本發明專利技術涉及一種功率半導體器件高效主動散熱結構及其制備方法，高效主動散熱結構包括：含液體流動通道的熱端基板10、冷端基板16，含液體流動通道的熱端基板10與冷端基板16平行，且含液體流動通道的熱端基板10與冷端基板16之間有交替排列的P型半導體17和N型半導體18，冷端基板16的外表面設置有第三電路層19，用于與功率半導體芯片22相連。本發明專利技術提出的散熱結構可極大降低半導體制冷器熱端基板的溫度，提升制冷效率，避免熱界面材料引起較大接觸熱阻的問題，實現功率半導體器件高效主動散熱。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及功率半導體器件封裝應用，特別是涉及一種功率半導體器件高效主動散熱結構及其制備方法。
技術介紹
1、功率半導體芯片作為電源開關器件，是電源和電機控制電路中最重要的部件。隨著功率器件封裝結構向高密度、小型化方向發展，功率器件的熱流密度將從100w/cm2增加到500w/cm2，電源模塊的熱通量可達幾kw/cm2。芯片結溫過高會使得模塊出現嚴重的可靠性問題，包括焊料-陶瓷分層、焊層出現裂紋、鍵合線脫落等。因此，亟需開發合適的芯片高效散熱技術。
2、目前，為了控制功率半導體芯片的溫度以使其性能最大化，功率半導體器件的主要散熱方法為連接外部散熱器的風冷技術，通過體積較大的散熱翅片和冷卻風扇帶走芯片產生的熱量。然而，空氣冷卻的能力十分有限，難以滿足高密度功率器件的冷卻需求，越來越多的研究正逐漸轉向液體水冷卻技術。這種方法可以將熱量從芯片傳導到具有高比熱容的熱介質，能有效控制芯片結溫，具有高效、節能、環保的優點，但仍然無法避免體積較大，散熱效率不足的問題。半導體制冷技術基于半導體的珀耳帖效應，可以實現從電到溫差的直接轉換，在功率器件熱管理領域具有巨大潛力。與傳統散熱形式相比，半導體制冷器的結構更加可靠、穩定，使用壽命更長。然而，現有半導體制冷器熱端基板底部仍需連接冷卻風扇或水冷裝置來實現熱量傳導，尺寸較大，需要占用系統較大空間和體積，降低集成度；此外，半導體制冷器和外部散熱器需要通過熱界面材料進行連接來實現熱量傳導，會增大接觸熱阻，影響熱端基板散熱，降低半導體制冷器的制冷量，從而影響功率芯片的散熱效率。
/>技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種功率半導體器件高效主動散熱結構及其制備方法，提出的散熱結構可極大降低半導體制冷器熱端基板的溫度，提升制冷效率，避免熱界面材料引起較大接觸熱阻的問題，實現功率半導體器件高效主動散熱。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了如下方案：
3、一種功率半導體器件高效主動散熱結構，包括：含液體流動通道的熱端基板、冷端基板，所述含液體流動通道的熱端基板與冷端基板平行，且所述含液體流動通道的熱端基板與冷端基板之間有交替排列的p型半導體和n型半導體，所述冷端基板的外表面設置有第三電路層，用于與功率半導體芯片相連。
4、可選的，所述熱端基板的內表面緊貼有第一電路層，所述冷端基板的內表面緊貼有第二電路層，所述第二電路層與所述p型半導體和n型半導體的一端面通過第二焊料層連接，所述第一電路層與所述p型半導體和n型半導體另一端面通過第一焊料層連接。
5、可選的，所述第三電路層與所述功率半導體芯片通過第三焊料層和鍵合引線連接、與功率端子通過所述第三焊料層連接。
6、可選的，所述液體流動通道為圓形，直徑為0.2-3.0mm，所述液體流動通道內設有冷卻液，冷卻液為水、礦物油、電子氟化液中的一種。
7、可選的，所述熱端基板和所述冷端基板均為陶瓷材料，陶瓷材料為氧化鋁、氮化鋁、氮化硅中的一種，所述熱端基板厚度為1.0～5.0mm，所述冷端基板厚度為0.5～1.0mm。
8、可選的，所述p型半導體和n型半導體內部電流方向相反，形成上下溫差，所述p型半導體和n型半導體高度均為0.8～2.5mm。
9、可選的，所述第一焊料層、第二焊料層、第三焊料層焊料為納米銀、納米銅、金錫、錫鉛、錫銀銅、錫鉍中的一種或幾種。
10、本專利技術還提供了一種功率半導體器件高效主動散熱結構的制備方法，包括：
11、將p型半導體和n型半導體一表面通過第一焊料層與含液體流動通道的熱端基板一表面通過第一電路層連接；
12、將所述p型半導體和n型半導體另一表面通過第二焊料層與所述冷端基板一表面第二電路層連接；
13、將功率半導體芯片和功率端子表面通過第三焊料層與冷端基板另一表面的第三電路層連接；
14、將所述功率半導體芯片表面通過鍵合引線與冷端基板另一表面第三電路層實現電連接，獲取功率半導體器件高效主動散熱結構。
15、本專利技術的有益效果為：本專利技術針對現有半導體制冷器熱端基板底部仍需連接冷卻裝置帶來的體積增大和接觸熱阻增加等問題，提出在熱端基板內部集成液體流動通道對其進行原位散熱的技術方案。該方法可極大提升半導體制冷器熱端基板的散熱效率，縮減散熱器尺寸并避免熱界面材料引起的接觸熱阻，實現器件級高效主動散熱。此外，本專利技術通過在冷端基板頂部設置電路層，可將功率半導體芯片與冷端基板通過焊料直接進行連接，節省功率芯片下基板材料和成本，并避免引入過多界面帶來的接觸熱阻，從而形成功率芯片與散熱器的一體化集成方案。
