一种半导体器件散热结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种半导体器件散热结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着科技的进一步发展，半导体技术、信息技术等尖端技术领域向着高功率、高集成度以及微型化发展，致使系统所耗散的热量持续增大，系统内部的高功率密度的半导体器件不断挑战其散热系统的极限。
3.现有技术中，通常采用单纯风冷或液冷的散热系统对半导体器件进行降温，此类散热系统的散热效率较低，并且液冷的散热系统通常具有多个组件结构，不同的组件结构之间会具有接触界面，接触界面具有很大的热阻，热量容易在接触界面处聚集，对散热有很大的影响。随着半导体器件尺寸的不断减小，同时半导体器件的工作温度随着功率的增加而呈线性趋势增长，导致半导体器件的热流密度急剧增加且温度分布不均，进而导致半导体器件失效，严重影响半导体器件的高效、稳定、安全运行和使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种半导体器件散热结构及其制备方法，以解决现有技术中，半导体器件散热结构的热阻较大、散热效果不佳的技术问题。
5.本发明的实施例是这样实现的：本发明实施例的一方面，提供一种半导体器件散热结构，包括复合壳体以及设置在复合壳体内的热管，复合壳体包括由吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构，过渡材料层是由吸热材料层和散热材料层的原子相互扩散形成的，在复合壳体位于吸热材料层一侧的表面开设有器件安装部，器件安装部的底面用于设置半导体器件，在散热材料层内形成有用于流通冷却介质的空腔，复合壳体与热管的管壁为一体结构，热管位于器件安装部的底面相背的一侧，并且朝向空腔内延伸。
6.可选地，上述器件安装部的底面呈阶梯状。
7.可选地，上述热管包括多个，空腔内还分布设置有多个扰流柱，多个扰流柱设置在多个热管之间。
8.可选地，上述热管包括内壁上设有吸液芯结构的密封腔，密封腔内密封有相变介质，热管的蒸发端朝向器件安装部设置、冷凝端位于空腔内，相变介质在蒸发端吸热汽化后流向冷凝端并在冷凝端液化以释放热量，液化后的相变介质沿吸液芯结构重新流回蒸发端。
9.可选地，上述热管包括多个，多个热管朝向器件安装部的一端与器件安装部底面的距离相等。
10.可选地，上述在热管的延伸方向上，空腔靠近过渡材料层的内壁为第一内壁、背离过渡材料层的内壁为第二内壁，热管位于空腔内的端部与第二内壁之间存在间隙。
11.可选地，上述空腔背离吸热材料层的一侧形成有开口，复合壳体还包括盖体，盖体用于密封盖合开口。
12.可选地，上述空腔与热管平行的相对两侧壁分别设有入口和出口，冷却介质由入口流入空腔，再由出口流出空腔。
13.本发明实施例的另一方面，提供一种半导体器件散热结构的制备方法，方法包括：提供复合壳体，复合壳体为吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构；在复合壳体位于吸热材料层一侧的表面开设器件安装部；在复合壳体位于散热材料层的一侧形成空腔；在空腔内形成柱状结构，柱状结构由与器件安装部的底面相背的一侧朝向空腔内延伸；由柱状结构的延伸端向内加工形成内腔，在内腔侧壁形成吸液芯结构，向内腔填充相变介质并密封内腔，以形成热管。
14.可选地，上述提供复合壳体包括：将吸热材料层和散热材料层层叠设置；吸热材料层和散热材料层的原子相互扩散形成过渡材料层，以使吸热材料层和散热材料层成为一体结构。
15.可选地，上述在空腔内形成柱状结构，柱状结构由与器件安装部的底面相背的一侧朝向空腔内延伸之后，方法还包括：在空腔内形成多个扰流柱，扰流柱由与器件安装部的底面相背的一侧朝向空腔内延伸，多个扰流柱设置在多个柱状结构之间。
16.可选地，上述在复合壳体位于散热材料层的一侧形成空腔包括：在复合壳体位于散热材料层一侧的表面开设凹槽；提供盖体，盖体用于密封盖合凹槽的开口。
17.可选地，上述由柱状结构的延伸端向内加工形成内腔之后，方法还包括：在空腔与柱状结构平行的相对两侧壁分别开设入口和出口，向空腔内循环通入冷却介质。
18.本发明实施例的有益效果包括：本发明实施例提供一种半导体器件散热结构，包括复合壳体以及设置在复合壳体内的热管，复合壳体包括由吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构，过渡材料层是由吸热材料层和散热材料层的原子相互扩散形成的，在复合壳体位于吸热材料层一侧的表面开设有器件安装部，器件安装部的底面用于设置半导体器件，在散热材料层内形成有用于流通冷却介质的空腔，复合壳体与热管的管壁为一体结构，热管位于器件安装部的底面相背的一侧，并且朝向空腔内延伸。半导体器件产生的热量由器件安装部的底面吸收后，经热管传递至空腔内，空腔内流通冷却介质，冷却介质与热管的冷凝端接触，将热量吸收。上述半导体器件散热结构呈一体结构，在热量的传递路径上无接触界面，不存在界面之间的热阻，不会阻碍热量的传导，同时，半导体器件散热结构用于接触在工作中产生热量的半导体器件的区域为高吸热材料，能够快速的将半导体器件产生的热量吸走，而另一侧使用的是高散热的材料，能够将吸来的热量快速散发，并且还使用热管进行散热，能够快速的将热量传导到热管的冷凝端，冷凝端还使用冷却介质进行散热，多种散热手段共同使用能够快速的将半导体器件产生的热量散出，并且没有增加半导体器件散热结构的体积，能够实现小型化器件的需求。
