CN101266111A - 一种常压下微热管真空注液封装的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种常压下微热管真空注液封装的方法，包括注液和封装两个过程，由于微热管腔体及工作液体中残留的空气会严重影响微热管的性能，因此本发明首先采用抽真空与超声振动相结合的方式，将微热管工质注满整个腔体，在封装过程中，采用加热－冷却的方式，使微热管内部达到汽液动态平衡，可实现注液量可控，最后胶封注液孔。与现有技术相比，该发明成本低廉、操作简便、并能保证微热管腔体的高真空度。

Description

一种常压下微热管真空注液封装的方法

(一)技术领域

本发明涉及微热管的封装技术，具体涉及一种硅微热管常压下真空注液封装的方法。

(二)背景技术

随着IC制造技术的快速发展，目前单个芯片上集成的晶体管数目已经上亿，功耗及芯片连线密度越来越高，可用散热面积小，使得热流密度急剧增加，芯片温度显著上升，严重影响其工作可靠性和使用寿命。传统冷却技术如风扇结合热沉的强制对流制冷，半导体热电制冷技术因为传热能力或者加工成本等因素的制约，已不能满足集成电路进一步发展的散热需求。热管技术是一种无需外部驱动，靠自身吸热作为动力进行散热的技术，已在大尺度散热方面有着广泛成熟的应用，随着MEMS工艺及微细加工技术的发展进步，微热管(Micro heatpipe，MHP)冷却技术成为最有吸引力的集成电路和电子芯片散热技术之一。

微型热管是利用工作介质在微小空间中的相变过程进行热量传递的一种高效传热元件。理论和实验研究结果均证明其具有非常好的传热性能，经过优化设计的微型热管能成功地解决诸如微电子芯片等微小电子器件的散热问题，为其提供稳定的工作环境。特别是采用蒸汽空间互相连通结构的微型平板热管，有效降低了汽液高速反向运动带来的界面摩擦剪切力，使热管传热性能显著提高，而且具有良好的启动性和均温性，而MEMS工艺的发展以及与硅基集成电路良好的兼容性，使基于硅的微型平板热管受到了极大的关注。硅微型多槽道平板热管可采用体微机械加工工艺及静电键合方法制作，材料选用导热系数较高的硅，可集成到微电子芯片上。对基于MEMS工艺的硅微型多槽道平板热管进行研究制作，不仅对理论分析有重要意义，而且在工程应用上(特别是微电子、航空航天等领域)也有着广阔的前景。

在微热管的制作过程中，注液和封装是两大技术难点。目前有两种方式，第一种方式如图1所示，该热管以去离子水作为工作液体。注液过程：先将空气从热管腔体中抽出，然后在封口前注入工质。在抽真空的过程中，把一个6mm厚的硅树脂间隔器紧密地贴在微热管上。为了防止抽真空和注液时漏液或漏气，在硅树胶间隔器和微热管接触的缝隙部分涂上一层高真空酯。在硅树胶上打出一个2mm的通孔作为抽真空的通路。当气压低于一定数值时，将硅树胶垂直向下移动，从而将连通的抽气通道隔断，然后注入工质。充液所用工具为EFD1500XL-C压缩型液体分配器，用微型电脑对充液速度和时间进行控制。

第二种方式如图2所示。由于热管阵列和充液设备之间阀门的存在，可对热管进行定量充液。排除工质中不可压缩气体的方法是基于液体在真空下冷凝排气原理来实现的。整个除气的过程包括以下三个步骤：首先，使工质在加热容器5中蒸发，释放出不可压缩气体；其次，将蒸发的工质通入用液态氮冷却的冷却管6，使工质冷却成液体；最后，用真空泵抽走不可压缩气体。通过真空泵把热管抽成10^-6mbar，然后对管6进行加热，使工质蒸发，蒸气通过阀门进入热管并在其中冷凝成液体。充液量通过装置9计算得出。

以上是目前微热管制作中常用的两种注液封装方式。第一种方式中，硅树胶间隔器和微热管接触的缝隙部分涂抹的高真空酯并不能完全使之与空气隔离，2mm的通孔中仍含有少量空气，因此在注液时会有空气混入微热管中，导致微热管性能下降。第二种方式中，所用到的装置繁多、复杂、不利于实际操作，而且增加了实验成本。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、操作简便、充液量可控、微热管腔体真空度较高的常压下微热管真空注液封装的方法。

本发明主要包括注液和封装两个部分。由于在注液的过程中易出现空气混入微热管腔体的现象，因此本发明采用首先将热管整个腔体注满工质，而后加热排多余工质的方法，所述的工质为甲醇，乙醇，水或电子冷却剂FC-72。具体步骤如下：首先将微热管完全浸没在装有乙醇的玻璃皿中(为了便于封装，微热管的注液孔在0.5mm～1mm之间。)，然后把玻璃皿置于带有振动装置的真空室中。当真空度达到0.09MPa左右时，持续振动2～5分钟，此时在微热管腔体内完全充满乙醇。

根据微热管的工作原理，在微热管腔体内有一部分工质，剩余部分为真空。为了保证微热管腔体内的真空度，本发明采用加热-冷却的方式，使腔体内部达到动态平衡。封装具体步骤如下：将注满工质的微热管的无孔端固定在加热装置上，在注液孔端加一冷却装置。调节加热装置使腔体内的工质气化，继续升高温度使气体膨胀，推动工质向下移动并从注液孔流出，通过调节加热装置和冷却装置，能够精确地控制工质的注液量。当达到所需的注液量时，继续保持热平衡状态，胶封注液孔，即完成了微热管的封装过程。

