一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法与流程

1.本发明涉及电器制造技术领域，具体为一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法。


背景技术：

2.碳化硅材料相比于硅材料来说具有许多重要的特性：更高的击穿电场强度(2-4)x106v/cm；其最高结温可达600℃等。众所周知，半导体材料的特性对其构成的电子器件的表现起着至关重要的作用,利用适当的优良指数可以对sic和si以及其他的普通半导体的理论特性进行一个比较。其中johnson优良指数(jfm)表示器件高功率、高频率性能的基本限制；kfm表示基于晶体管开关速度的优良指数；质量因子1(qf1)表示电力电子器件中有源器件面积和散热材料的优良指数；qf2则表示理想散热器下的优良指数；qf3表示对散热器及其几何形态不加任何假设状况下的优良指数；baliga优良指数bhfm则表示器件高频应用时的优良指数。高压si器件通常用于结温在200℃以下的情况，阻断电压限制在几千伏。由于较宽的能带隙，sic拥有较高的击穿电场和较低的本征载流子浓度，这都使得器件能在高电压、高温下工作。sic还由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电系数，使得sic器件具有好的高频特性。
3.目前的碳化硅开关器件散热效果较差，仅仅依靠碳化硅开关器件本身的碳化硅材料的导热特性进行散热，而这种散热方式只能适用于一些对开关功率较小，且使用寿命要求较低的情况，而对于一些大功率开关器件无法满足散热需求，不能实现通过在碳化硅开关器件内的碳化硅上包裹一层石墨烯材料层，来增强碳化硅开关器件的导热性能，无法达到既快速又不占碳化硅开关器件使用空间的增强碳化硅开关器件散热性能的目的，从而给碳化硅开关器件的长期使用带来极大的不便。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，解决了现有的碳化硅开关器件散热效果较差，仅仅依靠碳化硅开关器件本身的碳化硅材料的导热特性进行散热，而这种散热方式只能适用于一些对开关功率较小，且使用寿命要求较低的情况，而对于一些大功率开关器件无法满足散热需求，不能实现通过在碳化硅开关器件内的碳化硅上包裹一层石墨烯材料层，来增强碳化硅开关器件的导热性能，无法达到既快速又不占碳化硅开关器件使用空间的增强碳化硅开关器件散热性能目的的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，具体包括以下步骤：
8.s1、组装石墨烯导热包裹层：在碳化硅材料层的一面以及两侧均粘附有石墨烯导热包裹层，使石墨烯导热包裹层呈“凹”形将碳化硅材料层进行包裹，并在石墨烯导热包裹
层的外侧通过粘合剂粘附有若干个金属棒；
9.s2、制作欧姆接触电极：在碳化硅材料层的另一面制作欧姆接触电极，注入离子，形成p型或者n型半导体，成为源极和漏极区域，同时在碳化硅材料层制作欧姆接触电极的表面淀积石墨烯导热顶层；
10.s3、沉积金属层：在石墨烯导热顶层的表面依次沉积金属层，沉积结束后进行剥离工艺，去除多余的金属，在惰性气体中进行快速热退火处理，从而得到碳化硅开关基材；
11.s4、组装处理：在步骤s3得到的碳化硅开关基材上连接电路，并且组装外保护壳体，即完成高散热效果的碳化硅开关器件的制作。
12.优选的，所述步骤s1中石墨烯导热包裹层的制备方法具体包括以下步骤：
13.t1、将石墨烯材料粉末通过50-100目的筛选设备筛选出所需粒度的石墨烯材料粉末；
14.t2、将步骤t1中筛选出的石墨烯材料粉末倒入成形模具中，在0.56-0.82mpa的压力下加压5-10min，再放入锅炉内在温度为800-1000℃的条件下烧结成形；
15.t3、退火2-3min后，冷却至室温脱模机加工和表面处理，即可得到所需形状的石墨烯导热层。
16.优选的，所述步骤s3中金属层为ti层、ni层或cu层中的一种或多组的组合。