19.进一步地，器件安装部的底部为阶梯结构设置，便于安装半导体器件，而每一个热管用于吸热的蒸发端与器件安装部的阶梯结构之间的距离相等，这样可以使每个热管对安装的半导体器件进行等量的吸热，防止吸热不均，造成不同的半导体器件的散热不均一。
20.进一步地，在冷却介质的流动路径上还具有多个扰流柱，扰流柱和用于形成热管
的柱状结构同时形成，热管的位置对应于正面形成的阶梯结构，而扰流柱位于热管的内侧，可以减少加工的步骤。扰流柱能够减缓冷却介质的流动，使冷却介质在空腔内停留的时间较长，一方面可以提高单位体积内冷却介质带走的热量，另一方面由于扰流柱的存在也能够提高冷却介质在空腔内的接触面积，有助于冷却介质将热量带走。
21.本发明实施例还提供一种半导体器件散热结构的制备方法，方法包括：提供复合壳体，复合壳体为吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构；在复合壳体位于吸热材料层一侧的表面开设器件安装部；在复合壳体位于散热材料层的一侧形成空腔；在空腔内形成柱状结构，柱状结构由与器件安装部的底面相背的一侧朝向空腔内延伸；由柱状结构的延伸端向内加工形成内腔，在内腔侧壁形成吸液芯结构，向内腔填充相变介质并密封内腔，以形成热管。上述半导体器件散热结构的制备方法工艺简单，制备得到的半导体器件散热结构呈一体结构，内部没有热阻较高的接触界面，并且多种散热手段共同使用能够快速的将半导体器件产生的热量散出，没有增加半导体器件散热结构的体积，能够实现小型化器件的需求。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的结构示意图之一；图2为本发明实施例提供的半导体器件散热结构中复合壳体的结构示意图；图3为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的结构示意图之二；图4为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的结构示意图之三；图5为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的结构示意图之四；图6为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的结构示意图之五；图7为本发明实施例提供的半导体器件散热结构中盖体的结构示意图；图8为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的制备方法的流程图之一；图9为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的制备方法的流程图之二；图10为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的制备方法的流程图之三；图11为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的制备方法的流程图之四；图12为本发明实施例提供的半导体器件散热结构的制备方法的流程图之五。
24.图标：100
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半导体器件散热结构；110
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复合壳体；111
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吸热材料层；112
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过渡材料层；113
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散热材料层；114
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第一表面；115
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第二表面；120
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热管；130
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器件安装部；131