本发明所述微热管注液封装方式与现有技术相比，有如下优点：采用完全注液方式，在这一过程中不必考虑注液量，同时能有效地控制空气混入；通过加热-冷却的方式，可方便地控制工质在腔体内的量，而在此过程中亦不会有空气混入。整个过程所需设备较少，简便易行。

(四)附图说明

图1为微热管注液示意图；

图2为微热管除气、注液及定量注入设备示意图；

图3为注液过程示意图；

图4为封装过程示意图。

(五)具体实施方式

下面参照附图，结合具体实例对本发明作进一步描述。

图1为微热管注液示意图。其中：1.微热管沟道；2.硅树胶；3.注液孔；4.真空泵；5.注射器；6.液体分配器。

图2为微热管除气、注液及定量注入设备示意图。其中：1.旋转叶片式抽气泵；2.汽水阀装置；3.涡轮分子泵；4.流量计；5.加热管；6.液氮冷却管；7.K型热电偶；8.薄膜压力计；9.质量测量装置；10.注液阀；11.微热管阵列。

图3为注液过程示意图。其中：1.盛水的大玻璃皿；2.振动设备；3.盛一定量乙醇的小玻璃皿；4.微热管；5.注液孔；6.干电池电源；7.真空泵。

图4为封装过程示意图。其中：1.直流变压器；2.支架；3.贴片加热电阻；4.热管内蒸汽部分；5.热管内液体部分；6热管内部气液分界线；7.注液孔；8.盛有乙醇的玻璃皿。

以下参照图3至图4，对本发明微热管制造方法中的注液封装方法及实施过程予以进一步详细说明。

图3为注液过程示意图。所用设备包括：盛水的大玻璃皿，盛一定量乙醇的小玻璃皿，振动设备，真空泵。具体操作过程如下：将若干微热管分散置于盛有一定量乙醇的小玻璃皿中，不要叠放且注液孔朝上，在小玻璃皿中倒入的乙醇量以刚好淹没微热管为宜。把小玻璃皿放在盛有适量水的大玻璃皿，其中的水量低于小玻璃皿外沿。为了便于封装，注液孔的直径较小，在0.5mm～1mm之间，同时又要保证将微热管内的空气排出，完全注满乙醇，这使注液的难度增加。本发明采用抽真空配合超声的方式。由于真空泵是封闭的，因此使用独立电源的小型振动设备。如图中所示，1，2，6组成类似超声设备。将小玻璃皿和小型振动设备都放入盛有适量水的大玻璃皿中，同时开启振动设备，把整体放入真空泵中。接通真空泵电源，真空度从0Pa均匀升至0.09MPa左右，在0.09MPa左右时持续2～5分钟。关闭真空泵电源，微热管完全被注满。

图4为封装过程示意图。所用设备包括：直流变压器，支架，贴片加热电阻，盛有乙醇的玻璃皿。具体操作过程如下：将贴片加热电阻固定在支架上，直流变压器为贴片加热电阻提供直流电压，通过导线与之相连。直流变压器和贴片加热电阻组成加热装置，通过调节直流变压器的电压可控制贴片加热电阻的温度。如图中所示，将注满乙醇的微热管的无孔端置于贴片加热电阻上，通过调节直流变压器的电压，使贴片加热电阻的温度逐渐升高，到达一定温度时，在微热管的无孔端形成恒温区，此恒温区的乙醇为汽液混合体，即此时温度为乙醇汽液混合体的临界温度。继续升高温度，使乙醇气化膨胀将多余的乙醇挤压出微热管腔体。调整加热区尺寸，可控制所产生气体的体积，从而得到所需的液体与腔体的比例。为了防止乙醇全部气化，在靠近注液孔附近加一冷却装置，由于乙醇气体的比重小于空气，因此将注液孔置于底部。本发明采用盛有乙醇的玻璃皿作为冷却装置，当微热管内部气液分界线接近注液孔时，可将微热管注液孔浸没在乙醇中，可防止空气混入。当微热管腔体内乙醇处于汽液平衡状态时，注液孔将不会再有乙醇液体排出，胶封注液孔，此时要保持恒温区正常工作，避免产生负压将胶体抽入腔体内。

Claims (7)

1、一种微热管常压下真空注液封装的方法，其特征在于包括以下内容：注液时首先将微热管注液孔朝上，刚好浸没在工质中，放置在带有振动器的真空泵中，在真空度均匀升高的同时，开启振动设备，在真空度达到一定数值时，振动设备持续振动一段时间；然后进行封装，利用加热装置在注满工质的微热管无孔端形成一个恒温区，加热升温，使微热管腔体内的工质汽化膨胀，将多余工质从注液孔排出。

2、根据权利要求1所述的一种微热管常压下真空注液封装的方法，其特征在于所述的注液孔的直径在0.5mm～1mm之间。

3、根据权利要求1所述的一种微热管常压下真空注液封装的方法，其特征在于所述的振动设备为具有独立电源的小型振动设备。

4、根据权利要求1所述的一种微热管常压下真空注液封装的方法，其特征在于所述的真空度为0.09MPa，在0.09MPa时持续2～5分钟。

5、根据权利要求1所述的一种微热管常压下真空注液封装的方法，其特征在于所述的在靠近注液孔附近加一冷却装置，冷却装置盛有乙醇的玻璃器具。

6、根据权利要求1所述的一种微热管常压下真空注液封装的方法，其特征在于所述的加热装置由直流变压器和贴片加热电阻组成，贴片加热电阻固定在支架上，直流变压器通过导线与贴片加热电阻相连，微热管的无孔端置于贴片加热电阻上。

7、根据权利要求1所述的一种微热管常压下真空注液封装的方法，其特征在于所述的工质为甲醇，乙醇，水或电子冷却剂FC-72。

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