一种热沉和半导体器件的制作方法

1.本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种热沉和半导体器件。


背景技术：

2.半导体列阵芯片形成的半导体器件封装后，半导体器件输出功率较大，其列阵芯片的排布较紧密，发热热源集中，因此这种半导体器件的列阵芯片的散热是行业关注的主要问题之一。现有半导体器件散热效率低，导致列阵芯片工作时产生的热量无法及时散出，影响了列阵芯片的工作性能。


技术实现要素：

3.本申请实施例的目的在于提供一种热沉和半导体器件，能够提高热源的散热效率和工作性能。
4.本申请实施例的一方面，提供了一种热沉，包括热沉本体，所述热沉本体内设有腔室，所述腔室内设有热管微结构，并填充相变液体，所述热沉的一端用于浸入冷却液内，所述热沉的另一端用于和热源连接，所述热沉本体的热膨胀系数和所述热源的热膨胀系数匹配；所述热沉本体两侧分别设有金属层，所述金属层包括由所述热沉本体的厚度方向依次向两侧层叠的钛层、铜层、镍层、铂层和金层。
5.可选地，所述热沉本体为长方体结构。
6.可选地，所述热沉本体内还设有多个支撑柱，多个所述支撑柱沿所述热沉本体的厚度方向间隔设置。
7.可选地，所述热沉本体的材料为金刚石铜。
8.可选地，所述热沉本体浸入所述冷却液的一端的表面为粗化表面。
9.可选地，所述相变液体包括水、甲醇和乙醇中的任意一种，或任意两种的组合，或任意三种的组合。
10.本申请实施例的另一方面，提供了一种半导体器件，包括多个依次间隔排列的芯片，沿所述芯片的输出面的两侧分别设有上述的热沉，所述热沉远离所述芯片的一端浸入所述冷却液。
11.可选地，所述芯片的第一面通过金锡焊接层和所述热沉连接以形成结构组，所述结构组的所述芯片的第二面通过铟焊接层和另一个所述结构组的所述热沉连接，所述第一面和所述第二面为所述芯片的两个相对面。
12.可选地，所述热沉本体和所述金锡焊接层之间、所述热沉本体和所述铟焊接层分别通过所述金属层连接。
13.可选地，所述热沉本体的材料为金刚石铜；所述金锡焊接层的焊料热膨胀系数为16x10
‑6/℃，所述铜层的铜料热膨胀系数为16x10
‑6/℃，所述金刚石铜的热膨胀系数为7.8x10
‑6/℃，所述芯片的材料为砷化镓，所述砷化镓的热膨胀系数为6.5 x10
‑6/℃。
14.可选地，所述铜层的厚度在10um～12 um之间。
15.可选地，还包括封装壳体，以及所述封装壳体内相对设置的正极和负极，多个所述芯片位于所述正极和所述负极之间，所述封装壳体内填充有所述冷却液。
16.本申请实施例提供的热沉和半导体器件，在热沉本体内部封入热管微结构和相变液体，热管微结构具有毛细多孔材料，热沉的一端（热端）和热源连接，热沉的另一端（冷端）浸入冷却液，热源散发的热量通过热沉本体传导至热管微结构，热量将相变液体气化使其流向冷端，使热端的热量被带至冷端，冷端的冷却液将气化的相变液体冷却，在冷端进行热交换，使其由气化状态凝结为液态，凝结为液态的相变液体因其内部毛细多孔材料的缝隙效应，又流向热端，对热端进行冷却，如此往复循环，相变液体的气化带走大量的热量，达到对热源散热的目的。本申请实施例提供的热沉，热源可通过热沉将热量传导至内部的热管微结构，通过相变液体的气化、冷凝带走热源的热量，再将热源的热量传导至冷却液，通过冷却液的热对流进行换热，完成对热源的散热，以控制热源的温度。并且，热沉本体的热膨胀系数和热源匹配，当热沉和热源焊接连接时，能够有效减少焊接时的热应力，提高产品的可靠性。热沉本体两侧分别设有金属层，金属层包括由热沉本体的厚度方向依次向两侧层叠的钛层、铜层、镍层、铂层和金层，在热沉上设有金属层，使热沉应用于半导体器件时，热沉能够和芯片之间导电，并且方便热沉和芯片之间焊接固定，金属导热性好，设置金属层还能进一步提高热沉对芯片的散热效率。热沉本体表面电镀一层铜层，铜热导率高，能使热量横向扩散，提高散热效率；对铜层进一步精细加工，保证热沉材料尺寸精度，可增加金属层与芯片焊接区域的面型精度，焊接后可使焊接表面更平整，为了增强铜层的黏附力，在热沉表面先溅射一层钛层，然后对铜层进行研磨，再在铜层上依次设置镍层、铂层和金层，以在热沉本体上形成整体的金属层。镍层、铂层可作为阻挡层，能有效的阻止焊料扩散，减少焊料合金化，提高焊接可靠性，两层阻挡层的阻挡效果更好，铂层能进一步提高焊接强度，金层位于热沉本体表面的最外侧，金的可焊接性好，热沉和芯片焊接时，能使芯片和热沉通过金属层更好地焊接结合。上述不同的金属相互配合，形成整体的金属层，热沉和金属层一体后，芯片和热沉通过金属层焊接，能提高热沉的散热性能和稳定性，还能提高焊接强度。
