一种三维封装碳化硅功率模块及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种三维封装碳化硅功率模块及其制作方法，三维封装碳化硅功率模块包括碳化硅基板，碳化硅基板内设多个第一特斯拉阀通道，第一特斯拉阀通道的槽底设有连接介电泳电极电路的金电极阵列，处于正向特斯拉阀通道的弧形侧流道的入口处的金电极阵列通低频移相交流电以产生行波电渗流，在弧形侧流道的拐角及出口处的金电极阵列通高频移相交流电以产生行波介电泳。金电极阵列通移相交变电压信号后，在弧形侧流道内形成有序行波形态非线性交变电场，使气液两相不均匀极化后受到电场力净力不为0，改变气液表面张力弛豫过程，促使气泡脱附，实现对高曲率弧形侧流道内的沸腾气泡有序驱离，增强了特斯拉阀结构两相散热效能和稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种三维封装碳化硅功率模块及其制作方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种内嵌特斯拉阀或具有特斯拉阀通道的三维封装碳化硅功率模块及其制作方法。

技术介绍

[0002]高功率器件主要用来处理电路中的变频、变压、变流、功率管理等动作，典型的功率器件有超大功率晶闸管、电子注入增强栅晶体管、碳化硅功率器件等。利用碳化硅器件的耐高温、耐高压和高频特性可实现高功率模块的功率密度提升、效率提升和成本降低。由于三维封装具有体积小、重量轻、超低感值电互联等诸多优点，高功率器件三维封装是进一步提升碳化硅功率模块微型化、高频化、集成化的有效手段。
[0003]随着碳化硅功率模块功率密度不断提升，局部热流密度急剧提高到kW/cm2量级。如何在保证器件有效散热的同时实现集成器件的匀温环境(
±
5℃)成为亟需解决的瓶颈问题。在高功率器件三维封装中集成内嵌液冷散热结构成为解决上述问题的主要途径之一。相较于微喷、薄膜蒸发、平面热管等两相散热技术，流动沸腾技术可在百微米尺度封闭空间内实现单相流、两相流和多相流等不同增强传热模式操作，且易与微纳加工工艺兼容，已成为高功率器件散热最具潜力的解决方案之一。
[0004]由于高热流密度下，微观尺度两相流气液相界面受到沸腾过程影响而扰动剧烈，沸腾气泡积聚易造成固液传热界面干涸，导致流动失稳，产生逆向流动，进而恶化传热稳定性，目前尚无直接有效的主动调控手段诱导气液相界面发展，阻碍了内嵌微流相变散热技术在高功率器件封装领域的推广与应用。

