陶瓷基均热板及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及均热板技术领域，具体为一种陶瓷基均热板及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着电子技术的不断发展，诸如手机，平板电脑等电子产品向着超薄化，集成化，高功率化的方向发展。这使得电子元件在工作时，芯片等发热件的热流密度不断提高，对电子产品的热管理带来了巨大挑战。基于此，均热板，平板热管等两相散热器件凭借其优异的传热能力和理想的厚度，被广泛应用于电子产品的热管理中。
3.市场上常见的均热板通常以铜、不锈钢、铝等金属材料或合金制成。其与芯片的热膨胀系数差异过大，化学稳定性较差，难以满足第三代半导体的封装要求。所以，以氧化铝和氮化铝为代表的陶瓷材料，近年来被广泛应用于半导体器件的封装中。但与金属或合金材料不同，陶瓷材料本身的热导率较低，难以满足日益增长的热管理需求。同时，陶瓷材料的现有封装技术，难以满足均热板长时间可靠性的需求。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题的一方面在于提出一种陶瓷基均热板，能够在陶瓷材料的基础上满足第三代半导体的封装要求以及热管理需求。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明提供的一种陶瓷基均热板，包括单侧复合板，单侧复合板由金属焊接边框、覆铜陶瓷片、陶瓷片、覆铜陶瓷片依次烧结连接制成，其中，覆铜陶瓷片的铜材料侧和金属焊接边框烧结连接，覆铜陶瓷片的陶瓷材料侧和陶瓷片烧结连接，两个单侧复合板相连接形成壳体，壳体内设置有金属编织带；金属编织带和壳体的内部烧结连接。上述技术方案中的单侧复合板和金属编织带三种零部件的形状、尺寸可根据不同应用场景进行定制设计。
7.本发明优选地技术方案在于，覆铜陶瓷片的铜材料侧上设置有网状沟槽。
8.本发明优选地技术方案在于，金属编织带对称设置有两个。
9.本发明优选地技术方案在于，金属焊接边框、金属编织带的材料为紫铜。
10.本发明优选地技术方案在于，陶瓷片的材料为氧化铝。
11.本发明解决技术问题的另一方面在于提供上述陶瓷基均热板的制备方法，包括以下步骤：
12.s00：在630-670℃，氦气条件下，按覆铜陶瓷片、陶瓷片、覆铜陶瓷片的顺序依次堆叠，烧结0.5-2h后保温0.5-1.5h，得到复合片；
13.s10：在630-670℃，氦气条件下，将复合片的覆铜一侧与金属焊接边框进行烧结，烧结时间0.5-2h后保温0.5-1.5h，得到单侧复合板；
14.s20：在单侧复合板上冲压加工出注液口；
15.s30：把金属编织带平铺于单侧复合板的内侧上，将另一块单侧复合板覆盖之上，合模后烧结连接两个单侧复合板成一体，得到未灌液均热板的壳体；
16.s40：将注液管焊接到未灌液均热板的注液口中，对未灌液均热板进行灌液和封口处理，得到陶瓷基均热板。
17.本发明优选地技术方案在于，在s30中，金属编织带进行化学腐蚀处理，使处理后的金属编织带具有毛细性能。
18.本发明优选地技术方案在于，在s40中，灌液前采用真空泵将未灌液均热板的腔内压强抽至0.5pa以下，再进行灌液。
19.本发明优选地技术方案在于，在s40中，灌液的工质为去离子水，灌液后冷冻到-20℃后抽真空至0.5pa以下，再封口处理。
20.本发明解决技术问题的再一方面在于提供上述陶瓷基均热板的应用。
21.本发明的有益效果：
22.本发明提出一种陶瓷基均热板及其制备方法和应用，单侧复合板采用覆铜陶瓷片-陶瓷片-覆铜陶瓷片的烧结结构，将两片覆铜陶瓷片的陶瓷材料一侧分别与陶瓷片的上表面与下表面进行高温烧结，最后将金属焊接边框与覆铜陶瓷片的铜材料一侧进行高温烧结，由于连接之间的材料性质相近，因此得到的单侧复合板具有良好的封装性能，不容易出现封装缺陷，满足均热板在半导体器件中长时间可靠性的需求。此外，通过金属焊接边框和金属编织带的使用，实现了壳体的连接和热导率的提高。金属焊接边框作为壳体的边界，可以将单侧复合板连接起来形成一个整体的结构。而金属编织带则设置在壳体的内部并与单侧复合板的烧结连接。金属编织带具有良好的导热性能，可以提高整个结构的热导率，使得热能能够更快地传导和均匀分布，进一步满足陶瓷基均热板的热管理需求。综上所述，本发明的陶瓷基均热板能满足第三代半导体的封装要求以及热管理需求。
