【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功率半导体器件，具体涉及一种相变吸热功率半导体器件制备方法。
技术介绍
1、功率半导体器件实际运行过程中有时会出现短时过载、浪涌和短路等短时冲击过载，而在某些特殊应用领域，如固态断路器、高功率脉冲源等，功率半导体器件则主要以间歇短时高功率脉冲模式运行。在短时冲击过载工况下，一方面功率半导体器件短时间产生巨大损耗，导致芯片温度急剧上升，功率半导体器件面临较高的电热击穿风险；另一方面短时冲击过载通常持续时间短(秒级)，间隔时间长(分钟级以上)，因此功率半导体器件运行时平均损耗低，理论上仅需简单可靠的自然对流或小型风冷即可，然而目前由于功率半导体器件瞬态损耗大，为了缓解功率半导体器件短时急剧温升，不得不配备结构复杂、体积质量大、可靠性低散热系统，严重限制了装置功率密度和能量密度的提升。
2、材料相变是自然界普遍存在的物理现象，相变时物质温度恒定在相变温度附近，同时伴随大量的能量释放与吸收，物质相变焓通常是其比热容的2～3个数量级。假若利用材料相变温度恒定以及相变吸热特性，在功率半导体器件传热路径上设置相变吸热材料，快速吸收功率半导体器件短时冲击过载时能量耗散，可能实现缓冲功率半导体器件急剧温升的目的，从而显著增加功率半导体器件短时冲击过载应用时安全裕量，同时简化散热需求，提升电力电子装置功率密度与可靠性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是针对上述技术的不足，提供一种相变吸热功率半导体器件制备方法，制备具备相变吸热功能的功率半导体器件，安全裕量高，散热需求低
2、为实现上述目的，本专利技术所设计的相变吸热功率半导体器件制备方法，明确功率半导体器件类型和封装结构，分析功率半导体器件发热体的传热路径，确定相变吸热结构，包括内置式相变吸热结构和融合式相变吸热结构；针对不同的相变吸热结构，分析明确该相变吸热结构的材料体系和复合结构类型，再根据该相变吸热结构提出相变吸热功率半导体器件的工艺流程，完成相变吸热功率半导体器件的制备。
3、优选地，内置式相变吸热结构中，相变吸热结构内置于功率半导体器件封装内腔，与功率半导体器件芯片和陶瓷覆铜层直接接触，部分替代绝缘硅胶。
4、优选地，融合式相变吸热结构中，相变吸热结构布置于功率半导体器件散热基板底部，通过烧结或焊接与功率半导体器件一体融合。
5、优选地，内置式相变吸热结构中，采用相变材料复合高导热颗粒的结构，相变材料用于热能吸收与释放，高导热颗粒用于相变材料改性。
6、优选地，融合式相变吸热结构中，采用相变材料复合多孔骨架的结构，相变材料用于热能吸收与释放，多孔骨架用于相变吸热结构与功率半导体器件基板物理连接以及相变材料导热增强改性，实现相变材料与基板的一体融合连接，对相变材料进行导热增强，提供相变材料超大规模热交换界面。
7、优选地，内置式相变吸热结构中，相变材料为有机烃或有机酸脂类，包括石蜡、月桂酸和棕榈酸中的一种或多种，高导热颗粒为高导热绝缘陶瓷颗粒，包括氧化铝、氮化铝和碳化硅中的一种或多种，高导热颗粒均匀弥散分布于相变材料内部。
8、优选地，融合式相变吸热结构中，相变材料为有机烃或有机酸脂类或金属类，包括bi-cd-sn-pb-in、bi-sn-pb-in中的一种或多种，多孔骨架为导热增强体，包括泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍、泡沫碳化硅金属或陶瓷类，相变材料填充入多孔骨架结构孔隙，导热增强体在相变材料中呈连续分布。
9、优选地，内置式相变吸热结构中，采用熔融注入工艺，首先完成功率半导体器件贴片焊接、键合线/端子超声焊接和塑封，然后将相变材料加热熔化，添加定量高导热颗粒，搅拌混合均匀形成混合熔体待用，最后将混合熔体注入功率半导体器件的塑封模块，完成内置式相变吸热结构的制。
10、优选地，融合式相变吸热结构中，采用烧结或焊接连接+真空液相浸渍工艺，首先选用功率半导体器件基板和多孔骨架，通过烧结或焊接工艺将多孔骨架连接至基板底部，采用气液相沉积方法在多孔骨架表面制备涂层，改善相变材料和多孔骨架的润湿性，增强相界面导热，然后在多孔骨架-基板上继续完成功率半导体器件的封装流程，最后将相变材料融化，采用真空浸渍工艺将相变材料熔体填充入多孔骨架，完成融合式相变吸热结构的制备。
11、优选地，制备完成后，分别设计功率半导体器件+水冷散热、功率半导体器件+内置式相变吸热结构+水冷散热、功率半导体器件+融合式相变吸热结构+水冷散热和功率半导体器件+内置式相变吸热结构+融合式相变吸热结构+水冷散热的试验装置，基于有限元模型或温度测量试验在恒功率脉冲工况开展下功率半导体器件芯片和基板温度仿真和试验，评估不同相变吸热结构方案对功率半导体模块瞬态温升的抑制效果。
12、本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：制备的具备相变吸热功能的功率半导体模块，一方面可以缓冲短时冲击过载时功率半导体模块瞬态温度冲击，提升功率半导体模块安全裕量，另一方面可以降低功率半导体模块散热需求，能够采用结构简单、可靠性高的散热方式，从而大大提高电力电子装置功率密度和可靠性。
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1.一种相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：明确功率半导体器件类型和封装结构，分析功率半导体器件发热体的传热路径，确定相变吸热结构，包括内置式相变吸热结构和融合式相变吸热结构；针对不同的相变吸热结构，分析明确该相变吸热结构的材料体系和复合结构类型，再根据该相变吸热结构提出相变吸热功率半导体器件的工艺流程，完成相变吸热功率半导体器件的制备。
