專利名稱：半導體元件與熱管的接合方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體元件與熱管的接合方法。
背景技術：
現(xiàn)有半導體元件的散熱一般使用熱管(Heat pipe)及散熱片(Heat sink)等傳熱效率高的 元件將其在工作時產(chǎn)生的熱量快速散除，以避免大量的熱累積而導致其工作效率降低，具體 可參見Vladimir G. Pastukhov等人在文獻2006 IEEE， 22nd IEEE SEMI-THERM Symposium中 的Low-noise cooling system for pc on the base of loop heat pipes^^文。
請參見圖l，現(xiàn)有技術中的熱管lO—般由熱管殼體ll、毛細結構層12及工作流體(圖未示 )組成，其工作原理為熱管的蒸發(fā)端13的工作流體吸取熱量后變成氣態(tài)，氣態(tài)的工作流體 到達冷凝端14時釋放所吸收的熱量并轉(zhuǎn)變成液態(tài)，再經(jīng)由毛細結構層12流回蒸發(fā)端13。 一般 在熱管的冷凝端14連接有散熱片，散熱片與空氣大面積接觸，可將熱管冷凝端14釋放的熱量 散發(fā)到空氣中，達到散熱的目的。
半導體元件與熱管的接合方式有間接接合和直接接合兩種方式。其中，間接接合方式是 將半導體元件安裝在印刷電路板(PCB)上，然后將印刷電路板(PCB)與熱管接合，半導體元件 在工作過程中產(chǎn)生的熱量經(jīng)由印制電路板間接傳遞至熱管，再由熱管散發(fā)出去。由于印刷電 路板包含有絕緣層，而絕緣層的熱傳導率很低，因此導致整個系統(tǒng)的散熱效率也不高。直接 接合方式是將半導體元件與熱管直接接合，半導體元件在工作過程中產(chǎn)生的熱量直接傳遞至 熱管后再通過熱管散發(fā)出去；其與間接接合方式相比，其散熱效率要高很多，因此半導體元 件與熱管接合時大多采用直接接合方式。
然而，現(xiàn)有的半導體元件與熱管的直接接合一般是將制備完成的，也即已經(jīng)具有毛細結 構和工作流體的封閉的熱管與半導體元件通過散熱膠(如銀膠)或者熱傳導率較高的金屬(如 錫)接合。由于散熱膠的熱傳導率不高，并且在工作過程中容易受溫度的影響而變質(zhì)、脆化 或脫落，因此常采用表面貼裝(Surface Mount Technology, SMT)工藝利用熔化的錫來接合 半導體元件與熱管，然而熔化的錫的溫度通常在28(TC左右，而一般熱管的工作流體為水， 水蒸汽在20(TC時的飽和氣壓為15倍大氣壓，當溫度達28(TC時，工作流體的飽和氣壓將超過 了熱管的承受能力，易于導致熱管彎曲變形或爆炸等現(xiàn)象
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供一種半導體元件與熱管的接合方法，該接合方法 包括步驟提供一熱管殼體，該熱管殼體具有至少一個開口端；在熱管殼體內(nèi)壁形成一個毛 細結構層；將一個半導體元件與形成有該毛細結構層的該熱管殼體以金屬固接接合；向與半 導體元件接合后的熱管殼體內(nèi)注入工作流體并排除熱管殼體內(nèi)的氣體；密封熱管殼體的該至 少一個開口端。
與現(xiàn)有技術相比，所述半導體元件與熱管的接合方法中，半導體元件與熱管殼體接合時 ，熱管殼體的內(nèi)部沒有工作流體，待二者接合后，再向熱管殼體注入工作流體，因此能夠避 免在焊接過程中產(chǎn)生的大量的熱量造成工作流體氣化而氣壓過高，超過熱管的承受能力而導 致封閉的熱管出現(xiàn)彎曲變形或爆炸等現(xiàn)象，從而可有效保護熱管。


圖l為現(xiàn)有技術中熱管的工作原理示意圖2為本發(fā)明實施例提供的一種半導體元件與熱管的接合方法的流程圖3為在圖2所示流程圖中增加將熱管殼體機械處理成預定形狀的步驟之流程圖4為在圖2所示流程圖中增加將電路板與半導體元件電性接合的步驟之流程圖5為本發(fā)明實施例中電性接合的電路板與半導體元件的側(cè)視圖。
圖6為本發(fā)明另一實施例中電性接合的電路板與半導體元件的側(cè)視圖。
具體實施例方式
參見圖2，本發(fā)明實施例提供的一種半導體元件與熱管的接合方法，其包括以下步驟
(1) 步驟201:提供一個熱管殼體，該熱管殼體具有至少一個開口端。該熱管殼體為一中