23.除此之外，本发明还具有以下的优点：1、以产业化生产均热板为基础实施制备，成本低廉；2、制备步骤操作简便，方便实用；3、产品结构简单，对装配要求不高；4、涉及零件对精度要求不高，在现有技术的前提下即可加工。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为实施例一的陶瓷基均热板的立体图；
26.图2为实施例一的陶瓷基均热板的爆炸图；
27.图3为实施例一的单侧复合板的爆炸图；
28.图4为图3的a部放大图；
29.图5为实施例一的覆铜陶瓷片的铜材料侧的俯视图；
30.图6为实施例一的制备方法的流程框图。
31.图中：
32.1-单侧复合板；11-金属焊接边框；111-突出部；12-覆铜陶瓷片；121-网状沟槽；13-陶瓷片；2-壳体；3-金属编织带；4-注液口。
具体实施方式
33.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
34.实施例一
35.如图1-5所示，本实施例中提供的一种陶瓷基均热板，包括单侧复合板1，单侧复合板1包括金属焊接边框11、覆铜陶瓷片12、陶瓷片13、覆铜陶瓷片12，并且金属焊接边框11、覆铜陶瓷片12、陶瓷片13、覆铜陶瓷片12依次烧结连接，其中，覆铜陶瓷片12的铜材料侧和金属焊接边框11烧结连接，覆铜陶瓷片12的陶瓷材料侧和陶瓷片13烧结连接；两个单侧复合板1相连接形成壳体2，壳体2内设置有金属编织带3；金属编织带3和壳体2的内部烧结连接。整个陶瓷基均热板的长度为80mm，宽度为20mm。其中，金属焊接边框、覆铜陶瓷片、陶瓷片三者的尺寸相匹配，覆铜陶瓷片的厚度为0.125mm，陶瓷片的厚度为0.2mm，金属编织带的长度为60mm，宽度为2mm，厚度为0.2mm，金属焊接边框的边界宽度为3mm，厚度为0.1mm，金属焊接边框的突出部111的长宽尺寸为20mm*10mm。本实施例中，单侧复合板采用覆铜陶瓷片-陶瓷片-覆铜陶瓷片的烧结结构，将两片覆铜陶瓷片的陶瓷材料一侧分别与陶瓷片的上表面与下表面进行高温烧结，最后将金属焊接边框与覆铜陶瓷片的铜材料一侧进行高温烧结，由于连接之间的材料性质相近，因此得到的单侧复合板具有良好的封装性能，不容易出现封装缺陷，满足均热板在半导体器件中长时间可靠性的需求。此外，通过金属焊接边框和金属编织带的使用，实现了壳体的连接和热导率的提高。金属焊接边框作为壳体的边界，可以将单侧复合板连接起来形成一个整体的结构。而金属编织带则设置在壳体的内部并与单侧复合板的烧结连接。金属编织带具有良好的导热性能，可以提高整个结构的热导率，使得热能能够更快地传导和均匀分布，进一步满足陶瓷基均热板的热管理需求。此外，陶瓷材料通常具有较高的硬度和抗振动性能，能够在振动和冲击环境下保持稳定。通过该技术方案中单侧复合板的设计，陶瓷片得到了较好的支撑和固定，从而增强了整个均热板结构的抗振动和冲击性能。
36.优选地，覆铜陶瓷片12的铜材料侧上设置有网状沟槽121。网状沟槽的设置可以增加覆铜陶瓷片铜材料侧的表面积，提高热传导效率。通过增加表面积，可以提高热能在覆铜陶瓷片内的传导速度和均匀性，从而更有效地实现热能的分布和传递。这可以进一步提高整个均热板的加热效率和均热性能。而且，陶瓷材料和金属材料的热膨胀系数通常不同，而在均热板中，覆铜陶瓷片与金属焊接边框之间存在热膨胀匹配的问题。通过设置网状沟槽，可以在一定程度上缓解热膨胀引起的应力集中问题。网状沟槽可以提供更多的自由度，使得覆铜陶瓷片在热膨胀时可以更好地适应金属焊接边框的变形，减少应力集中，降低热应力对陶瓷片的影响，提高均热板的可靠性和寿命。
37.优选地，金属编织带3对称设置有两个。通过金属编织带对称设置有两个，可以进一步优化均热板方案。该技术方案可以实现更均匀的热传导、提高结构稳定性以及增强抗振动和冲击能力。其中，两个金属编织带可以分别固定在均热板的两侧，形成均匀的支撑和阻尼结构。这样的设计可以有效地吸收和分散外界振动和冲击所产生的能量，减小对均热板内部结构的影响。这些效果有助于提高均热板的加热性能、耐久性和可靠性，使其更适用于各种应用场景。
