一种硅基键合石墨烯（CBG）陶瓷散热器一体化结构

本发明涉及大功率的电子元器件散热领域的技术领域，尤其是一种硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构。

背景技术：

常规的功率半导体封装模块内部结构主要由芯片、陶瓷覆铜板、散热基板、焊接材料、散热器以及导热硅脂、环氧树脂等封装材料组成。不同结构材料的导热性能、热膨胀系数、电气性能等特性对功率半导体电子器件的整体性能影响较大。在大功率半导体模块的封装材料当中，最主要的是影响散热效果的不同材料的热导率以及影响各层结构间应力的不同材料的热膨胀系数。常规的陶瓷覆铜板以dbc（directbondingcopper）应用较多，具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性，又兼具无氧铜的高导电性和优异焊接性能，且能像pcb线路板一样刻蚀出各种图形。但dbc覆铜工艺决定了陶瓷基板两面覆铜的厚度最厚只能达到300μm，且两面铜箔的厚度必须保持一致以使得陶瓷板受两面铜箔的应力相同。为了将芯片产生的热量向下更快的传导出去，就需要在dbc基板下表面的铜箔上使用焊锡焊接厚度达几个毫米的铜基板将热量向下导出，同时为了加快热量的散失，在导热铜基板的下方使用铝制散热器与导热铜基板连接，中间空隙使用导热凝胶填充以提高导热速率。这种常规的功率半导体模块封装方式由于堆叠的层数较多，不同堆叠层的热阻也影响了芯片产生的热量向下传导。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明的目的提供一种通过从上到下依次设置的大功率半导体芯片、锡焊层、铜金属线路和硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器，减少了常规封装结构中间的铜散热基板、导热凝胶结构，降低了热阻，同时再加上硅基键合石墨烯（cbg）优良的导热散热能力，大大提高了散热性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构,包括从上到下依次设置的大功率半导体芯片、锡焊层、铜金属线路和硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器，所述的硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器包括陶瓷散热器以及所述的陶瓷散热器表面设有的一层硅基键合石墨烯（cbg）涂层。

所述的陶瓷散热器包括多片散热翅片，所述的陶瓷散热器采用烧结工艺一体成型。

所述的硅基键合石墨烯（cbg）涂层为采用化学气相沉积（cvd）工艺，以含硅化合物为催化剂，碳氢化合物为碳源生长而成的具有共价键结合的硅基键合石墨烯（cbg）涂层。

所述的含硅化合物为硅橡胶、四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷等含有硅元素的有机化合物中的任一种或几种的组合物。

所述的碳氢化合物为烷烃、烯烃、炔烃、酮类、脂类、醇类、醛类等含有碳氢元素的有机化合物中的任一种或几种的组合物。

所述的大功率半导体芯片为led芯片、igbt芯片、gto芯片、mosfet芯片、gtr芯片。

一种权利要求1所述的硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构的生产工艺，其特征在于，包含以下步骤：

①将陶瓷散热器放置于化学气相沉积（cvd）炉中，向化学气相沉积（cvd）炉充入惰性气体，在惰性气体保护下升温，到达反应温度时向反应炉中通入含硅化合物的催化剂和碳氢化合物反应一段时间，反应结束后降温至室温取出陶瓷散热器，得到表面生长有硅基键合石墨烯（cbg）涂层的陶瓷散热器，反应温度为950~1100℃，硅源催化剂流量范围为0.1~5000sccm，碳源流量范围0.1~5000sccm，反应时间0.1~100h，所述的惰性气体的流量范围0.1~5000sccm；

②铜金属线路为采用丝网印刷工艺将导电铜浆料印刷于硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器的上表面；

③采用回流焊工艺通过锡焊层将大功率半导体芯片焊接于铜金属线路的上表面。

所述的含硅化合物为硅橡胶、四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷等含有硅元素的有机化合物中的任一种或几种的组合物。