17.本半导体器件，多个芯片和多个热沉间隔设置，芯片工作并产生热量，热沉对每个芯片的两侧均能散热。芯片工作时产生热量，通过热沉对芯片散热，将热量带至冷却液端，热沉内设有热管微结构，通过毛细多孔材料的毛细抽吸压力和内部的相变液体的相变实现传热，使得导热性能好，能快速对芯片散热。热沉和芯片通过焊接固定，热沉本体的热膨胀系数与芯片的热膨胀系数相匹配，减小两者焊接产生的热应力，以提高产品的可靠性。上述热沉应用于半导体器件，对半导体器件的整体结构来说，其散热性能、稳定性和强度均有效提高，增强半导体器件的整体性能。
附图说明
18.为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请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申请的某些实施例，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。
19.图1是本实施例提供的热沉结构示意图之一；图2是本实施例提供的热沉结构示意图之二；
图3是本实施例提供的热沉结构示意图之三；图4是本实施例提供的半导体器件结构示意图之一；图5是本实施例提供的半导体器件结构示意图之二；图6是本实施例提供的半导体器件结构示意图之三。
20.图标：10
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热沉；101
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热沉本体；1011
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粗化表面；11
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热管微结构；12
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支撑柱；102
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钛层；103
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铜层；104
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镍层；105
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铂层；106
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金层；13
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金锡焊接层；14
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铟焊接层；20
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芯片；21
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输出面；22
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第一面；23
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第二面；201
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螺钉；221
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冷却液进口；222
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冷却液出口；30
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绝缘密封结构；41
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正极；42
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负极；50
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冷却液；60
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绝缘密封块；70
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弹性密封层。
具体实施方式
21.下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
