高热流密度散热用微流道热沉制备方法技术

本发明专利技术提出的是一种高热流密度散热用微流道热沉制备方法,包括如下步骤:a)材料选择；b)在板材内部制作微流道；c)三维微流道无变形成型；d）将金属框架、陶瓷框、外引线、IC器件、传感器、加热器集成在有源微流道热沉上，实现系统的微型化，并为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能。优点:产品具有热膨胀系数可调，可通过高热导率媒介及时将器件或者系统产生的热量从热沉带走，使热沉表面的温度尽可能降低并保持恒定，具有体积小、散热面积大，能够满足大功率密度散热需要，可焊性和稳定性良好，还易于与其他元件或者零件实现封接。

Method for preparing micro channel heat sink for high heat flux density radiation

The present invention relates to a high heat flux with micro channel heat sink preparation method comprises the following steps: a) material selection; b) in the fabrication of micro channel plate; c) three-dimensional microchannel deformation forming; d) metal frame, ceramic frame and outer leads, IC devices, sensor device, heater integrated in the active micro channel heat sink, miniaturization of the system, provide mechanical support, environmental protection and internal circuit and chip to realize input and output function and. Advantages: products with adjustable thermal expansion coefficient, the thermal conductivity of the media device or system will produce timely heat from the heat sink away, the heat sink surface temperature as low as possible and keep constant, with small size, large radiating area, can meet the high power density heat dissipation, weldability and stability good, easy and other components or parts to achieve sealing.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种高热流密度散热用微流道热沉制备方法,属于微电子制造