技术实现思路
r/>[0005]为此，本专利技术提供一种内嵌特斯拉阀或具有特斯拉阀通道的三维封装碳化硅功率模块及其制作方法，以大幅提升高功率器件三维封装内嵌两相传热的性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]本专利技术第一方面提供了一种三维封装碳化硅功率模块，包括碳化硅基板，碳化硅基板内设多个第一特斯拉阀通道，第一特斯拉阀通道的槽底设有连接介电泳电极电路的金电极阵列，处于正向特斯拉阀通道的弧形侧流道的入口处的金电极阵列通低频移相交流电以产生行波电渗流，在弧形侧流道的拐角及出口处的金电极阵列通高频移相交流电以产生行波介电泳。
[0008]进一步地，碳化硅基板包括第一基板和第二基板，第一基板下侧面和第二基板上侧面均刻蚀有多个相对应的特斯拉阀通道形式的凹槽，第一基板和第二基板采用等离子低温工艺键合以使两者的凹槽形成第一特斯拉阀通道。
[0009]进一步地，金电极表面涂敷有绝缘光刻胶。
[0010]进一步地，第一特斯拉阀通道均为多级的特斯拉阀通道，多个第一特斯拉阀通道平行且正反向交替设置。
[0011]进一步地，还包括金刚石铜冷板，金刚石铜冷板内设有多个多级的第二特斯拉阀通道，多个第二特斯拉阀通道平行且正反向交替设置；金刚石铜冷板固定在碳化硅基板下，第一特斯拉阀通道与第二特斯拉阀通道相连通。
[0012]进一步地，金刚石铜冷板包括第一冷板和第二冷板，第一冷板下侧的铜层和第二冷板上侧的铜层均加工有多个相对应的特斯拉阀通道形式的铜槽道，第一冷板和第二冷板通过焊接固定并使两者的铜槽道形成第二特斯拉阀通道。
[0013]进一步地，特斯拉阀通道侧流道弧度为80
°
，弧外半径为1.1mm；在碳化硅基板内设置4个第一特斯拉阀通道，在金刚石铜冷板内设置8个第二特斯拉阀通道。
[0014]进一步地，还包括铜垫片和功率器件，铜垫片固定在碳化硅基板上，功率器件固定在铜垫片上。
[0015]本专利技术第二方面提供了一种三维封装碳化硅功率模块的制作方法，用于制作本专利技术第一方面所述的三维封装碳化硅功率模块，包括如下步骤：
[0016]步骤S1，制作内含多个第一特斯拉阀通道的碳化硅基板，在第一特斯拉阀通道的槽底设置连接介电泳电极电路的金电极阵列，其中，处于正向特斯拉阀通道的弧形侧流道的入口处的金电极阵列通低频移相交流电，在弧形侧流道的拐角及出口处的金电极阵列通高频移相交流电；
[0017]步骤S2，制作内含多个第二特斯拉阀通道的金刚石铜冷板；
[0018]步骤S3，将铜垫片固定在碳化硅基板上，将功率器件固定在铜垫片上；将金刚石铜冷板固定在碳化硅基板下。
[0019]进一步地，
[0020]步骤S1包括如下步骤：
[0021]步骤S11，在第一基板下侧面和第二基板上侧面刻蚀多个相对应的特斯拉阀通道形式的凹槽；
[0022]步骤S12，在槽底沉积金电极，形成金电极阵列；
[0023]步骤S13，在金电极表面涂敷绝缘光刻胶；
[0024]步骤S14，激光打孔形成进液口和出液口；
[0025]步骤S15，第一基本和第二基板对齐，包括边缘对齐、凹槽对正；
[0026]步骤S16，采用等离子低温工艺，活化碳化硅
‑
碳化硅将第一基板和第二基板直接键合固定，封闭凹槽形成第一特斯拉阀通道，从而形成内含多个第一特斯拉阀通道的碳化硅基板；
[0027]步骤S2包括如下步骤：
[0028]步骤S21，在第一冷板下侧的铜层和第二冷板上侧的铜层铣削加工多个相对应的特斯拉阀通道形式的铜槽道；
[0029]步骤S22，激光打孔形成进液口和出液口；
[0030]步骤S23，第一冷板和第二冷板对齐，包括边缘对齐、铜槽道对正；
[0031]步骤S24，利用铜锡焊焊接固定第一冷板和第二冷板，封闭铜槽道以形成第二特斯拉阀通道，从而形成内含多个第二特斯拉阀通道的金刚石铜冷板；
[0032]其中，步骤S1和S2的顺序可颠倒或同时进行；
[0033]步骤S3包括如下步骤：
[0034]步骤S31，在碳化硅基板的上下侧镀铜；
[0035]步骤S32，将铜垫片通过纳米银烧结固定在碳化硅基板上侧的镀铜层上；
[0036]步骤S33，将功率器件通过纳米银烧结固定铜垫片上；
[0037]步骤S34，将金刚石铜冷板焊接固定在碳化硅基板下侧的镀铜层下；
[0038]其中，步骤S34可位于步骤S32之前。
[0039]本专利技术具有如下优点：
[0040]通过在第一特斯拉阀通道的弧形侧流道槽底集成行波介电泳金电极阵列，利用移相交变电压信号，在高曲率散热流道内形成有序行波形态非线性交变电场，使气液两相不均匀极化后受到电场力净力不为0，即行波介电泳力，改变气液表面张力弛豫过程，促使气泡脱附，实现对特斯拉阀弧形高曲率侧流道内的沸腾气泡有序驱离，增强了特斯拉阀结构两相散热效能和稳定性。在特斯拉阀弧形侧流道中集成的行波介电泳金电极阵列实施主动调控后，形成的非线性交变电场引起极化沸腾气液相界面表面张力弛豫，消减了沸腾过程气液相扰动，获得更稳定的高效气液相传热界面，经仿真估算内嵌立体特斯拉阀结构传热系数(32.7kW/(m2·
K)@1.6kW/cm2，1.6m/s)可稳定提升10％。
附图说明
[0041]为了更清本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，包括碳化硅基板，碳化硅基板内设多个第一特斯拉阀通道，第一特斯拉阀通道的槽底设有连接介电泳电极电路的金电极阵列，处于正向特斯拉阀通道的弧形侧流道的入口处的金电极阵列通低频移相交流电以产生行波电渗流，在弧形侧流道的拐角及出口处的金电极阵列通高频移相交流电以产生行波介电泳。2.根据权利要求1所述的三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，碳化硅基板包括第一基板和第二基板，第一基板下侧面和第二基板上侧面均刻蚀有多个相对应的特斯拉阀通道形式的凹槽，第一基板和第二基板采用等离子低温工艺键合以使两者的凹槽形成第一特斯拉阀通道。3.根据权利要求1所述的三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，金电极表面涂敷有绝缘光刻胶。4.根据权利要求1所述的三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，第一特斯拉阀通道均为多级的特斯拉阀通道，多个第一特斯拉阀通道平行且正反向交替设置。5.根据权利要求1所述的三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，还包括金刚石铜冷板，金刚石铜冷板内设有多个多级的第二特斯拉阀通道，多个第二特斯拉阀通道平行且正反向交替设置；金刚石铜冷板固定在碳化硅基板下，第一特斯拉阀通道与第二特斯拉阀通道相连通。6.根据权利要求5所述的三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，金刚石铜冷板包括第一冷板和第二冷板，第一冷板下侧的铜层和第二冷板上侧的铜层均加工有多个相对应的特斯拉阀通道形式的铜槽道，第一冷板和第二冷板通过焊接固定并使两者的铜槽道形成第二特斯拉阀通道。7.根据权利要求5所述的三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，特斯拉阀通道侧流道弧度为80
°
，弧外半径为1.1mm；在碳化硅基板内设置4个第一特斯拉阀通道，在金刚石铜冷板内设置8个第二特斯拉阀通道。8.根据权利要求1所述的三维封装碳化硅功率模块，其特征在于，还包括铜垫片和功率器件，铜垫片固定在碳化硅基板上，功率器件固定在铜垫片上。9.一种三维封装碳化硅功率模块的制作方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振宇，王伯兴，李伟，李欣萌，赵晓亮，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：