內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)+融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)+水冷散熱的試驗(yàn)裝置，基于有限元模型或溫度測(cè)量試驗(yàn)在恒功率脈沖工況開(kāi)展下功率半導(dǎo)體器件芯片和基板溫度仿真和試驗(yàn)，評(píng)估不同相變吸熱結(jié)構(gòu)方案對(duì)功率半導(dǎo)體模塊瞬態(tài)溫升的抑制效果。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，明確功率半導(dǎo)體器件類(lèi)型和封裝結(jié)構(gòu)，分析功率半導(dǎo)體器件發(fā)熱體的傳熱路徑，確定相變吸熱結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)置式相變吸熱結(jié)構(gòu)和融合式相變吸熱結(jié)構(gòu)；針對(duì)不同的相變吸熱結(jié)構(gòu)，分析明確該相變吸熱結(jié)構(gòu)的材料體系和復(fù)合結(jié)構(gòu)類(lèi)型，再根據(jù)該相變吸熱結(jié)構(gòu)提出相變吸熱功率半導(dǎo)體器件的工藝流程，完成相變吸熱功率半導(dǎo)體器件的制備。本發(fā)明相變吸熱功率半導(dǎo)體器件制備方法，制備具備相變吸熱功能的功率半導(dǎo)體器件，安全裕量高，散熱需求低。

技術(shù)研發(fā)人員：黃永樂(lè),羅毅飛,肖飛,劉賓禮,唐欣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19