一种微流道热电制冷器的高功率器件封装结构及其制备方法

摘要

本发明专利公开了一种微流道热电制冷器的高功率器件封装结构及其制备方法，封装结构包括盖板、高功率器件、粘接密封层和微流道热电制冷器。所述高功率器件固晶在所述微流道热电制冷器的上基板线路层上，打金线连接所述高功率器件和所述微流道热电制冷器，实现封装结构内外部的电气互连；所述盖板四周均匀粘接密封层，用于连接所述盖板和所述微流道热电制冷器，形成密闭的腔体结构；所述微流道热电制冷器包括上基板、PN型热电粒子、下基板和金属框，所述金属框用于连接所述微流道热电制冷器上下基板以形成腔体结构，PN型热电粒子间的空隙则形成微流道。本发明专利通过热电粒子和微流道的双重制冷作用，将高功率器产生的大量热量迅速耗散，提高封装结构散热能力，从而提升器件性能表现和延长寿命。

说明书

技术领域

本发明属于半导体封装技术相关领域，更具体地，涉及一种集成微流道和热电制冷器的高功率器件封装制造方法。

背景技术

随着半导体技术发展和应用场景延伸，电子产品朝着小型化、多功能化、集成化和高功率化等方向发展，器件功率密度和工作温度不断提升，使得器件长期工作在高温等恶劣环境中，从而严重影响器件使用寿命和性能表现。迫切开发新型散热技术降低器件结温、保证器件高质量和高可靠运行工作。

热电制冷器和微流道是应用最为广泛的冷却技术，具有结构紧凑、易集成和制冷效果优良等优势，广泛应用于武器装备、航空航天、电子电力和生物医疗等领域。目前技术方案是单独将热电制冷器或微流道焊接在高功率器件封装结构的外部，器件产生的热量必须通过封装基板和焊接层才能传递进入热电制冷器或微流道结构内部，热传递路径较长、界面热阻较高，从而影响了器件的整体散热能力。此外，通常单独采用热电制冷器和微流道对高功率器件散热效果有效，难以满足超大功率器件和阵列功率器件对散热的要求。

发明专利内容

针对现有技术不足或改进需求，本发明专利提供了一种微流道热电制冷器的高功率器件封装结构及其制备方法，解决高功率器件高效散热问题。具体而言，采用焊料连接层连接PN型热电粒子和金属框与上基板和下基板，P型热电粒子和N型热电粒子间的间隔空间可作为微流体通道，金属框通过焊料连接层与上下基板形成四周封闭的微流体结构，从而获得微流道热电制冷器。微流道热电制冷器工作时，可同时产生热电制冷和微流道制冷的双重效果，从而大幅度提高散热效果。此外，本发明是将高功率器件直接贴装在微流道热电制冷器上基板的线路层上，完全去除了传统封装结构对封装基板和固晶层等结构，缩短了热传递路径，可有效降低器件热阻和结温，提高封装结构散热能力和集成度。

相应地，按照本发明专利的一个方面，提供了一种微流道热电制冷器的高功率器件封装结构及其制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(i)通过印刷方式在所述上基板和所述下基板的线路层上均匀印刷所述焊料连接层；

(ii)将所述热电粒子和所述金属框与所述上基板和所述下基板的线路层进行对准贴放；

(iii)通过焊接方式将所述焊料连接层熔化，将所述热电粒子和所述金属框焊接在所述上基板和所述下基板之间，从而获得微流道热电制冷器；

(iv)所述高功率器件固晶在所述微流道热电制冷器的上基板线路层，打金线连接所述高功率器件和所述微流道热电制冷器，实现封装结构内外部的电气互连。

(v)所述盖板四周均匀涂覆粘接密封层，用于连接所述盖板和所述微流道热电制冷器，形成密闭的腔体结构，获得集成微流道热电制冷器的高功率器件封装结构。

进一步的，在步骤(i)中，所述PN型热电粒子材质为碲化铋，高度为0.5-20mm，长度和宽度为0.1-5mm，热电粒子的间隔距离(微流道宽度)为0.04-5mm。

进一步的，在步骤(i)中，所述微流道介质为空气、水、乙二醇或纳米流体。

进一步的，在步骤(i)中，所述金属框材质为铁、铝、铜、银或镍等，高度与所述PN型热电粒子的高度相同，为0.5-20mm。

进一步的，在步骤(i)中，所述焊料连接层为金-锡焊料、铜-锡焊料、镍-锡焊料、锡-银-铜焊料、锡铋焊料或纳米金属焊料，焊料层厚度为5-100μm，焊接方式为电磁感应、激光、超声或回流焊。