17.优选的，所述步骤s1中金属棒为铜棒或铝棒中的一种。
18.优选的，所述步骤s1中若干个金属棒的长度与碳化硅开关器件外保护壳体内腔的尺寸保持一致。
19.优选的，所述步骤s3中的退火温度为800-850℃，退火时间为1-2min。
20.优选的，所述步骤s3中惰性气体为氦气、氖气或氩气中的一种。
21.优选的，所述步骤s1中粘合剂是采用型号为xz-t00的耐高温粘合剂。
22.(三)有益效果
23.本发明提供了一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该提升碳化硅开关器件散热性能的方法，具体包括以下步骤：s1、组装石墨烯导热包裹层：在碳化硅材料层的一面以及两侧均粘附有石墨烯导热包裹层，使石墨烯导热包裹层呈“凹”形将碳化硅材料层进行包裹，并在石墨烯导热包裹层的外侧通过粘合剂粘附有若干个金属棒；s2、制作欧姆接触电极：在碳化硅材料层的另一面制作欧姆接触电极，注入离子，形成p型或者n型半导体，成为源极和漏极区域，同时在碳化硅材料层制作欧姆接触电极的表面淀积石墨烯导热顶层；s3、沉积金属层：在石墨烯导热顶层的表面依次沉积金属层，沉积结束后进行剥离工艺，去除多余的金属，在惰性气体中进行快速热退火处理，从而得到碳化硅开关基材；s4、组装处理：在步骤s3得到的碳化硅开关基材上连接电路，并且组装外保护壳体，即完成高散热效果的碳化硅开关器件的制作，可实现通过在碳化硅开关器件内的碳化硅上包裹一层石墨烯材料层，来增强碳化硅开关器件的导热性能，很好的达到了既快速又不占碳化硅开关器件使用空间的增强碳化硅开关器件散热性能的目的，将碳化硅材料的导热特性和石墨烯进行结合协同使用，大大增强了碳化硅开关器件的散热效果，不仅适用于一些对开关功率较小，且使用寿命要求较低的情况，也很好的适用于一些大功率开关器件无法满足散热需求，从而大大方便了碳化硅开关器件的长期使用。
附图说明
24.图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
25.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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.请参阅图1，本发明实施例提供三种技术方案：一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，具体包括以下实施例：
27.实施例1
28.一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，具体包括以下步骤：
29.s1、组装石墨烯导热包裹层：在碳化硅材料层的一面以及两侧均粘附有石墨烯导热包裹层，使石墨烯导热包裹层呈“凹”形将碳化硅材料层进行包裹，并在石墨烯导热包裹层的外侧通过粘合剂粘附有若干个金属棒，金属棒为铜棒，若干个金属棒的长度与碳化硅开关器件外保护壳体内腔的尺寸保持一致，粘合剂是采用型号为xz-t00的耐高温粘合剂；
30.石墨烯导热包裹层的制备方法具体包括以下步骤：
31.t1、将石墨烯材料粉末通过80目的筛选设备筛选出所需粒度的石墨烯材料粉末；
32.t2、将步骤t1中筛选出的石墨烯材料粉末倒入成形模具中，在0.7mpa的压力下加压8min，再放入锅炉内在温度为900℃的条件下烧结成形；
33.t3、退火2.5min后，冷却至室温脱模机加工和表面处理，即可得到所需形状的石墨烯导热层。
34.s2、制作欧姆接触电极：在碳化硅材料层的另一面制作欧姆接触电极，注入离子，形成p型或者n型半导体，成为源极和漏极区域，同时在碳化硅材料层制作欧姆接触电极的表面淀积石墨烯导热顶层；
35.s3、沉积金属层：在石墨烯导热顶层的表面依次沉积金属层，沉积结束后进行剥离工艺，去除多余的金属，在惰性气体中进行快速热退火处理，从而得到碳化硅开关基材，金属层为ti层、ni层和cu层的组合层，退火温度为825℃，退火时间为1.5min，惰性气体为氦气；