空管狀結構，其可為圓筒形。該熱管殼體可由熱傳導率較高的金屬，如銅、銀、鋁、金，或 金屬合金等材料制成。
(2) 步驟202:在熱管殼體內(nèi)壁形成一個毛細結構層。具體的，將毛細結構物質(zhì)填充于該
熱管殼體內(nèi)壁，并經(jīng)由加熱燒結等方式將該毛細結構物質(zhì)固定在該熱管殼體內(nèi)壁上，從而獲 得該毛細結構層。該毛細結構物質(zhì)可為金屬粉末或金屬合金粉末，也可為吸水性較好的纖維 、毛細管、多孔性二氧化矽、吸水陶瓷等具毛細現(xiàn)象的物質(zhì)。
(3) 步驟203:將半導體元件與形成有毛細結構層的該熱管殼體以金屬固接接合。其中， 所采用的金屬固接接合方式可為表面貼裝(SMT)接合。具體為將金屬固接物如錫或錫與其他 金屬的化合物固接在半導體元件與熱管殼體之間，其方式可為印刷壓印一金屬固接物在該 熱管殼體上并加熱使金屬固接物因吸熱軟化而附著在熱管殼體上；接著將半導體元件壓于該 金屬固接物上；然后將該半導體元件、金屬固接物及熱管殼體置于高溫爐內(nèi)加熱使金屬固接
4物熔融并和該半導體元件與該熱管殼體緊密接觸；冷卻后即可使該半導體元件與該熱管殼體 完成接合。
可以理解的是，所采用的金屬固接接合方式并不限于表面貼裝接合，其還可為共晶鍵合 (Eutectic Bonding)或點焊接合等方式。其中，共晶鍵合方式主要是利用共晶溫度鍵合半導 體元件與熱管殼體，先在半導體元件與熱管殼體的接觸面上鍍一層中間介質(zhì)，該中間介質(zhì)一 般為薄金層，該中間介質(zhì)分別與半導體元件和熱管殼體在接觸面上通過化學作用形成化學鍵 (電偶極)，將半導體元件與熱管殼體結合在一起；再在半導體元件與熱管殼體的接觸面施壓 并進行熱處理，使接觸面接合在一起，達成預定的鍵合強度。點焊接合方式主要是采用以錫 為主的錫合金材料作焊料，利用焊槍使焊料熔化，熔流態(tài)的錫焊料借助于毛細管吸力沿半導 體元件與熱管殼體的接觸表面擴散，半導體元件與熱管殼體分別與錫原子之間相互吸引、擴 散、結合而牢固地接合在一起。
在本步驟中，半導體元件與熱管殼體接合的過程會產(chǎn)生大量的熱量，但由于此時的熱管 殼體內(nèi)沒有工作流體且具有至少一個開口端，因此熱管殼體內(nèi)部不會出現(xiàn)高壓的現(xiàn)象，避免 了現(xiàn)有的封閉熱管在高溫高壓的情況下出現(xiàn)彎曲變形或爆炸等現(xiàn)象，從而可有效地保護熱管
(4) 步驟204:向與半導體元件接合后的熱管殼體內(nèi)注入工作流體并排除熱管殼體內(nèi)的氣 體。在步驟204中，可先向熱管殼體內(nèi)注入工作流體后再將熱管殼體內(nèi)的氣體排除，也可先 排除熱管殼體內(nèi)的氣體后再向熱管殼體內(nèi)注入工作流體，具體情形則可視工作流體的特性而 定。其中，該注入至熱管殼體的工作流體可選用水、醇類、酮類或是其他有機化合物或是無 機化合物等。氣體排除方法可選用加熱排氣法、真空排氣法、氧化還原排氣法、滲透排氣法 等方法以排除熱管殼體內(nèi)的空氣等氣體。
(5) 步驟205:密封熱管殼體的該至少一個開口端，使熱管殼體內(nèi)部形成密閉空間，從而 獲得一個封閉的熱管，該熱管與半導體元件以金屬固接接合。
參見圖3，在本發(fā)明實施例提供的步驟202之前，還可進一步包括步驟206:將熱管殼體 機械處理成預定形狀。其中，機械處理方式可為彎折或壓平；例如將熱管殼體彎折成各種適 當?shù)男螤?，如U形；或者將熱管殼體單面壓平或雙面壓平以使的該熱管殼體與該半導體元件 的結合面平整而易于接合。為了在機械處理過程中防止毛細結構層在外力作用下出現(xiàn)坍塌、 崩裂及變形等現(xiàn)象，可在熱管殼體內(nèi)設置，例如插設一支撐體，以使該毛細結構層向外擴張 并緊貼于該熱管殼體內(nèi)壁，再完成將熱管殼體彎折或壓平的步驟，之后再將該支撐體移除。 需要指明的是步驟206也可執(zhí)行在步驟202之后且步驟203之前，具體情形可視熱管殼體的制作方式而定。
請參見圖4，在本發(fā)明實施例提供的步驟205之后，還可進一步包括步驟207:將一個電 路板與半導體元件電性接合。其中，與半導體元件形成電性接合的電路板和封閉的熱管53之 間的相對位置關系可為圖5及圖6所示之兩種情形之一。
