[发明专利]高导热性相变温控复合封装基板的制备方法

说明书

本发明公开了一种高导热性相变温控复合封装基板的制备方法，利用本发明方便地将低熔点合金固态相变材料直接集成在LTCC‑AlN复合基板内，形成集成度高、导热率高的相变温控装置，本发明通过下述技术方案予以实现：在多层AlN生瓷片的中间AlN生瓷片上制出相变温控腔，再经叠层等静压共烧，形成内嵌相变温控腔夹层的氮化铝AlN基板；并在LTCC生瓷片基板上制出以矩阵分布的电子元件安装腔体，再将AlN基板和LTCC生瓷片基板层压一体，进行共烧，形成可以埋入电子有源器件的LTCC‑AlN复合基板，最后将低熔点合金固态相变材料加热熔化至液态并灌注到复合基板的相变温控腔内，并通过密封盖板进行密封,完成高导热性相变温控复合基板的制备。

技术领域

本发明涉及一种可用于半导体致冷器、电子加热器、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、汽车电子、航天航空及军用电子组件，太阳能电池板组件，激光等多项工业电子领域内嵌相变材料的高导热复合基板的制备方法、尤其是涉及一种内嵌相变材料的高导热复合基板的结构及其制备方法。

背景技术

随着电子设备朝着高功率、小型化、高集成度的方向发展，现阶段高性能的设备热流密度急剧增大，电子产品单位体积内电子元器件尤其是芯片的功耗和密度都越来越高，但是对散热的需求却丝毫不减，对电子产品的金属基板的散热性要求较高。传统的风冷、液冷等散热方式很难满足电子元器件日益增加的散热要求和高集成度要求。虽然目前有通过微流管道散热的研究，但这样做会降低工艺灵活性并限制布线密度的提高。通常散热基板材料是由铝金属板、附在金属板上的导热性绝缘层、铜箔三种主要材料所构成的。完成金属基覆铜板制作后，再经对金属基覆铜板上的铜箔进行蚀刻加工，而制成导电电路图形，最后形成散热基板。自制的金属基覆铜板的绝缘层，其本体树脂是环氧树脂。在树脂中添加了高导性的无机填料。这个绝缘层的散热功效，可以达到一般氧化铝陶瓷基板材料的热阻性能水平。由于电路基板PCB上安装的元件会发热，为了提高基板的散热效果，现有技术采用高导热复合陶瓷基板或在玻璃布复合基板材料中大量填充粒径不同的各种无机氧化物，以提高覆铜板导热率。高导热复合陶瓷基板是新一代高功率陶瓷基板材料。使用真空等离子体增强沉积技术(PVD)在现有成熟Al₂O₃陶瓷基板表面上沉积AlN或金属涂层而制成的一种电子基础材料。因其具有很高的性价比，为中高端产品极大地降低生产成本。高导热复合陶瓷基板具有极好的热循环性、形状稳定、刚性好、导热率高、可靠性高，可以直接刻蚀出各种电路的特点，制备过程无污染、绿色环保。可在-30℃～600℃使用。在业界中，在解决基板材料高导热性方面，一般是采用在树脂组成物中添加陶瓷类等的无机填料的手段。过去，传统所用的封装基板是陶瓷类基板，而近年已经逐渐被这类环氧树脂作绝缘层的有机封装金属基散热基板所替代。后者在实现高散热性、高可靠性、低成本方面特性优于陶瓷类基板。树脂工艺配方制作的高导热性基板材料，往往它的柔韧性受损，从而会在绝缘可靠性、基材与电路的粘接两方面的PCB性能上有所下降。就布线密度而言，LTCC是目前最适合的多层基板制造技术，但LTCC难以制作完整的金属层和实心地或整块平面金属散热层，低温共烧陶瓷LTCC难以进行大尺寸加工，使得其生产成本较高，且不能用来制作大面积的高低频复合母版；当集成密度越来越高以后，LTCC只能依靠陶瓷自身的导热能力和散热通孔进行散热。虽然LTCC名字中有低温两字，但是其烧结温度也高达850°，难以在LTCC内部埋入热敏感的有源器件；受生瓷材料性能的限制，LTCC的介电常数相对较高，难以满足超高频段如毫米波频段的应用。LTCC利用AlN涂层的高导热特性，芯片所产生的热量沿基板表面快速扩散，然后于大面积使热量扩散通过Al₂O₃基板，从而有效地改善陶瓷基板散热能力。在同一树脂组成的金属基CCL中，绝缘层的厚度也对基板的导热性有很大的关联。太厚的绝缘层构成的金属基CCL在导热性上表现得比薄型绝缘层基CCL的相对恶劣。下一代的高导热性基板材料是底基板用铝板厚度很薄，从原来的1.0mm减薄到0.23mm，底基铝板采用更薄型，由于介质厚度变薄会使特性阻抗下降，一般会给整个铝基CCL的压制成型加工带来工艺性的困难。而薄型绝缘层，尽管它可提高整个金属基CCL的导热性有所贡献，但它也需要克服由绝缘层的减薄而带来的基材耐电压下降的问题出现。为了提高金属基CCL的高导热性，在此板的绝缘层的树脂组成中加入高导热性的填料。在填料种类的选择上，大多数的金属基CCL生产企业是采用了Al₂O₃填料。在绝缘层中加入Al₂O₃填料的铝基CCL，在PCB加工中，对模具的磨耗很大，大大地减少了它在PCB加工中的使用寿命。需要解决芯片或片式元件，在安装在金属基CCL所制的散热基板上时,容易发生的焊接部位开裂。近年来，由于铝材的热膨胀系数(CTE)过高，在它作为散热基板用高导热性基板材料中(一般作为底基材)，往往由此性能缺陷而造成在基板在受热冲击时而出现铝板与绝缘基材分层、开裂等问题。为了应对散热基板需求量迅速增加的市场变化，近年来在芯片搭载在基板上的设计，追求在一块基板上搭载多个发光颜色不同的多个芯片安装形式。这样，它的封装基板的电路就变得更为复杂，对基板的耐热性也提出了更高的要求。这种新的严历要求，对于一般有机树脂类覆铜板(如一般白色FR-4板)来说是无法胜任的，同时，由于大部分有机材料都具有吸水性，无法形成气密封装，由此，在近几年中出现一些用白色有机树脂类CCL被耐热性更高的陶瓷类散热基板所替代的现象。使用陶瓷基散热基板在加工性和成本性上变差，这也成为了在采用这类基板的两大缺陷。