CN104028758B - 一种热沉的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种热沉的制作方法，其主旨在既能克服传统热沉制造中由于多层焊接引起的热阻增大问题，又能解决热沉制作工序多、寿命短的问题。先对热沉的整体结构进行三维建模；再将三维模型导入工作台计算机，根据三维图形结构设置打印角度与位置；用高能激光束按照扫描路径将工作平台基板上预先铺设好的粉层烧结成该层相应的二维形状；在已经烧结一层图形的工作台上再铺设相同厚度的粉末，激光按照该层扫描路径扫描直至整个三维图形完成。本发明提供的热沉结构具有压力分布均匀提高热沉寿命的优点等。

Description

一种热沉的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器及其列阵器件、大规模集成电路等散热冷却期间的一种微通道冷却热沉的制作方式及其结构，属于半导体电子封装技术领域。

背景技术

微通道冷却热沉是一种模块式微通道致冷器(ModularMicrochannelCooledHeatsinks,简称MCC)。列阵的发展与这一有效的低热阻热沉的出现有密切的关系，特别是高占空比甚至CW运行的全填充激光二极管列阵。MCC是在硅中借助各向异性化学腐蚀制得的，可以像积木一样按二极管列阵的设计需要搭接大的二维结构。MCC的低热阻是依赖液体致冷剂和它通过MCC的层流(LaminarFlow)，其良好的热控制性能十分适合平均功率大的泵浦固体激光器的二极管列阵，因为吸收波长狭窄的线宽(<3nm)要求对列阵进行严格的温度调制。

二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman和Pease首先提出了平行微通道热沉（MicrochannelHeatsink，MCHS），从理论上证明出了水冷却微通道可达1000W/cm2的散热能力。其加工方法是：在集成电路硅衬底的背面采取化学方法腐蚀出若干矩形沟槽，使用盖板耦合而构成封闭式的冷却剂通道，与外界密封连接从而形成为冷却剂回路。由器件产生的热通过联结层传导到热沉，而被微通道中的流动冷却剂带走以致达到对于集成电路芯片良好散热的目的。

该概念的提出为进一步降低热沉热阻奠定了理论基础，它的优点在于扩大固液之间的接触面积的同时，利用非常小的水流沟道宽度最大限度的减小了热边界层的厚度，因此大大提高了热传导效率，有源热沉设计的基本原理就是要尽可能的使热沉的热导率高，以便达到最好的散热效果，同时兼顾制造的可行性及制作成本等问题。

作为高能固态半导体器件的核心部件,半导体芯片内部有源区的热管理水平直接影响器件的性能和寿命，所以微通道热沉散热技术是支撑高能固态半导体器件高性能工作的关键。根据散热需求不同，微通道热沉包含多个尺寸为数十至数百微米的微细水流通道，通过扩大固液接触面积和压缩冷却液热边界层厚度获得高热传导效率。传统微通道热沉多用铜或铝作为基底材料，通过机械加工、等离子刻蚀、化学腐蚀等方法制备出多层内部镂空图形各异的矩形薄片，而后将其焊接起来制成微通道热沉。由于制备工艺水平的限制，这种传统的微通道热沉在散热能力、使用寿命与体积重量等方面存在一定的局限性，已经越来越难满足高能固态半导体器件对高功率、长寿命、体积小的要求。

在传统的制造方法中，单片式微通道热沉由五层形态各异的薄片组合而成，激光bar位于上盖层的前端，冷却液从入水口进入微通道层的微通道区，经过导水层的狭缝再次进入微通道区，再由出水口进入下盖层，对bar条完成一次循环制冷。

制备微通道热沉的关键是微通道结构的制备，因为微通道的宽度和叶片的宽度约为几百甚至几十个微米，属于微细加工技术领域。目前制备微通道热沉的技术有好多种，包括化学腐蚀，激光切割，数控电火花加工(微机械加工)，反应离子刻蚀，电化学加工，化学辅助离子切割，热模压加工等，对于不同材料不同规模的微通道热沉的制备可以采用不同的技术。