技术介绍
随着高集成度的电子器件、微电子机械系统、大功率激光器的迅速发展，电路功率显著上升，工作过程产生的热流密度不可避免急剧增加，KW/m2，MW/m2量级高热流密度散热问题引起广泛关注，这就需要散热热沉从与芯片有限的接触面积上带走大量的热，传统热沉材料，如LTCC、A1203、BeO、AlN、Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu/W和Cu/Mo等很难满足这种高热流密度散热需要。以微系统技术和流体力学理论为基础的有源微流道热沉通过高热导率媒介，如水、液氮等及时将器件或者系统产生的热量从热沉带走，使热沉表面的温度尽可能降低并保持恒定，具有体积小、散热面积大、可批量制作、成本低廉等优点，但是传统的微流道主要是在定向硅片上或者在基板上利用微机械加工和各向异性蚀刻等技术制作，微流道截面小，液体单相流经微流道时会伴随较大的温升，引起热应力过高或芯片热电不匹配等严重问题。因此，需要以微系统技术和流体力学理论为基础开发出不仅微流道截面积大，热膨胀系数与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓等线性膨胀系数匹配，可焊性和稳定性良好，易于与其他元件或者零件实现封接，还可满足高热流密度散热需要的外壳，为封装芯片和内部电路提供良好的机械支撑、环境保护，输入输出功能并确保它们在加工和使用过程处于稳定可靠状态。用于微流道热沉制备的一个关键技术是材料的选择，它不仅需要材料具有一定的热导率，线性膨胀系数(TEC)与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓等材料的线性膨胀系数匹配，还需要具有良好的可加工性、可焊性和稳定性；其次，在材料内部集成制作三维微流道，无变形成型技术；第三个关键技术是热沉与其他元件或者零件的封接，为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能，成为器件和系统主要的散热通道并确保它们处于安全可靠状态。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种高热流密度散热用微流道热沉制备方法，其目的旨在有效地将其应用于电子器件、微电子机械系统，以及制造有源微流道金属热沉、多层陶瓷器件和其它多层互联电子电路等封装。具有热膨胀系数在(4.5～17.6)×10-6/K之间可调，可满足大功率密度散热需要，可焊性和稳定性良好，易于与其他元件或者零件实现封接，能够为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能并确保它们处于稳定可靠状态。本专利技术的技术解决方案：一种高热流密度散热用微流道热沉制备方法,其特征是包括如下步骤:a)材料选择，选择热导率在1.0～300W/m.k，线性膨胀系数(TEC)与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓材料的线性膨胀系数匹配的板材；b)在板材内部制作微流道，采用刻蚀、激光切割和机械冲压等组合加工方式在板材上加工出宽度为0.3～1.0mm的微流道；c)三维微流道无变形成型，通过将填充材料填入流道、叠片热压方式将内部具有流道结构的板材组合在一起并经后续工艺加工形成具有特定性能和功能的微流道热沉；d）将金属框架、陶瓷框、外引线、IC器件、传感器、加热器等集成在有源微流道热沉上，实现系统的微型化，并为芯片和内部电路提供机支撑、环境保护和实现输入输出功能。本专利技术的优点：1)可通过高热导率媒介及时将器件或者系统产生的热量从热沉带走，使热沉表面的温度尽可能降低并保持恒定；2)能满足大功率、高热流密度散热需要，微流道截面积大，热膨胀系数在(4.5～17.6)X10-6/K之间可调；3)能与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓等线性膨胀系数匹配，机械性能、可焊性和稳定性良好，还易于与其他元件或者零件实现封接；4)为封装芯片和内部电路提供良好的机械支撑、环境保护，输入输出功能，与传统半导体制冷、热管冷却、喷雾冷却相比冷却效率高、有利于提高系统运行稳定性和可靠性。具体实施方式一种高热流密度散热用微流道热沉制备方法,包括如下步骤:a)材料选择，选择热导率1.0～300W/m.k，线性膨胀系数(TEC)与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓材料的线性膨胀系数匹配的板材；b)在板材内部制作微流道，采用刻蚀、激光切割和机械冲压等组合加工方式在板材上加工出宽度为0.3～1.0mm的微流道；c)三维微流道无变形成型，通过将填充材料填入流道、叠片热压方式将内部具有流道结构的板材组合在一起并经后续工艺加工形成微流道热沉；d）将金属框架、陶瓷框、外引线、IC器件、传感器、加热器集成在有源微流道热沉上，实现系统的微型化，并为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能。具有热膨胀系数在(4.5～17.6)×10-6/K之间可调，满足大功率、高热流密度散热需要。选择的材料不仅具有一定的热导率，线性膨胀系数(TEC)与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓材料的线性膨胀系数匹配，还具有良好的可加工性、可焊性和稳定性材料，如A1203、BeO、AlN、Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu/W和Cu/Mo其中一种或者几种。所述微流道由底板层，分流板、回流板和进出口盖板构成,其中微流道分布在分流板和回流板位置。微流道无变形成型，是通过将异质材料填入流道或者印刷在表面，然后通过叠片热压方式将内部具有流道结构的板材组合在一起并经后续工艺加工形成,具有特定性能和功能的微流道热沉。可将金属框架、陶瓷框、外引线、IC器件、传感器、加热器集成在有源微流道热沉上，实现系统的微型化，并为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能。微流道热沉可通过高热导率媒介及时将应用高热流密度散热用微流道热沉器件或者系统产生的热量从热沉带走，使热沉表面的温度降低并保持恒定，具有体积小、散热面积大，能够满足大功率密度散热需要，可焊性和稳定性良好，还易于与其他元件或者零件实现封接，为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能并确保它们处于稳定、可靠状态。从具有一定的热导率，热膨胀系数与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓等材料的线性膨胀系数匹配的封装材料，如LTCC、A1203、BeO、AlN、Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu/W和Cu/Mo等中选择一种或者几种；采用刻蚀、激光切割和机械冲压组合加工方式在底板层，分流板、回流板和进出口盖板上加工出微通道和互联孔；在微通道、互联孔内部填充或者在板材表面印刷异质材料；通过叠片、热压或者焊接的方式将内部具有微流道和三维互联结构的板材组合在一起，经后续工艺加工形成具有特定性能和功能的有源微流道热沉。实施例1本专利技术涉及的非常适合用于制备热膨胀系数在(4.5～7)X10-6/K之间，功率密度为10～5000w/cm2散热需要有源微流道热沉，其步骤包括：a）采用激光切割或者机械冲孔的方法在厚度为0.1～2.0mm，具有稳定的介电常数、优良的机械强度和高温稳定性，与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓等非常接近的热膨胀系数的生瓷上加工孔径为0.1～0.5mm的通孔，宽度为0.3～1.0mm的微流道；b）通过厚度为0.1～0.5mm的掩膜版将导体金属化浆料注入经过步骤a加工的通孔内；将异质材料填入微流道；c）采用丝径为12～35um，带有厚膜图形的精密丝网，将导体金属化浆料、异质材料涂覆在经过步骤b通孔填充和微流道填充的氧化铝生瓷表面；d）采用激光切割或者机械冲孔的方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高热流密度散热用微流道热沉制备方法,其特征是包括如下步骤:a)材料选择，选择热导率在1.0～300W/m.k，线性膨胀系数(TEC)与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓材料的线性膨胀系数匹配的板材；b)在板材内部制作微流道，采用刻蚀、激光切割和机械冲压组合加工方式在板材上加工出宽度为0.3～1.0mm的微流道；c)三维微流道无变形成型，通过将填充材料填入流道、叠片热压方式将内部具有流道结构的板材组合在一起并经后续工艺加工形成微流道热沉；d）将金属框架、陶瓷框、外引线、IC器件、传感器、加热器集成在有源微流道热沉上，实现系统的微型化，并为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能。

【技术特征摘要】
1.一种高热流密度散热用微流道热沉制备方法,其特征是包括如下步骤:a)材料选择，选择热导率在1.0～300W/m.k，线性膨胀系数(TEC)与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓材料的线性膨胀系数匹配的板材；b)在板材内部制作微流道，采用刻蚀、激光切割和机械冲压组合加工方式在板材上加工出宽度为0.3～1.0mm的微流道；c)三维微流道无变形成型，通过将填充材料填入流道、叠片热压方式将内部具有流道结构的板材组合在一起并经后续工艺加工形成微流道热沉；d）将金属框架、陶瓷框、外引线、IC器件、传感器、加热器集成在有源微流道热沉上，实现系统的微型化，并为芯片和内部电路提供机械支撑、环境保护和实现输入输出功能。2.根据权利要求1所述的高热流密度散热用微流道热沉制备方法，其特征是具有热膨胀系数在(4.5～17.6)×10-6/K之间可调，满足大功率、高热流密度散热需要。3.根据权利要求1所述的高热流密度散热用微流道热沉制备方法，其特征是选择的材料不仅具有一定的热导率，线性膨胀系数(TEC)与硅、砷化镓、氮化硅、氮化镓材料的线性膨胀系数匹配，还具有良好的可加工性、可焊性和稳定性材料，如A1203、BeO、AlN、Al、Cu、Mo、W、钢、...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐利锋，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32