22.在本申请的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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申请中的具体含义。
24.本申请实施例提供一种热沉10，如图1所示，包括热沉本体101，所述热沉本体101内设有腔室，腔室内设有热管微结构11，并填充相变液体，热沉10的一端用于浸入冷却液50内，热沉10的另一端用于和热源连接，热沉本体101的膨胀系数和热源的热膨胀系数匹配。
25.热沉本体101作为热沉10的外部支撑结构，其内部具有腔室。腔室内设有热管微结构11，热管微结构11包括管体，管体内具有毛细多孔材料，向毛细多孔材料中充满相变液体后加以密封，热管微结构11主要靠相变液体的汽、液相变传热，热阻很小，热管微结构11通过热传导与相变液体的快速热传递特性，依靠毛细多孔材料足够大的毛细抽吸压力和内部的相变液体相变来实现传热，透过热管微结构11将热源的热量迅速传递，具有很高的导热能力。
26.换热过程中，热沉10和热源连接的一端为热端，浸入冷却液50的一端为冷端。热源的热量传导至热沉10内的热管微结构11，相变液体被热量气化流向冷端，即将热端的热量带到冷端，气化的相变液体在冷端被冷却液50冷却，凝结为液态，液态的相变液体由于内部毛细多孔材料的缝隙效应，流向热端，对热端进行冷却，往复循环，由于相变液体的气化带走大量的热量，所以热沉10的散热效率非常高。在热沉本体101内设置热管微结构11，提高了热沉10的导热性能。
27.其中，相变液体可以是水，还可以是甲醇或乙醇等一类传热性能好的相变液体。
28.相变液体可以是水，可以是甲醇或乙醇，还可以是上述三种中任意两种的组合，还可以是上述任意三种的组合。根据不同的实际需要，可具体设置。
29.而热沉本体101的热膨胀系数与热源匹配，当热沉本体101和热源焊接时，能够减小焊接时产生的热应力。
30.具体地，当热沉10应用于半导体器件时，热沉本体101的材料可为金刚石铜复合材料，金刚石铜的热膨胀系数与芯片20（热源）的热膨胀系数很接近，可以实现芯片20与金刚石铜金锡焊接，提高了产品的可靠性。
31.此外，为进一步提高冷却液50对热沉10的换热效率，还可对热沉本体101浸入冷却液50的一端的表面进行粗化处理，使其成为如图3所示的粗化表面1011。粗化是用机械方法或化学方法对热沉本体101表面进行处理，进行机械磨损或化学腐蚀，从而在热沉本体101表面得到一种微观粗糙的结构，这种微观粗糙的结构能提高热沉10的换热效率。
32.如图2所示，在热沉本体101上沿热沉本体101的厚度方向向两侧分别设有金属层，金属层包括由热沉本体101向厚度方向两侧依次层叠的钛层102、铜层103、镍层104、铂层105和金层106。
33.在热沉本体101上设有金属层，使热沉10应用于半导体器件时，热沉10能够和芯片20（热源）之间导电，并且方便热沉10和芯片20之间焊接固定。
34.热沉本体的材料为金刚石铜，金刚石铜的热膨胀系数为7.8x10
‑6/℃；金锡焊接层的焊料热膨胀系数为16x10
‑6/℃，铜层的铜料热膨胀系数为16x10
‑6/℃，芯片的材料为砷化镓，所述砷化镓的热膨胀系数为6.5 x10
‑6/℃，根据热膨胀系数调整的基本原理，将铜层的厚度尽可能降低的同时，扩大热沉本体101的厚度，才能将所有金属层的热膨胀系数调配至与热沉本体101的金刚石铜的热膨胀系数相近，热沉本体101为具有腔室的薄壁结构，所以虽然热沉本体101与芯片20焊接的面，也就是热沉本体101厚度方向的薄壁，薄壁的厚度较小，但热沉本体101与金属层被焊接成一个整体，能够增强热沉10整体材料的稳定性。
35.金刚石铜材料不易得到平整的表面，因此在热沉本体101上设置铜层103。为了得到平整的焊接面，金刚石铜的热沉10成型后，需在热沉10上表面电镀一层铜层103，电镀厚度约40um，为了增强铜层103的黏附力，在金刚石铜表面先溅射一层钛层102，然后对铜层103进行研磨，或者镜面车床车削，最后铜层103厚度控制在10um～12 um之间。再在铜层103上依次设置镍层104、铂层105和金层106，以在热沉10上形成金属层。