2.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：内置式相变吸热结构中，相变吸热结构内置于功率半导体器件封装内腔，与功率半导体器件芯片和陶瓷覆铜层直接接触，部分替代绝缘硅胶。
3.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：融合式相变吸热结构中，相变吸热结构布置于功率半导体器件散热基板底部，通过烧结或焊接与功率半导体器件一体融合。
4.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：内置式相变吸热结构中，采用相变材料复合高导热颗粒的结构，相变材料用于热能吸收与释放，高导热颗粒用于相变材料改性。
5.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备
6.根据权利要求4所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：内置式相变吸热结构中，相变材料为有机烃或有机酸脂类，包括石蜡、月桂酸和棕榈酸中的一种或多种，高导热颗粒为高导热绝缘陶瓷颗粒，包括氧化铝、氮化铝和碳化硅中的一种或多种，高导热颗粒均匀弥散分布于相变材料内部。
7.根据权利要求5所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：融合式相变吸热结构中，相变材料为有机烃或有机酸脂类或金属类，包括Bi-Cd-Sn-Pb-In、Bi-Sn-Pb-In中的一种或多种，多孔骨架为导热增强体，包括泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍、泡沫碳化硅金属或陶瓷类，相变材料填充入多孔骨架结构孔隙，导热增强体在相变材料中呈连续分布。
8.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：内置式相变吸热结构中，采用熔融注入工艺，首先完成功率半导体器件贴片焊接、键合线/端子超声焊接和塑封，然后将相变材料加热熔化，添加定量高导热颗粒，搅拌混合均匀形成混合熔体待用，最后将混合熔体注入功率半导体器件的塑封模块，完成内置式相变吸热结构的制。
9.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：融合式相变吸热结构中，采用烧结或焊接连接+真空液相浸渍工艺，首先选用功率半导体器件基板和多孔骨架，通过烧结或焊接工艺将多孔骨架连接至基板底部，采用气液相沉积方法在多孔骨架表面制备涂层，改善相变材料和多孔骨架的润湿性，增强相界面导热，然后在多孔骨架-基板上继续完成功率半导体器件的封装流程，最后将相变材料融化，采用真空浸渍工艺将相变材料熔体填充入多孔骨架，完成融合式相变吸热结构的制备。
10.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：制备完成后，分别设计功率半导体器件+水冷散热、功率半导体器件+内置式相变吸热结构+水冷散热、功率半导体器件+融合式相变吸热结构+水冷散热和功率半导体器件+内置式相变吸热结构+融合式相变吸热结构+水冷散热的试验装置，基于有限元模型或温度测量试验在恒功率脉冲工况开展下功率半导体器件芯片和基板温度仿真和试验，评估不同相变吸热结构方案对功率半导体模块瞬态温升的抑制效果。
...【技术特征摘要】
1.一种相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：明确功率半导体器件类型和封装结构，分析功率半导体器件发热体的传热路径，确定相变吸热结构，包括内置式相变吸热结构和融合式相变吸热结构；针对不同的相变吸热结构，分析明确该相变吸热结构的材料体系和复合结构类型，再根据该相变吸热结构提出相变吸热功率半导体器件的工艺流程，完成相变吸热功率半导体器件的制备。
2.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：内置式相变吸热结构中，相变吸热结构内置于功率半导体器件封装内腔，与功率半导体器件芯片和陶瓷覆铜层直接接触，部分替代绝缘硅胶。
3.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：融合式相变吸热结构中，相变吸热结构布置于功率半导体器件散热基板底部，通过烧结或焊接与功率半导体器件一体融合。
4.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：内置式相变吸热结构中，采用相变材料复合高导热颗粒的结构，相变材料用于热能吸收与释放，高导热颗粒用于相变材料改性。
5.根据权利要求1所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：融合式相变吸热结构中，采用相变材料复合多孔骨架的结构，相变材料用于热能吸收与释放，多孔骨架用于相变吸热结构与功率半导体器件基板物理连接以及相变材料导热增强改性，实现相变材料与基板的一体融合连接，对相变材料进行导热增强，提供相变材料超大规模热交换界面。
6.根据权利要求4所述相变吸热功率半导体器件制备方法，其特征在于：内置式相变吸热结构中，相变材料为有机烃或有机酸脂类，包括石蜡、月桂酸和棕榈酸中的一种或多种，高导热颗粒为高导热绝缘陶瓷颗粒，包括氧化铝、氮化铝和碳化硅中的一种或多种，高导热颗粒均匀弥散分布于相变材料内部。
7.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄永乐，罗毅飞，肖飞，刘宾礼，唐欣，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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