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阶梯面；140
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空腔；141
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出口；142
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热管区；143
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第一内壁；144
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第二内壁；150
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扰流柱；160
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盖体。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、
ꢀ“
内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.请参照图1至图3，图1是本实施例提供的半导体器件散热结构的内部结构的剖面示意图，本实施例提供一种半导体器件散热结构100，包括复合壳体110以及设置在复合壳体110内的热管120，复合壳体110包括由吸热材料层111、过渡材料层112和散热材料层113依次叠置形成的一体结构，过渡材料层112是由吸热材料层111和散热材料层113的原子相互扩散形成的，在复合壳体110位于吸热材料层111一侧的表面开设有器件安装部130，器件安装部130的底面用于设置半导体器件，在散热材料层113内形成有用于流通冷却介质的空腔140，复合壳体110与热管120的管壁为一体结构，多个热管120位于器件安装部130的底面相背的一侧，并且朝向空腔140内延伸。
29.复合壳体110由吸热材料层111、过渡材料层112和散热材料层113依次形成，过渡材料层112是由吸热材料层111和散热材料层113的原子相互扩散形成的，其中，复合壳体110呈一体结构，吸热材料层111与过渡材料层112之间、过渡材料层112与散热材料层113之间均无接触界面（即分界面），不存在界面之间的热阻，能够更快地导热，不会因为界面接触而阻碍热量的传导。吸热材料层111和散热材料层113均为可以传递热量的金属层，能够实现高吸热或高散热，示例地，吸热材料层111为铜层，散热材料层113为铝层，中间的过渡材料层112则为铜铝混合层。
30.本实施例中，对形成过渡材料层112的方法不做限定，只要保证过渡材料层112与吸热材料层111和散热材料层113之间无接触界面即可，例如，将吸热材料层111和散热材料层113层叠设置，在高温高压的环境下使吸热材料层111和散热材料层113之间的原子相互扩散，进而形成过渡材料层112，具体的温度可以设置为500
‑
650℃，压力可以设置为50
‑
200mpa。
31.复合壳体110具有相对设置的第一表面114和第二表面115，第一表面114为吸热材料层111一侧的表面，第二表面115为散热材料层113一侧的表面，器件安装部130开设在第一表面114上，器件安装部130的底面用于设置半导体器件。
32.在散热材料层113靠近第二表面115的位置处开设有空腔140，热管120位于器件安装部130的底面和空腔140之间。热管120具有蒸发端和冷凝端，蒸发端朝向器件安装部130
的底面，位于复合壳体110的吸热材料层111，冷凝端伸入空腔140内部，位于复合壳体110的散热材料层113。热管120的导热效率远高于普通的散热金属（例如，热管120的散热效率是铜的80
‑
1000倍），半导体器件产生的热量由器件安装部130的底面吸收后，经热管120传递至空腔140内，空腔140内流通冷却介质，冷却介质与热管120的冷凝端接触，将热量吸收。其中，冷却介质可以为冷却液、冷却气体等。
33.复合壳体110和热管120的管壁为一体结构，在复合壳体110的内部直接形成热管120，热管120的管壁即为复合壳体110，热管120与复合壳体110之间没有界面，不存在界面之间的热阻，能够更快地导热，不会因为界面接触而阻碍热量的传导，进一步提高了半导体器件散热结构100的散热效率和散热效果。