38.优选地，覆铜陶瓷片12的铜材料、金属焊接边框11、金属编织带3的材料为紫铜。紫铜具有出色的导热性能，是常用的导热材料之一。通过使用紫铜作为金属焊接边框和金属
编织带的材料，可以有效地提高均热板的热传导能力。紫铜具有优异的热导率，可以快速传导和分布热能，使得均热板能够更快速、更均匀地加热，提高加热效率和均热性能。
39.进一步地，覆铜陶瓷片12的陶瓷材料和陶瓷片13的材料为氧化铝。尽管陶瓷材料的热导率较低，但氧化铝具有相对较高的热导性能，通过在均热板中使用氧化铝陶瓷片，热能可以在陶瓷片内部快速传导，并由陶瓷片分布到整个均热板的表面，提高均热性能。
40.如图6所示，其制备方法如下：
41.1、准备好金属焊接边框11、覆铜陶瓷片12、陶瓷片13；
42.2、采用超声波清洗机将金属焊接边框11、覆铜陶瓷片12、陶瓷片13浸没在无水乙醇中清洗1-5min，去除上面的油脂，再使用吹风机/烤箱/自然风干等方式对其进行干燥处理；
43.3、对准备好的金属编织带3进行化学腐蚀处理，处理后的金属编织带将具有良好的毛细性能，毛细结构的形成可以增加金属表面的有效接触面积，从而提高热传导效率，更多的接触面积意味着更多的热量可以通过金属编织带传递到均热板中，从而提高加热效率和均热性能；
44.4、在650℃，氦气条件下，按覆铜陶瓷片12
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陶瓷片13
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覆铜陶瓷片12的顺序堆叠，在适当的压力下烧结1.5h后保温1h，得到复合片。其中，所施加的适当的压力可以在2-10kg的压力配重，本实施例的压力采用的是5kg的压力；
45.5、在650℃，氦气条件下，将复合片的覆铜一侧与金属焊接边框11进行烧结，烧结时间1.5h后保温1h，得到单侧复合板1；
46.6、采用冲压机对烧结好的单侧复合板1冲压出注液口4；
47.7、利用激光在焊接有金属焊接边框的覆铜陶瓷片铜材料一侧上，打出网状沟槽；
48.8、把金属编织带3平铺于单侧复合板1的内侧上，将另一块单侧复合板1覆盖之上，合模后烧结连接两个单侧复合板1成一体，得到未灌液均热板的壳体2，其中烧结工艺为：合模后添加10kg配重，在氦气环境下，650℃高温烧结1.5h，保温1h；
49.9、将注液管通过钎焊的方式焊接到陶瓷基均热板的注液口4中，把注液管和均热板焊在一起；
50.10、适量工质通过注液管灌注于壳体2的内腔中，冷冻后抽真空，具体地，灌液前采用真空泵将所述未灌液均热板的腔内压强抽至0.5pa以下，再进行灌液，通过将腔内压强抽至较低的值，可以有效地排除腔内的气体和空气泡。气体和空气泡存在于均热板内部会影响液体的均匀分布和热传导性能，导致温度不均匀或热传导不畅。通过真空抽气，可以最大程度地减少或消除气体和空气泡的存在，确保液体填充均匀，提高均热板的性能和稳定性；
51.11、灌液的工质为去离子水，灌液后冷冻到-20℃后抽真空至0.5pa以下，再封口处理，去离子水是一种高纯度的水，其中的离子和杂质被去除，具有较低的电导率和极小的离子浓度。这样的工质在均热板中使用可以减少非热传导导致的影响，提高热传导的准确性和均匀性；在冷冻过程中，水会发生冰结现象，形成冰晶，通过进一步的真空抽取，可以有效去除冰晶中的气体，防止冰晶的扩张和均热板的损坏。此外，真空抽取还可以减少冷却过程中的气体膨胀，确保均热板的封闭性和结构完整性；
52.12、采用加热平台对抽真空后的陶瓷基均热板进行二次除气后，采用电阻焊去尾，完成整体制造工艺，得到陶瓷基均热板。
53.该陶瓷基均热板的结构优点在于(1)采用覆铜陶瓷片-陶瓷片-覆铜陶瓷片的烧结结构，既能满足陶瓷类均热板在半导体设备封装领域内的要求，又降低了陶瓷片的烧结难度和成本；(2)而且将注液口以金属焊接边框的冲压形式实现，简化了陶瓷基均热板制造与封装的工艺；(3)在覆铜陶瓷片铜材料一侧由激光加工出网状沟槽，有助于优化均热板的毛细性能，辅助工质回流；(4)本发明易于实现陶瓷基均热板的超薄化，使结构紧凑。