36.s4、组装处理：在步骤s3得到的碳化硅开关基材上连接电路，并且组装外保护壳体，即完成高散热效果的碳化硅开关器件的制作。
37.实施例2
38.一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，具体包括以下步骤：
39.s1、组装石墨烯导热包裹层：在碳化硅材料层的一面以及两侧均粘附有石墨烯导热包裹层，使石墨烯导热包裹层呈“凹”形将碳化硅材料层进行包裹，并在石墨烯导热包裹层的外侧通过粘合剂粘附有若干个金属棒，金属棒为铝棒，若干个金属棒的长度与碳化硅开关器件外保护壳体内腔的尺寸保持一致，粘合剂是采用型号为xz-t00的耐高温粘合剂；
40.石墨烯导热包裹层的制备方法具体包括以下步骤：
41.t1、将石墨烯材料粉末通过50目的筛选设备筛选出所需粒度的石墨烯材料粉末；
42.t2、将步骤t1中筛选出的石墨烯材料粉末倒入成形模具中，在0.56mpa的压力下加压5min，再放入锅炉内在温度为800℃的条件下烧结成形；
43.t3、退火2min后，冷却至室温脱模机加工和表面处理，即可得到所需形状的石墨烯导热层。
44.s2、制作欧姆接触电极：在碳化硅材料层的另一面制作欧姆接触电极，注入离子，形成p型或者n型半导体，成为源极和漏极区域，同时在碳化硅材料层制作欧姆接触电极的表面淀积石墨烯导热顶层；
45.s3、沉积金属层：在石墨烯导热顶层的表面依次沉积金属层，沉积结束后进行剥离工艺，去除多余的金属，在惰性气体中进行快速热退火处理，从而得到碳化硅开关基材，金属层为ti层和ni层的组合层，退火温度为800℃，退火时间为1min，惰性气体为氖气；
46.s4、组装处理：在步骤s3得到的碳化硅开关基材上连接电路，并且组装外保护壳体，即完成高散热效果的碳化硅开关器件的制作。
47.实施例3
48.一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，具体包括以下步骤：
49.s1、组装石墨烯导热包裹层：在碳化硅材料层的一面以及两侧均粘附有石墨烯导热包裹层，使石墨烯导热包裹层呈“凹”形将碳化硅材料层进行包裹，并在石墨烯导热包裹层的外侧通过粘合剂粘附有若干个金属棒，金属棒为铜棒，若干个金属棒的长度与碳化硅开关器件外保护壳体内腔的尺寸保持一致，粘合剂是采用型号为xz-t00的耐高温粘合剂；
50.石墨烯导热包裹层的制备方法具体包括以下步骤：
51.t1、将石墨烯材料粉末通过100目的筛选设备筛选出所需粒度的石墨烯材料粉末；
52.t2、将步骤t1中筛选出的石墨烯材料粉末倒入成形模具中，在0.82mpa的压力下加压10min，再放入锅炉内在温度为1000℃的条件下烧结成形；
53.t3、退火3min后，冷却至室温脱模机加工和表面处理，即可得到所需形状的石墨烯导热层。
54.s2、制作欧姆接触电极：在碳化硅材料层的另一面制作欧姆接触电极，注入离子，形成p型或者n型半导体，成为源极和漏极区域，同时在碳化硅材料层制作欧姆接触电极的表面淀积石墨烯导热顶层；
55.s3、沉积金属层：在石墨烯导热顶层的表面依次沉积金属层，沉积结束后进行剥离工艺，去除多余的金属，在惰性气体中进行快速热退火处理，从而得到碳化硅开关基材，金属层为ti层和cu层的组合层，退火温度为850℃，退火时间为2min，惰性气体为氩气；
56.s4、组装处理：在步骤s3得到的碳化硅开关基材上连接电路，并且组装外保护壳体，即完成高散热效果的碳化硅开关器件的制作。
57.综上，本发明可实现通过在碳化硅开关器件内的碳化硅上包裹一层石墨烯材料层，来增强碳化硅开关器件的导热性能，很好的达到了既快速又不占碳化硅开关器件使用空间的增强碳化硅开关器件散热性能的目的，将碳化硅材料的导热特性和石墨烯进行结合协同使用，大大增强了碳化硅开关器件的散热效果，不仅适用于一些对开关功率较小，且使用寿命要求较低的情况，也很好的适用于一些大功率开关器件无法满足散热需求，从而大大方便了碳化硅开关器件的长期使用。