34.综上所述，半导体器件散热结构100包括复合壳体110以及设置在复合壳体110内的热管120，复合壳体110包括由吸热材料层111、过渡材料层112和散热材料层113依次叠置形成的一体结构，过渡材料层112是由吸热材料层111和散热材料层113的原子相互扩散形成的，在复合壳体110位于吸热材料层111一侧的表面开设有器件安装部130，器件安装部130的底面用于设置半导体器件，在散热材料层113内形成有用于流通冷却介质的空腔140，复合壳体110与热管120的管壁为一体结构，热管120位于器件安装部130的底面相背的一侧，并且朝向空腔140内延伸。上述半导体器件散热结构100呈一体结构，在热量的传递路径上无接触界面，不存在界面之间的热阻，不会阻碍热量的传导，同时，半导体器件散热结构100用于接触在工作中产生热量的半导体器件的区域为高吸热材料，能够快速的将半导体器件产生的热量吸走，而另一侧使用的是高散热的材料，能够将吸来的热量快速散发，并且还使用热管120进行散热，能够快速的将热量传导到热管120的冷凝端，冷凝端还使用冷却介质进行散热，多种散热手段共同使用能够快速的将半导体器件产生的热量散出，并且没有增加半导体器件散热结构100的体积，能够实现小型化器件的需求。
35.可选地，器件安装部130的底面呈阶梯状。
36.器件安装部130的底面呈阶梯状，由多个高度不同的阶梯面131相互连接而成，每个阶梯面131上都承载一个半导体器件。将底面设置为阶梯状，便于安装半导体器件，可以使设置在底面的多个半导体器件位于不同的高度上，有利于热量的扩散，同时，若半导体器件为发光器件，还可以避免半导体器件之间的相互遮挡，也有利于对发光器件发出的光线进行合束。
37.请结合参照图1和图4，可选地，热管120包括多个，空腔140内还分布设置有多个扰流柱150，多个扰流柱150设置在多个热管120之间。
38.在空腔140内划分出热管区142和扰流区，分别用于设置热管120和扰流柱150。其中，热管120均位于空腔140内器件安装部130的投影区域内，也即是，热管120与半导体器件的设置位置相对应，以便更好地吸收半导体器件产生的热量。在热管120的内侧还设置有扰流柱150，扰流柱150的设置方向与热管120的设置方向相同，扰流柱150位于热管120的内侧，可以减少加工的步骤，同时，扰流柱150能够减少冷却介质在空腔140中的流速，增大冷却介质与热管120的接触时间，提高散热效率。
39.在器件安装部130的投影区域内，可以设置多行热管120，请参照图5，当热管120为两行时，扰流柱150设置在两行热管120之间。另外，扰流柱150还可以设置在空腔140内不与器件安装部130对应的区域，以进一步延长冷却介质在空腔140内的停留时间，提高散热效
果。
40.可选地，扰流柱150与复合壳体110为一体结构。如此，复合壳体110、热管120、扰流柱150之间均不存在界面，热量在半导体器件散热结构100内部的传递始终不会受到阻碍，进一步提高了散热效率。
41.可选地，空腔140与热管120平行的相对两侧壁分别设有入口和出口141，冷却介质由入口流入空腔140，再由出口141流出空腔140。
42.冷却介质由入口流入空腔140并由出口141流出空腔140，以实现空腔140内部冷却介质的循环流动，将热量及时带出复合壳体110。同时，入口和出口141设置在空腔140相对的两个侧壁，可以保证冷却介质由空腔140的一侧流入，流经整个空腔140后才由空腔140的另一侧流出，可以尽可能延长冷却介质在散热凹槽内的流动路线和流动时间，使冷却介质吸收更多的热量，有效提高了散热效果。
43.请参照图6，可选地，热管120包括内壁上设有吸液芯结构的密封腔，密封腔内密封有相变介质，热管120的蒸发端朝向器件安装部130设置、冷凝端位于空腔140内，相变介质在蒸发端吸热汽化后流向冷凝端并在冷凝端液化以释放热量，液化后的相变介质沿吸液芯结构重新流回蒸发端。
44.相变介质为沸点低、易挥发的液体，吸液芯结构由毛细多孔材料构成。相变介质在热管120的蒸发端吸收热量后迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向热管120的冷凝端，并在冷凝端冷凝释放出热量，重新液化后的相变介质再沿吸液芯结构依靠毛细作用重新流回蒸发端，如此循环不止，实现热管120内热量的快速传导。
45.请再次参照图1，可选地，热管120朝向器件安装部130的一端与器件安装部130底面的距离相等。
46.热管120朝向器件安装部130的一端（蒸发端）与器件安装部130底面的距离相等，当器件安装部130的底面呈阶梯状，热管包括多个时，每个热管120的蒸发端与其相对应的器件安装部的阶梯面131之间的距离均相等。也即是，每个热管120的蒸发端均与其相对应的半导体器件的距离相等。如此设置可以使每个热管120对安装的半导体器件进行等量的吸热，防止吸热不均，保证位于器件安装部130上的多个半导体器件的热传递效率相同，散热效果趋于一致，提高了半导体器件散热结构100整体的散热均匀性和散热效率。
47.可选地，在热管120的延伸方向上，空腔140靠近过渡材料层112的内壁为第一内壁143、背离所述过渡材料层112的内壁为第二内壁144，热管120位于空腔140内的端部与第二内壁144之间存在间隙。
48.热管120的冷凝端与空腔140的第二内壁144之间存在间隙，间隙可以供冷却介质通过，使热管120的冷凝端的热量直接通过冷却介质导出，还可以防止空腔140的侧壁损坏热管120的冷凝端。
49.请结合参照图1和图7，可选地，空腔140背离吸热材料层111的一侧形成有开口，复合壳体110还包括盖体160，盖体160用于密封盖合开口。