进一步的，在步骤(ii)中，所述高功率器件为大功率LED器件、激光器(LD)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

进一步的，在步骤(iii)中，所述盖板材质为蓝宝石、石英玻璃、可伐合金和纯金属等，盖板凹腔深度为1-40mm，盖板凹腔壁厚为0.5-10mm。

进一步的，在步骤(iii)中，所述基板为陶瓷基板(氧化铝、氮化铝)、树脂基板(PCB)或金属基板(铝、铜、铁)等，厚度为0.4-1.2mm，基板线路层通过半导体工艺制备，线路层体系为Cu-Ni-Pd-Au、Ti-Cu-Au或Ti-Cu-Ni-Au等。

进一步的，在步骤(iii)中，所述粘接密封层为无铅焊料、导电银胶、无机粘接胶或UV固化胶，厚度为10-500μm。

总体而言，通过本发明专利所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的微流道热电制冷器的高功率器件封装结构及其制备方法主要具有以下技术优势：

(1)利用热电制冷和微流道制冷的双重作用，大幅度提高封装结构散热能力，满足高功率器件高效散热需求，从而降低器件结温，并提升器件性能表现和延长器件寿命。

(2)高功率器件直接贴装在微流道热电制冷器上表面，去除了封装基板和降低了固晶材料的使用，缩短了热传递路径，不仅能降低封装制造成本，还能提高封装结构集成度

(3)封装结构制造工艺与现有半导体封装工艺相兼容，制备方法相对简单、结构紧凑，实用性和适用性较强。

附图说明

图1是本发明专利提供的一种微流道热电制冷器的高功率器件封装结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。此外，下面所描述的本发明专利各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

请参阅图1，该实施例1提供了一种微流道热电制冷器的高功率器件封装结构及其制备方法，其作为示范可包括以下步骤：

步骤1，通过钢印印刷方法在上层氧化铝陶瓷基板18和下层氮化铝陶瓷基板15的线路层上均匀印刷铜-锡焊料连接层13，线路层体系为Ti-Cu-Au，焊料连接层厚度为100μm；

步骤2，将碲化铋热电粒子19和铜质金属框14与上层氧化铝陶瓷基板18和下层氮化铝陶瓷基板15的线路层进行对准贴放，碲化铋热电粒子的高度为2mm，长度和宽度为0.3mm，热电粒子的间隔距离(微流道宽度)为0.2mm；

步骤3，通过激光焊接方式将铜-锡焊料连接层13熔化，将碲化铋热电粒子19和铝质金属框14焊接在上层氮化铝陶瓷基板18和下层氮化铝陶瓷基板15之间，从而获得微流道热电制冷器；

步骤4，将高功率LD器件17固晶在微流道热电制冷器的上层氮化铝陶瓷基板18的线路层上，通过打金线16连接高功率LD器件和微流道热电制冷器，实现封装结构内外部的电气互连；

步骤5，将石英玻璃盖板11的四周均匀涂覆上导电银胶粘接密封层12，厚度为200μm，用于连接石英玻璃盖板和微流道热电制冷器，热固化后形成密闭的腔体结构，从而获得集成微流道热电制冷器的高功率LD器件封装结构。

实施例2

请参阅图1，该实施例1提供了一种低热阻、高光效UVC-LED封装制造方法，其作为示范可包括以下步骤：

步骤1，通过丝网印刷方法在上层氧化铝陶瓷基板18和下层铜金属基板15的线路层上均匀印刷纳米银焊料连接层13，线路层体系为Cu-Ni-Au，焊料连接层厚度为100μm；

步骤2，将碲化铋热电粒子19和铜质金属框14与上层氧化铝陶瓷基板18和下层铜金属基板15的线路层进行对准贴放，碲化铋热电粒子的高度为3mm，长度和宽度为0.5mm，热电粒子的间隔距离(微流道宽度)为0.5mm；

步骤3，通过电磁感应方式将纳米银焊料连接层13熔化，将碲化铋热电粒子19和铜质金属框14焊接在上层氧化铝陶瓷基板18和下层铜质基板15之间，从而获得微流道热电制冷器；

步骤4，将IGBT器件17固晶在微流道热电制冷器的上层氧化铝瓷基板18的线路层上，通过打金线16连接高功率IGBT器件和微流道热电制冷器，实现封装结构内外部的电气互连；

步骤5，将可伐合金盖板11的四周均匀涂覆上无铅焊料粘接密封层12，厚度为50μm，用于连接可伐合金盖板和微流道热电制冷器，回流焊后形成密闭的腔体结构，从而获得集成微流道热电制冷器的IGBT器件封装结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。