36.本申请实施例提供的热沉10，在热沉本体101内部封入热管微结构11和相变液体，热管微结构11具有毛细多孔材料，热沉10的一端（热端）和热源连接，热沉10的另一端（冷端）浸入冷却液50，热源散发的热量通过热沉本体101传导至热管微结构11，热量将相变液体气化使其流向冷端，使热端的热量被带至冷端，冷端的冷却液50将气化的相变液体冷却，在冷端进行热交换，使其由气化状态凝结为液态，凝结为液态的相变液体因其内部毛细多孔材料的微结构的缝隙效应，又流向热端，对热端进行冷却，如此往复循环，相变液体的气化带走大量的热量，达到对热源散热的目的。本申请实施例提供的热沉10，热源可通过热沉10将热量传导至内部的热管微结构11，通过相变液体的气化、冷凝带走热源的热量，再将热源的热量传导至冷却液50，通过冷却液50的热对流进行换热，完成对热源的散热，以控制热源的温度。并且，热沉本体101的热膨胀系数和热源匹配，当热沉10和热源焊接连接时，能够有效减少焊接时的热应力，提高产品的可靠性。此外，在热沉本体101两侧分别设有金属层，金属层包括由热沉本体101厚度方向两侧依次层叠的钛层102、铜层103、镍层104、铂层105和金层106。在热沉本体101上设有金属层，使热沉10应用于半导体器件时，热沉10能够和芯
片20（热源）之间导电，并且方便热沉10和芯片20之间焊接固定。金属导热性好，设置金属层还能进一步提高热沉10对芯片的散热效率。在热沉本体101上设置铜层103，铜热导率高，能使热量横向扩散，提高散热效率；对铜层103进一步精细加工，保证热沉10材料尺寸精度，可增加金属层与芯片20焊接区域的面型精度，后续热沉10通过金属层和芯片20焊接时，能够得到平整的焊接面，为了增强铜层103的黏附力，先在热沉本体101表面先溅射一层钛层102，然后在钛层102上镀覆铜层103，对铜层103进行研磨，再在铜层103上依次设置镍层104、铂层105和金层106，以在热沉10上形成金属层。镍层104、铂层105可作为阻挡层，能有效的阻止焊料扩散，减少焊料合金化，提高焊接可靠性，两层阻挡层的阻挡效果更好，铂层105能进一步提高焊接强度，金层106位于热沉本体101表面的最外侧，金的可焊接性好，热沉10和芯片20焊接时，能使芯片20和热沉10通过金属层更好地焊接结合。上述采用不同的金属形成的具有层叠结构的金属层，不同金属之间相互配合，能有效增强热沉的散热性能，并提高焊接强度，保证热沉的稳定性。将热沉10应用于半导体器件，对半导体器件的整体结构来说，其散热性能、稳定性和强度均有效提高，增强半导体器件的整体性能。
37.热沉本体101为长方体结构，长方体结构的热沉本体101可形成类似扁平式热沉，在热沉本体101内部设置热管微结构11，热管微结构11沿热沉本体101的长度方向设置，即按热管微结构11的轴向方向设置，热管微结构11的轴向导热性很强，当按照这种方式排布时，进一步提高了热沉本体101在长度方向上的导热能力。这样一来，热沉本体101的长度加长后，在其内沿长度方向设置热管微结构11时，也就增长了导热路径，能进行充分的热交换，适合布置于因散热路径短而散热效率低的散热结构内。
38.为加强热沉10的结构强度，在热沉本体101内还设有多个支撑柱12，多个支撑柱12沿热沉本体101的厚度方向间隔设置，支撑柱12两端在厚度方向上分别和热沉本体101的内壁抵持，以支撑热沉本体101在厚度方向上的强度和刚性；支撑柱12在热沉本体101的宽度方向上和热沉本体101的内壁之间有空隙，以使热管微结构11能在热沉本体101内设置，相变液体能在热沉本体101内流动。
39.综上，本申请实施例提供的热沉10，热沉10内设有热管微结构11，热管微结构11具有毛细多孔材料，毛细多孔材料中充满相变液体，将热沉10的一端和热源连接、另一端浸入冷却液50内，热源的热量传导至热沉10内的热管微结构11，热量将相变液体气化使其流向冷却液50的一端，与冷却液50进行热交换，冷却液50将气化的相变液体冷却使其凝结为液态，液态的相变液体在内部毛细多孔材料的缝隙中流回热源端，冷却热源，往复循环对热源散热。对热沉本体101浸入冷却液50的一端进行表面粗化处理，进一步提高散热效果，使热沉10的散热效果好，散热效率高。并且，还使热沉本体101的热膨胀系数与热源的热膨胀系数相匹配，以减小热沉10和热源焊接时产生的热应力，提高产品可靠性。热沉10内还设有支撑柱12，加强了热沉10在厚度方向上的强度和刚性，提高使用寿命和性能。热沉本体101上的金属层，方便热沉10和芯片20之间导电、焊接。
40.本申请实施例还公开了一种半导体器件，包括多个依次间隔排列的芯片20，沿芯片20的输出面的两侧分别设有如上述实施例的热沉10，热沉10远离芯片20的一端浸入冷却液50。
41.半导体器件还包括封装壳体，以及封装壳体内相对设置的正极41和负极42，多个依次间隔排列的芯片20位于正极41和负极42之间，封装壳体内设有填充腔，填充腔内填充
有冷却液50。
42.示例地，如图4所示，正极41和负极42之间具有多个热沉10和多个芯片20，正极41和负极42分别通过螺钉201和一个热沉10连接，多个热沉10间隔排列设置，两个热沉10的间隙内设置一个芯片20；多个芯片20间隔排列设置，两个芯片20的间隙内设有一个热沉10，形成芯片20和热沉10依次间隔设置的结构。
43.并且，热沉10沿芯片20的输出面21的两侧设置，避免遮挡芯片20的输出面21，影响半导体器件工作。同时，封装壳体上朝向输出面21的一侧可设为透明侧，采用透明材料制作，以使芯片20的输出面21经封装壳体的透明侧可见。