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【技術保護點】
1.一種功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，包括：含液體流動通道的熱端基板(10)、冷端基板(16)，所述含液體流動通道的熱端基板(10)與冷端基板(16)平行，且所述含液體流動通道的熱端基板(10)與冷端基板(16)之間有交替排列的P型半導體(17)和N型半導體(18)，所述冷端基板(16)的外表面設置有第三電路層(19)，用于與功率半導體芯片(22)相連。
2.根據權利要求1所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述熱端基板(10)的內表面緊貼有第一電路層(12)，所述冷端基板(16)的內表面緊貼有第二電路層(15)，所述第二電路層(15)與所述P型半導體(17)和N型半導體(18)的一端面通過第二焊料層(14)連接，所述第一電路層(12)與所述P型半導體(17)和N型半導體(18)另一端面通過第一焊料層(13)連接。
3.根據權利要求2所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述第三電路層(19)與所述功率半導體芯片(22)通過第三焊料層(21)和鍵合引線(20)連接、與功率端子(23)通過所述第三焊料層(21)連接。</p>4.根據權利要求1所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述液體流動通道(11)為圓形，直徑為0.2-3.0mm，所述液體流動通道(11)內設有冷卻液，冷卻液為水、礦物油、電子氟化液中的一種。
5.根據權利要求1所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述熱端基板(10)和所述冷端基板(16)均為陶瓷材料，陶瓷材料為氧化鋁、氮化鋁、氮化硅中的一種，所述熱端基板(10)厚度為1.0～5.0mm，所述冷端基板(16)厚度為0.5～1.0mm。
6.根據權利要求1所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述P型半導體(17)和N型半導體(18)內部電流方向相反，形成上下溫差，所述P型半導體(17)和N型半導體(18)高度均為0.8～2.5mm。
7.根據權利要求3所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述第一焊料層(13)、第二焊料層(14)、第三焊料層(21)焊料為納米銀、納米銅、金錫、錫鉛、錫銀銅、錫鉍中的一種或幾種。
8.根據權利要求1-7任一項所述的功率半導體器件高效主動散熱結構的制備方法，其特征在于，包括：
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【技術特征摘要】
1.一種功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，包括：含液體流動通道的熱端基板(10)、冷端基板(16)，所述含液體流動通道的熱端基板(10)與冷端基板(16)平行，且所述含液體流動通道的熱端基板(10)與冷端基板(16)之間有交替排列的p型半導體(17)和n型半導體(18)，所述冷端基板(16)的外表面設置有第三電路層(19)，用于與功率半導體芯片(22)相連。
2.根據權利要求1所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述熱端基板(10)的內表面緊貼有第一電路層(12)，所述冷端基板(16)的內表面緊貼有第二電路層(15)，所述第二電路層(15)與所述p型半導體(17)和n型半導體(18)的一端面通過第二焊料層(14)連接，所述第一電路層(12)與所述p型半導體(17)和n型半導體(18)另一端面通過第一焊料層(13)連接。
3.根據權利要求2所述的功率半導體器件高效主動散熱結構，其特征在于，所述第三電路層(19)與所述功率半導體芯片(22)通過第三焊料層(21)和鍵合引線(20)連接、與功率端子(23)通過所述第三焊料層(21)連接。
4.根...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳材，呂葳杉，劉佳欣，鄭澤祥，韋蘇航，呂堅瑋，康勇，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：
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