54.本实施例的陶瓷基均热板还具有以下的优点：1、以产业化生产均热板为基础实施制备，成本低廉；2、制备步骤操作简便，方便实用；3、产品结构简单，对装配要求不高；4、涉及零件对精度要求不高，在现有技术的前提下即可加工。
55.本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本技术的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种陶瓷基均热板，其特征在于：包括单侧复合板(1)，所述单侧复合板(1)由金属焊接边框(11)、覆铜陶瓷片(12)、陶瓷片(13)、覆铜陶瓷片(12)依次烧结连接制成，其中，所述覆铜陶瓷片(12)的铜材料侧和所述金属焊接边框(11)烧结连接，所述覆铜陶瓷片(12)的陶瓷材料侧和所述陶瓷片(13)烧结连接；两个所述单侧复合板(1)相连接形成壳体(2)，所述壳体(2)内设置有金属编织带(3)；所述金属编织带(3)和所述壳体(2)的内部烧结连接。2.根据权利要求1所述的陶瓷基均热板，其特征在于：所述覆铜陶瓷片(12)的铜材料侧上设置有网状沟槽(121)。3.根据权利要求1所述的陶瓷基均热板，其特征在于：所述金属编织带(3)对称设置有两个。4.根据权利要求1所述的陶瓷基均热板，其特征在于：所述金属焊接边框(11)、金属编织带(3)的材料为紫铜。5.根据权利要求1所述的陶瓷基均热板，其特征在于：所述陶瓷片(13)的材料为氧化铝。6.一种如权利要求1-5任一项所述的陶瓷基均热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s00：在630-670℃，氦气条件下，按覆铜陶瓷片(12)、陶瓷片(13)、覆铜陶瓷片(12)的顺序依次堆叠，烧结0.5-2h后保温0.5-1.5h，得到复合片；s10：在630-670℃，氦气条件下，将所述复合片的覆铜一侧与金属焊接边框(11)烧结，烧结时间0.5-2h后保温0.5-1.5h，得到单侧复合板(1)；s20：在所述单侧复合板(1)上冲压加工出注液口(4)；s30：把金属编织带(3)平铺于所述单侧复合板(1)的内侧上，将另一块所述单侧复合板(1)覆盖之上，合模后烧结连接两个所述单侧复合板(1)成一体，得到未灌液均热板的壳体(2)；s40：将注液管焊接到所述未灌液均热板的注液口(4)中，对所述未灌液均热板进行灌液和封口处理，得到陶瓷基均热板。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在s30中，所述金属编织带(3)进行化学腐蚀处理，使处理后的金属编织带(3)具有毛细性能。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在s40中，灌液前采用真空泵将所述未灌液均热板的腔内压强抽至0.5pa以下，再进行灌液。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在s40中，灌液的工质为去离子水，灌液后冷冻到-20℃后抽真空至0.5pa以下，再封口处理。10.一种如权利要求1-5任一项所述的陶瓷基均热板在半导体设备领域的散热的应用。

技术总结
本发明涉及一种陶瓷基均热板及其制备方法和应用，包括单侧复合板，单侧复合板由金属焊接边框、覆铜陶瓷片、陶瓷片、覆铜陶瓷片依次烧结连接制成，其中，覆铜陶瓷片的铜材料侧和金属焊接边框烧结连接，覆铜陶瓷片的陶瓷材料侧和陶瓷片烧结连接，两个单侧复合板相连接形成壳体，壳体内设置有金属编织带；金属编织带和壳体的内部烧结连接。该发明能够解决陶瓷基均热板在陶瓷材料的基础上满足第三代半导体的封装要求以及热管理需求。的封装要求以及热管理需求。的封装要求以及热管理需求。


技术研发人员：尹树彬 汤勇 汪俊翔 陈博洋 郑星宇 黎洪铭 黄皓熠 赵威 黄梓滨 余小媚
受保护的技术使用者：广东畅能达科技发展有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/9