58.同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
59.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：s1、组装石墨烯导热包裹层：在碳化硅材料层的一面以及两侧均粘附有石墨烯导热包裹层，使石墨烯导热包裹层呈“凹”形将碳化硅材料层进行包裹，并在石墨烯导热包裹层的外侧通过粘合剂粘附有若干个金属棒；s2、制作欧姆接触电极：在碳化硅材料层的另一面制作欧姆接触电极，注入离子，形成p型或者n型半导体，成为源极和漏极区域，同时在碳化硅材料层制作欧姆接触电极的表面淀积石墨烯导热顶层；s3、沉积金属层：在石墨烯导热顶层的表面依次沉积金属层，沉积结束后进行剥离工艺，去除多余的金属，在惰性气体中进行快速热退火处理，从而得到碳化硅开关基材；s4、组装处理：在步骤s3得到的碳化硅开关基材上连接电路，并且组装外保护壳体，即完成高散热效果的碳化硅开关器件的制作。2.根据权利要求1所述的一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：所述步骤s1中石墨烯导热包裹层的制备方法具体包括以下步骤：t1、将石墨烯材料粉末通过50-100目的筛选设备筛选出所需粒度的石墨烯材料粉末；t2、将步骤t1中筛选出的石墨烯材料粉末倒入成形模具中，在0.56-0.82mpa的压力下加压5-10min，再放入锅炉内在温度为800-1000℃的条件下烧结成形；t3、退火2-3min后，冷却至室温脱模机加工和表面处理，即可得到所需形状的石墨烯导热层。3.根据权利要求1所述的一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：所述步骤s3中金属层为ti层、ni层或cu层中的一种或多组的组合。4.根据权利要求1所述的一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：所述步骤s1中金属棒为铜棒或铝棒中的一种。5.根据权利要求1所述的一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：所述步骤s1中若干个金属棒的长度与碳化硅开关器件外保护壳体内腔的尺寸保持一致。6.根据权利要求1所述的一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：所述步骤s3中的退火温度为800-850℃，退火时间为1-2min。7.根据权利要求1所述的一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：所述步骤s3中惰性气体为氦气、氖气或氩气中的一种。8.根据权利要求1所述的一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，其特征在于：所述步骤s1中粘合剂是采用型号为xz-t00的耐高温粘合剂。

技术总结
本发明公开了一种提升碳化硅开关器件散热性能的方法，具体包括以下步骤：S1、组装石墨烯导热包裹层，S2、制作欧姆接触电极，S3、沉积金属层，S4、组装处理，本发明涉及电器制造技术领域。该提升碳化硅开关器件散热性能的方法，可实现通过在碳化硅开关器件内的碳化硅上包裹一层石墨烯材料层，来增强碳化硅开关器件的导热性能，很好的达到了既快速又不占碳化硅开关器件使用空间的增强碳化硅开关器件散热性能的目的，将碳化硅材料的导热特性和石墨烯进行结合协同使用，大大增强了碳化硅开关器件的散热效果，不仅适用于一些对开关功率较小，且使用寿命要求较低的情况，也很好的适用于一些大功率开关器件无法满足散热需求。大功率开关器件无法满足散热需求。大功率开关器件无法满足散热需求。


技术研发人员：郭英豪 徐真 温鹏 黄毅
受保护的技术使用者：湖北德普电气股份有限公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/22