50.为了方便空腔140内热管120的加工，在空腔140背离吸热材料层111的一侧（也即是在复合壳体110的第二表面115上）形成有开口，待热管120加工完成后，使用盖体160将开口密封，以防止空腔140内冷却介质的泄露。盖体160与复合壳体110的连接方式可以为多种，例如，盖体160与复合壳体110之间通过螺栓连接，或者，盖体160与复合壳体110之间通
过焊接连接。
51.可选地，扰流柱150的延伸端部延伸至与盖体160接触。
52.扰流柱150的一端与空腔140的第一内壁143连接、另一端与盖体160接触，使得扰流柱150可以对复合壳体110、热管120、空腔140和半导体器件起到很好的支撑作用，防止其在高温下发生变形。
53.请参照图8，本实施例还提供一种半导体器件散热结构100的制备方法，方法包括：s100：提供复合壳体，复合壳体为吸热材料层、过渡材料层和散热材料层依次叠置形成的一体结构。
54.s200：在复合壳体位于吸热材料层一侧的表面开设器件安装部。
55.s300：在复合壳体位于散热材料层的一侧形成空腔。
56.s400：在空腔内形成柱状结构，柱状结构由与器件安装部的底面相背的一侧朝向空腔内延伸。
57.s500：由柱状结构的延伸端向内加工形成内腔，在内腔侧壁形成吸液芯结构，向内腔填充相变介质并密封内腔，以形成热管。
58.复合壳体110呈一体结构，吸热材料层111与过渡材料层112之间、过渡材料层112与散热材料层113之间均无接触界面，有利于热量的快速传导。在复合壳体110的吸热材料层111侧加工承载半导体器件的器件安装部130，散热材料层113侧加工形成柱状结构，再将柱状结构加工形成热管120，热量经由复合壳体110和热管120传递至空腔140内。在柱状结构的内腔侧壁形成吸液芯结构，吸液芯结构可以为微凹槽结构或网状结构，吸液芯结构可以使位于热管120冷凝端的液态的相变介质沿吸液芯结构靠毛细力的作用重新流回热管120的蒸发端，使热量不断地从热管120的蒸发端传递至冷凝端。
59.上述半导体器件散热结构100的制备方法工艺简单，制备得到的半导体器件散热结构100呈一体结构，内部无接触界面，不存在界面之间的热阻，不会阻碍热量的传导，多种散热手段共同使用能够快速的将半导体器件产生的热量散出，并且没有增加半导体器件散热结构的体积，能够实现小型化器件的需求。
60.请参照图9，可选地，提供复合壳体包括：s110：将吸热材料层和散热材料层层叠设置。
61.s120：吸热材料层和散热材料层的原子相互扩散形成过渡材料层，以使吸热材料层和散热材料层成为一体结构。
62.可以采用高温高压的方式，一般温度可以设置为500
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650℃，压力可以设置为50
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200mpa，通过原子间的相互扩散形成复合壳体110，吸热材料层111与过渡材料层112之间、过渡材料层112与散热材料层113之间均无接触界面，导热效果更好。
63.请参照图10，可选地，在复合壳体位于散热材料层的一侧形成空腔包括：s310：在复合壳体位于散热材料层一侧的表面开设凹槽。
64.s320：提供盖体，盖体用于密封盖合凹槽的开口。
65.凹槽具有开口，方便在凹槽内形成热管120，待热管120加工完成后，盖体160将凹槽密封，以便在凹槽内流通冷却介质。
66.可选地，在复合壳体位于吸热材料层一侧的表面开设器件安装部包括：在复合壳体位于吸热材料层一侧的表面开设底面呈阶梯状的器件安装部，阶梯面
用于设置半导体器件。
67.将器件安装部130的底面加工成阶梯面131，每个阶梯面131上都设置有半导体器件，不同阶梯面131上的半导体器件位于不同的高度上，有利于热量的扩散，同时，若半导体器件为发光器件，还可以避免半导体器件之间的相互遮挡，也有利于对发光器件发出的光线进行合束。
68.请参照图11，可选地，在空腔内形成柱状结构，柱状结构由与器件安装部的底面相背的一侧朝向空腔内延伸之后，方法还包括：s600：在空腔内形成多个扰流柱，扰流柱由与器件安装部的底面相背的一侧朝向空腔内延伸，多个扰流柱设置在多个柱状结构之间。
69.在柱状结构的内侧形成多个扰流柱150，扰流柱150的延伸方向和柱状结构的延伸方向相同，扰流柱150能够减少冷却介质在空腔140中的流速，待柱状结构形成热管120后，增大冷却介质与热管120的接触时间，提高散热效率。
70.请参照图12，可选地，由柱状结构的延伸端向内加工形成内腔之后，方法还包括：s700：在空腔与柱状结构平行的相对两侧壁分别开设入口和出口，向空腔内循环通入冷却介质。
71.冷却介质由入口流入空腔140并由出口141流出空腔140，以实现空腔140内部冷却介质的循环流动，将热量及时带出复合壳体110。
72.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。