所述的碳氢化合物为烷烃、烯烃、炔烃、酮类、脂类、醇类、醛类等含有碳氢元素的有机化合物中的任一种或几种的组合物。

所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任一种。

本发明的有益效果：

本发明采用化学气相沉积（cvd）工艺，以含硅化合物作为硅源催化剂，碳氢化合物作为碳源前驱体，在陶瓷散热器表面生长沉积硅基键合石墨烯（cbg）涂层，以增强陶瓷散热器的导热散热能力，同时使用导电铜浆采用丝网印刷工艺将铜金属线路印刷于硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器的上表面，采用回流焊工艺通过锡焊层将大功率半导体芯片焊接于铜金属线路的上表面，减少了常规封装结构中间的铜散热基板、导热凝胶结构，降低了热阻，同时再加上硅基键合石墨烯（cbg）涂层的优良的导热散热能力以及与陶瓷散热器间优良的结合性能，可以大大提高半导体功率电子器件的散热性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为大功率半导体芯片为大功率led灯器件的结构示意图。

图3为具有硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构的大功率led灯器件与常规封装结构的大功率led灯器件散热性能对比图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，图中：1为硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器、2为铜金属线路、3为锡焊层、4为大功率半导体芯片和5为贴片led灯珠。

本发明的一种硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构,其特征在于：包括从上到下依次设置的大功率半导体芯片4、锡焊层3、铜金属线路2和硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器1，硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器1包括陶瓷散热器以及所述的陶瓷散热器表面设有的一层硅基键合石墨烯（cbg）涂层，陶瓷散热器包括9片散热翅片，陶瓷散热器采用烧结工艺一体成型。硅基键合石墨烯（cbg）涂层为采用化学气相沉积（cvd）工艺，以含硅化合物为催化剂，碳氢化合物为碳源生长而成的具有共价键结合的硅基键合石墨烯（cbg）涂层，含硅化合物为硅橡胶、四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷等含有硅元素的有机化合物中的任一种或几种的组合物，碳氢化合物为烷烃、烯烃、炔烃、酮类、脂类、醇类、醛类等含有碳氢元素的有机化合物中的任一种或几种的组合物，铜金属线路2为采用丝网印刷工艺将导电铜浆料印刷于硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器1上，大功率半导体芯片4采用回流焊工艺通过锡焊层3焊接于铜金属线路2的上表面，制作成硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构的大功率半导体芯片封装模块。

优选的，陶瓷散热器为将96%氧化铝浆料放置于设计好的模具当中，然后采用烧结工艺在高温隧道窑中一体烧结成型；所述硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器1为将一体烧结成型的陶瓷散热器放置于化学气相沉积（cvd）炉中，采用化学气相沉积（cvd）工艺，在流量为50sccm的惰性气体氩气的保护下，以四乙氧基硅烷（teos）为液体硅源催化剂、硅橡胶为固体硅源催化剂，以甲烷（ch4）为碳源，液体硅源催化剂35sccm，硅橡胶的量0.3g，甲烷（ch4）15sccm，在化学气相沉积（cvd）炉中1100℃的条件下反应2h，硅基键合石墨烯（cbg）涂层生长于陶瓷散热器表面，制备出硅基键合石墨烯（cbg）涂层厚度为5μm的硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器1；铜金属线路2为先根据线路图设计制作网版，然后采用丝网印刷工艺将导电铜浆料依据网版印刷在硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器1上，形成厚度为25μm的铜金属线路2；大功率半导体芯片4为贴片led灯珠5，采用回流焊工艺通过锡焊层3焊接于铜金属线路2上，制作成硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构大功率led灯器件。

将制作的硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构大功率led灯器件与常规封装结构的大功率led灯器件连接相同功率的直流电源做散热对比实验，测试结果如附图2所示，硅基键合石墨烯（cbg）陶瓷散热器一体化结构大功率led灯器件的散热性能优于常规封装结构的大功率led灯器件。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。