一种覆铜陶瓷基板散热器及其制备方法与流程

1.本发明属于散热领域，尤其涉及一种覆铜陶瓷基板散热器及其制备方法。


背景技术：

2.由于覆铜陶瓷基板热膨胀系数同芯片主要成分硅相近(7.1ppm/k)，广泛应用于大功率电力半导体模块，功率控制电路，功率混合电路，智能功率组件，高频开关电源，固态继电器，汽车电子，太阳能电池板组件，电讯专用交换机，接收系统，激光等多项工业电子领域。并且随着电力电子技术的发展，新型器件封装方向采用模块化，结构更加简单，使模块热阻减小、电流容量大大提高。其中覆铜陶瓷基板更是关键材料，良好的热导率使功率芯片能够更密集安装，但同时产生更大的热量。器件通常散热路径为芯片-芯片焊接层-覆铜陶瓷基板-焊接层-基板-热界面材料-散热器。整个传导过程中存在多层热阻，必然影响器件散热效果，要想增强散热效果，减小热阻是最主要的方法。


技术实现要素：

3.本发明为了解决上述问题，提供了一种覆铜陶瓷基板散热器及其制备方法，将以覆铜陶瓷基板为主体制成水冷散热模块，并通过双基板对称分布设计降低模块翘曲值，获得更好的平面度。并且基板底部制成水冷通道，极大缩短了热源的垂直方向的散热路径，减小了热阻，提高了模块散热性能。
4.本发明的技术方案是：一种覆铜陶瓷基板散热器，包括顶部覆铜陶瓷基板、中间铜片和底部覆铜陶瓷基板；
5.所述顶部覆铜陶瓷基板包括烧结为一体的顶层的第一铜片、中层的第一陶瓷片和底层的第二铜片，所述第一铜片上蚀刻形成图形面，所述第二铜片上蚀刻形成水冷通道，所述顶部覆铜陶瓷基板的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第一限位孔；
6.所述中间铜片上蚀刻形成有两个第一水冷进出口，中间铜片的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第二限位孔；
7.所述底部覆铜陶瓷基板包括烧结为一体的顶层的第三铜片、中层的第二陶瓷片和底层的第四铜片，所述底部覆铜陶瓷基板上蚀刻形成有两个与两个第一水冷进出口一一对应的第二水冷进出口，所述底部覆铜陶瓷基板的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第三限位孔；
8.所述顶部覆铜陶瓷基板、中间铜片和底部覆铜陶瓷基板通过第一限位孔、第二限位孔和第三限位孔贯通连接后固定烧结为一体。
9.进一步的，所述第一铜片、第二铜片、第三铜片和第四铜片的厚度一致，所述第一陶瓷片和第二陶瓷片的厚度一致，翘曲率＜0.2％。
10.进一步的，所述第一铜片、第二铜片、第三铜片、第四铜片和中间铜片均为无氧铜，厚度0.2～0.6mm。
11.进一步的，所述第一陶瓷片和第二陶瓷片的厚度0.2～0.6mm。
12.本发明还提供一种覆铜陶瓷基板散热器的制备方法，具体步骤如下：
13.步骤一、采用覆铜陶瓷工艺制备顶部覆铜陶瓷基板和底部覆铜陶瓷基板；所述顶部覆铜陶瓷基板包括烧结为一体的顶层的第一铜片、中层的第一陶瓷片和底层的第二铜片，所述第一铜片上蚀刻形成图形面，所述第二铜片上蚀刻形成水冷通道，所述顶部覆铜陶瓷基板的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第一限位孔；所述底部覆铜陶瓷基板包括烧结为一体的顶层的第三铜片、中层的第二陶瓷片和底层的第四铜片，所述底部覆铜陶瓷基板的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第三限位孔；
14.步骤二、在中间铜片上蚀刻形成有两个水冷进出口，中间铜片的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第二限位孔；对中间铜片进行双面氧化；
15.步骤三、按顶部覆铜陶瓷基板-中间铜片-底部覆铜陶瓷基板结构堆叠，通过第一限位孔、第二限位孔和第三限位孔固定位置，将顶部覆铜陶瓷基板背面与底部覆铜陶瓷基板顶面跟中间铜片两面相接触，经过烧结完成键合。
16.进一步的，步骤二中所述对中间铜片进行双面氧化：在空气气氛中，500-510℃保温4min；690-700℃，保温4min；790-800℃，保温4min；800-910℃，保温20min，完成氧化。