參見圖5，該電路板54與熱管53相互分離。該半導體元件51通過金屬固接物52與熱管53 相接合；該電路板54與該熱管53相互分離。該電路板54包括導電層541和絕緣層542，該電路 板54的導電層541通過導線55與半導體元件51電性接合。該電路板54為印刷電路板(PCB)、金 屬電路板(MCPCB)等，其絕緣層542由樹脂、橡膠等絕緣材料制成。該金屬固接物52為熱傳導 率較高的金屬，如焊錫等材料制成。
參見圖6，該電路板64設置在該熱管53的殼體的外壁上。該半導體元件51通過金屬固接 物52與熱管53相接合；該電路板64設置在熱管53的殼體的外壁上，其包括導電層641和絕緣 層642。該電路板64的導電層641通過導線65與半導體元件51電性接合，該電路板64的絕緣層 642與熱管53殼體的外壁通過接合物質(zhì)66相接合。該接合物質(zhì)66為導熱膠或焊錫等物質(zhì)。
上述各實施方式中的半導體元件51可選自發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)、 激光二極管(Laser Diode)、發(fā)光二極管晶片(LED chip)、高功率元件(High Power Elements)、高頻元件(High Frequency Elements)及功率集成電路(Power IC)。
需要指明的是，圖5和圖6僅給出熱管53為單面壓平的圓柱形，但是，本領域技術人員可 以理解的是，熱管還可以為其他不同的形狀，例如，為圓柱形或雙面壓平等形狀。
另外，本領域技術人員還可于本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，只要其不偏離本發(fā)明的技術效 果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種半導體元件與熱管的接合方法，該接合方法包括步驟提供一熱管殼體，該熱管殼體具有至少一個開口端；在該熱管殼體內(nèi)壁形成一個毛細結構層；將一個半導體元件與形成有該毛細結構層的該熱管殼體以金屬固接接合；向與該半導體元件接合后的該熱管殼體內(nèi)注入工作流體并排除該熱管殼體內(nèi)的氣體；密封該熱管殼體的該至少一個開口端。
2.如權利要求l所述的半導體元件與熱管的接合方法，其特征在于， 所述金屬固接接合為共晶鍵合、表面貼裝接合或點焊接合。
3.如權利要求l所述的半導體元件與熱管的接合方法，其特征在于， 排除該熱管殼體內(nèi)的氣體的方法為加熱排氣法、真空排氣法、氧化還原排氣法及滲透排氣法 中的至少一種。
4.如權利要求l所述的半導體元件與熱管的接合方法，其特征在于， 在該熱管殼體內(nèi)壁形成該毛細結構層的步驟之前還包括步驟將該熱管殼體機械處理成預定 形狀。
5.如權利要求l所述的半導體元件與熱管的接合方法，其特征在于， 在該熱管殼體內(nèi)壁形成該毛細結構層的步驟之后且在將該半導體元件與形成有該毛細結構層 的該熱管殼體以金屬固接接合的步驟之前還包括步驟將該熱管殼體機械處理成預定形狀。
6.如權利要求l所述的半導體元件與熱管的接合方法，其特征在于， 在密封該熱管殼體的該至少一個開口端后進一步包括步驟將一個電路板與該半導體元件電性接合。
7.如權利要求l所述的半導體元件與熱管的接合方法，其特征在于，該半導體元件選自發(fā)光二極管、激光二極管、發(fā)光二極管晶片、高功率元件、高頻元件及功 率集成電路。
全文摘要
一種半導體元件與熱管的接合方法，該接合方法包括步驟提供一個熱管殼體，該熱管殼體具有至少一個開口端；在熱管殼體內(nèi)壁形成一個毛細結構層；將一個半導體元件與形成有該毛細結構層的該熱管殼體以金屬固接接合；向與半導體元件接合后的熱管殼體內(nèi)注入工作流體并排除熱管殼體內(nèi)的氣體；密封熱管殼體的該至少一個開口端。這種接合方法避免了熱管在與半導體元件接合過程中出現(xiàn)彎曲變形或爆炸等現(xiàn)象，從而可有效保護熱管。
文檔編號H01L21/50GK101552212SQ20081030081
公開日2009年10月7日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權日2008年4月2日
發(fā)明者張忠民, 徐智鵬, 李澤安, 賴志銘 申請人:展晶科技(深圳)有限公司;先進開發(fā)光電股份有限公司