44.芯片20的第一面22（p面）通过金锡焊接层13（硬焊料）和热沉10连接以形成一个结构组，多个这样的结构组层叠形成芯片20和热沉10依次间隔设置的结构。
45.结构组的芯片20的第二面23（n面）通过铟焊接层14（软焊料）和另一个结构组的热沉10连接，第一面22和第二面23为芯片20的两个相对面。
46.为了提高芯片20焊接可靠性，芯片20的p面与热沉10之间采用金锡硬焊料焊接，设计热沉10与芯片20的热膨胀系数非常接近，避免因热应力问题导致芯片断裂失效，同时热沉10整体为金刚石铜材质，使整个结构稳定的同时，可以将热沉10与芯片20的焊接面设置的很薄，即热沉本体101厚度方向的壁厚较小，能够提高散热效率。
47.热沉本体101和金锡焊接层13之间、热沉本体101和铟焊接层14分别设有金属层，便于芯片20和热沉10之间导电，使正极41和负极42导通。并且，热沉本体101的热膨胀系数和芯片20匹配，避免产生焊接热应力，提高半导体器件的工作可靠性。
48.如图4所示，将热沉10和芯片20层叠设置时，一个芯片20的第一面22和一个热沉10先通过硬焊料焊接形成一个结构组，然后多个这样的结构组焊接时，芯片20的第二面23和另一个结构组的热沉10通过软焊料焊接，以形成层叠结构。
49.示例地，图4中芯片20的第一面22和第二面23设置为不同位置时，与不同侧的热沉10形成一个结构组。
50.热沉10沿其长度方向的上端和芯片20连接，热沉10沿其长度方向的下端浸入冷却液50内，这样一来，芯片20工作产生的热量通过热沉10传导至冷却液50，并在冷却液50内进行热交换，完成对芯片20的散热。
51.并且，冷却液50为去离子水一类的绝缘冷却液，避免热沉10在冷却液50中导电。
52.如图5所示，封装壳体上还设有冷却液进口221和冷却液出口222，冷却液进口221和冷却液出口222连通至填充腔内，便于冷却液50进出循环，提高换热效率。
53.如图6所示，冷却液50经冷却液进口221流入填充腔内，经冷却液出口222从填充腔内流出，以在填充腔内形成循环的冷却液50。冷却液50和热沉10进行热交换时，循环的冷却液50能够提高热交换效率，热沉10交换给冷却液50的热量经流出的冷却液50带走，流入的冷却液50的冷却能力高，循环的冷却液50使热交换能力得以提升。
54.在热沉10的下端，填充腔外，相邻热沉10之间还设有绝缘密封结构30，绝缘密封结构30和热沉10之间通过软焊料焊接封装，以消除或降低多个热沉10层叠焊接产生的应力，软焊料可为铟焊料。绝缘密封结构30和芯片20之间有空隙，绝缘密封结构30密封冷却液50的同时，使热沉10的下端之间绝缘不导电，避免正极41和负极42之间短路。同时，绝缘密封结构30还起到固定热沉10的作用。
55.热沉10、芯片20和绝缘密封结构30形成一体结构，正极41和负极42将一体结构夹在中间，也就是说，一体结构位于正极41和负极42之间，绝缘密封结构30起到了稳定整个一体结构的作用，使多个热沉10和芯片20牢固地连接。同时，绝缘密封结构30也起到绝缘、密封的作用。
56.封装壳体内，在芯片20的输出面21的另外两侧，还分别设有绝缘密封块60，绝缘密封块60可通过防水密封胶水，将热沉10两端密封。两个绝缘密封块60的长度能延伸到将正极41和负极42覆盖的程度，也就是说，两个绝缘密封块60能将正极41和负极42夹在中间。
57.在正极41和绝缘密封块60之间，以及负极42和绝缘密封块60之间还分别设有弹性密封层70，起到密封的同时，缓冲绝缘密封块60的安装应力。
58.综上，本申请实施例提供的半导体器件，通过封装壳体封装，多个芯片20和多个热沉10在正极41和负极42之间间隔设置，通过芯片20和热沉10使正极41和负极42导通，热沉10对每个芯片20的两侧均能散热。芯片20工作时产生热量，通过热沉10对芯片20散热，将热量带至冷却液50端，热沉10内设有热管微结构11，通过热管微结构11毛细多孔材料的毛细抽吸压力和内部的相变液体的相变实现传热，使得导热性能好，能快速对芯片20散热。热沉10和芯片20通过焊接固定，热沉本体101的热膨胀系数与芯片20的热膨胀系数相匹配，减小两者焊接产生的热应力，以提高产品的可靠性。并且，为支撑热沉10和芯片20的焊接结构，还采用绝缘密封结构30对热沉10固定，绝缘密封结构30和绝缘冷却液使热沉10的下端之间不导电，避免了因正极41和负极42之间短路而影响正常工作。
59.该半导体器件包含与前述实施例中的热沉10相同的结构和有益效果。热沉10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
60.以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。