17.进一步的，步骤三中所述烧结：在惰性气体氛围下，980-1000℃，保温15min；1065-1083℃，保温40min完成烧结。
18.本发明的有益效果是：提供了一种覆铜陶瓷基板散热器及其制备方法，将以覆铜陶瓷基板为主体制成水冷散热模块，并通过双基板对称分布设计降低模块翘曲值，获得更好的平面度。并且基板底部制成水冷通道，极大缩短了热源的垂直方向的散热路径，减小了热阻，提高了模块散热性能。
附图说明
19.图1为覆铜陶瓷基板散热器截面示意图；
20.图2为顶部覆铜陶瓷基板散热器正面结构示意图；
21.图3为顶部覆铜陶瓷基板散热器反面结构示意图；
22.图4为中间铜片结构示意图；
23.图5为底部覆铜陶瓷基板结构示意图。
24.图中：1为顶部覆铜陶瓷基板，2为中间铜片，3为底部覆铜陶瓷基板，11为图形面，12为水冷通道，13为第一限位孔，21为第一水冷进出口，22为第二限位孔，31为第二水冷进出口，32为第三限位孔。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步的说明。
26.如图1-5所示，一种覆铜陶瓷基板散热器，包括顶部覆铜陶瓷基板1、中间铜片2和底部覆铜陶瓷基板3。
27.所述顶部覆铜陶瓷基板1包括烧结为一体的顶层的第一铜片、中层的第一陶瓷片和底层的第二铜片，所述第一铜片上蚀刻形成图形面11，所述第二铜片上蚀刻形成水冷通道12，所述顶部覆铜陶瓷基板1的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第一限位孔13。
28.所述中间铜片2上蚀刻形成有两个第一水冷进出口21，中间铜片2的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第二限位孔22。
29.所述底部覆铜陶瓷基板3包括烧结为一体的顶层的第三铜片、中层的第二陶瓷片和底层的第四铜片，所述底部覆铜陶瓷基板3上蚀刻形成有两个与两个第一水冷进出口21一一对应的第二水冷进出口31，所述底部覆铜陶瓷基板3的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第三限位孔33。
30.所述顶部覆铜陶瓷基板1、中间铜片2和底部覆铜陶瓷基板3通过第一限位孔13、第二限位孔22和第三限位孔33贯通连接后固定烧结为一体。
31.所述第一铜片、第二铜片、第三铜片和第四铜片的厚度一致，所述第一陶瓷片和第二陶瓷片的厚度一致，翘曲率＜0.2％。
32.将0.38mm氧化铝陶瓷，0.2mm铜片通过材料清洗、氧化烧结获得无图形的0.2/0.38/0.2结构覆铜陶瓷基板。再经过酸洗、微蚀、超声水洗、烘干程序对覆铜陶瓷基板进行贴膜、曝光、显影、刻蚀，根据不同结构菲林曝光获得顶部覆铜陶瓷基板1与底部覆铜陶瓷基板3。顶部陶瓷基板1包括正常图形面11、第一限位孔13与背面水冷通道12。底部镀铜陶瓷基板3包括水冷进出口31、第三限位孔32。同时使用0.2mm铜片用相同底部结构菲林制备中间铜片2，包括水冷进出口21、第二限位孔22。接着对刻蚀完成的基板进行激光切割，底部覆铜陶瓷基板进出口31切割线设计与铜边距离0.9mm，限位孔32切割线设计与铜边距离0.5mm。激光切割过程，包括陶瓷面进出口、限位孔切割，其中进出口切割直径小于蚀刻孔直径1.5-2mm，限位孔切割直径小于蚀刻孔直径0.6-1mm。之后将中间铜片2单独进行双面氧化，在空气气氛中，510℃保温4min。700℃，保温4min。800℃，保温4min。900℃，保温20min，完成氧化。最后将顶部覆铜陶瓷基板1-中间铜片2-底部覆铜陶瓷基板3按结构堆叠，通过限位孔13、22、32固定位置，顶部覆铜陶瓷基板背面12与底部覆铜陶瓷基板3一面跟中间铜片2接触，在惰性气体氛围下，980℃，保温15min。1080℃，保温40min经过烧结完成键合。
33.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种覆铜陶瓷基板散热器，其特征在于：包括顶部覆铜陶瓷基板(1)、中间铜片(2)和底部覆铜陶瓷基板(3)；所述顶部覆铜陶瓷基板(1)包括烧结为一体的顶层的第一铜片、中层的第一陶瓷片和底层的第二铜片，所述第一铜片上蚀刻形成图形面(11)，所述第二铜片上蚀刻形成水冷通道(12)，所述顶部覆铜陶瓷基板(1)的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第一限位孔(13)；所述中间铜片(2)上蚀刻形成有两个第一水冷进出口(21)，中间铜片(2)的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第二限位孔(22)；所述底部覆铜陶瓷基板(3)包括烧结为一体的顶层的第三铜片、中层的第二陶瓷片和底层的第四铜片，所述底部覆铜陶瓷基板(3)上蚀刻形成有两个与两个第一水冷进出口(21)一一对应的第二水冷进出口(31)，所述底部覆铜陶瓷基板(3)的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第三限位孔(33)；所述顶部覆铜陶瓷基板(1)、中间铜片(2)和底部覆铜陶瓷基板(3)通过第一限位孔(13)、第二限位孔(22)和第三限位孔(33)贯通连接后固定烧结为一体。2.根据权利要求1所述的一种覆铜陶瓷基板散热器，其特征在于：所述第一铜片、第二铜片、第三铜片和第四铜片的厚度一致，所述第一陶瓷片和第二陶瓷片的厚度一致，翘曲率＜0.2％。3.根据权利要求1或2所述的一种覆铜陶瓷基板散热器，其特征在于：所述第一铜片、第二铜片、第三铜片、第四铜片和中间铜片(2)均为无氧铜，厚度0.2～0.6mm。4.根据权利要求1或2所述的一种覆铜陶瓷基板散热器，其特征在于：所述第一陶瓷片和第二陶瓷片的厚度0.2～0.6mm。5.一种覆铜陶瓷基板散热器的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、采用覆铜陶瓷工艺制备顶部覆铜陶瓷基板和底部覆铜陶瓷基板；所述顶部覆铜陶瓷基板包括烧结为一体的顶层的第一铜片、中层的第一陶瓷片和底层的第二铜片，所述第一铜片上蚀刻形成图形面，所述第二铜片上蚀刻形成水冷通道，所述顶部覆铜陶瓷基板的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第一限位孔；所述底部覆铜陶瓷基板包括烧结为一体的顶层的第三铜片、中层的第二陶瓷片和底层的第四铜片，所述底部覆铜陶瓷基板的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第三限位孔；步骤二、在中间铜片上蚀刻形成有两个水冷进出口，中间铜片的四个拐角处蚀刻形成有4个自上而下贯通的第二限位孔；对中间铜片进行双面氧化；步骤三、按顶部覆铜陶瓷基板-中间铜片-底部覆铜陶瓷基板结构堆叠，通过第一限位孔、第二限位孔和第三限位孔固定位置，将顶部覆铜陶瓷基板背面与底部覆铜陶瓷基板顶面跟中间铜片两面相接触，经过烧结完成键合。6.根据权利要求5所述的一种覆铜陶瓷基板散热器的制备方法，其特征在于：步骤二中所述对中间铜片进行双面氧化：在空气气氛中，500-510℃保温4min；690-700℃，保温4min；790-800℃，保温4min；800-910℃，保温20min，完成氧化。7.根据权利要求5所述的一种覆铜陶瓷基板散热器的制备方法，其特征在于：步骤三中所述烧结：在惰性气体氛围下，980-1000℃，保温15min；1065-1083℃，保温40min完成烧结。

技术总结
本发明公开了一种覆铜陶瓷基板散热器，包括顶部覆铜陶瓷基板、中间铜片和底部覆铜陶瓷基板；所述顶部覆铜陶瓷基板包括烧结为一体的顶层的第一铜片、中层的第一陶瓷片和底层的第二铜片，所述第一铜片上蚀刻形成图形面，所述第二铜片上蚀刻形成水冷通道；所述中间铜片上蚀刻形成有两个第一水冷进出口；所述顶部覆铜陶瓷基板、中间铜片和底部覆铜陶瓷基板固定烧结为一体。将以覆铜陶瓷基板为主体制成水冷散热模块，并通过双基板对称分布设计降低模块翘曲值，获得更好的平面度。并且基板底部制成水冷通道，极大缩短了热源的垂直方向的散热路径，减小了热阻，提高了模块散热性能。提高了模块散热性能。提高了模块散热性能。


技术研发人员：周轶靓 季成龙 王斌 吴承侃
受保护的技术使用者：上海富乐华半导体科技有限公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/19