现在最常用的就是深层光刻分离曝光化学腐蚀技术制备微通道热沉。主要原理就是将光刻胶均匀的旋转涂覆在加工材料表面上，在一定温度下前烘，去除溶剂，而后将样品进行第一次完全曝光，完全曝光后的样品再次用光刻胶溶液旋转涂覆烘干，选用所需图形的掩膜版进行掩膜光刻，曝光结束后马上采用一定浓度的稀碱液显影，而后坚膜固化，最后腐蚀，控制时间得到通道，然后将用化学腐蚀加工得到的无氧铜冷却液密封层，微通道层，冷却液导引层进行表面处理后按设计顺序叠放在一起通过扩散焊连接在一起，最后进行表面抛光和镀金等表面处理。首先在腐蚀过程中，时间决定了通道的深度，时间的控制决定了通道的尺寸质量，控制不好就容易引起侧向腐蚀，侧腐蚀效应导致微通道深宽比较低；同时很难获得平整的通道壁。制备过程的“失真”使得微通道热沉的实际散热性能低于理论设计的性能。在各层焊接过程中，不可避免地会产生焊接界面，从而引入大量的界面热阻，导致了微通道热沉散热效率的下降。这是制造过程中存在的弊端。

在传统的微通道结构设计中，更多的是采用平行通道，原因是采用腐蚀这种制作通道通过控制时间在单个面上大部分情况下只能得到平行通道，另外根据Riddle人们的研究：在一定的流量下，矩形通道中的流体总热传导系数和通道水力的直径成反比。所以，通道直径的不断减小，换热系数会随着增加。由于系统散热面积和体积比的显著的增加，在减小体积时散热量而得到了极大提高。若依据两相流的散热机理做些相应的改进，将还能提高系统的散热能力。一般对于微通道而言，流体特性可由水力直径与深度的比等几何特征来决定，而传热特性则会受到几何条件、温度差与流量所控制。因流体的热传导的系数远低于固体，因此系统的热阻主要存于流体。虽然缩小了微通道尺寸可以增加散热能力，但是同时会引起压差的升高，会增加微通道压力负载和泵的功率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述热沉制作方式的缺陷，提出了本发明----一种热沉的制作方法，区别于现有制备技术成型原理，在结构上能够制作更为复杂的内微通道，本发明通过增材制作技术避免了传统多层焊接导致的热阻及难以加工或者加工结构简单等问题。

为了实现上述目的本发明采用以下技术方案：

本发明提了一种热沉的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：使用三维作图软件设计热沉的整体三维形貌；

步骤2：将3D打印金属粉末材料填充到增材制造设备铺粉缸中；

步骤3：将热沉三维图形进行切片分层处理，得到的一系列二维层片数据，根据二维层片数据设定热沉模型的打印位置与角度，并规划激光的扫描路径；

步骤4、向工作仓内通入保护气氛，使工作仓内的氧气浓度低于20000ppm；

步骤5、通过加热系统对成型缸上表面金属粉末预热至80度，向工作仓内的基板上表面铺设金属粉末；

步骤6：采用高能激光束按照生成的扫描路径扫描铺设好的金属粉末，受所述高能激光束扫描后的金属粉末材料熔化后固结于工作仓内的基板上；

步骤7：在已经烧结了一层图形的基板上表面铺设下一层金属粉末；

步骤8：依次重复步骤6至步骤7，直至热沉三维模型整体烧结完成。

步骤3中建立激光的扫描路径具体为如下步骤：使用软件RP-Tools对热沉三维图形进行切片分层处理：将该热沉三维图形沿Z轴方向切割成层厚为20μ

m的一系列二维图形片层；将得到的一系列二维层片数据导入设备软件EOSPSW3.5，该软件根据图像自动计算出每层二维图形激光扫描路径及使用参数；由于热沉结构中存在平行于xy平面的孔，生长到孔闭合时容易与刮刀相撞产生翘曲现象，在设备软件EOSPSW3.5中设定热沉合适的摆放角度，该角度为在XY平面内与Y轴的夹角范围为0-45。

上述技术方案中，步骤5中所述工作仓内基板为与热沉的材料相同的水平基板。

上述技术方案中，步骤5和步骤7中所述金属粉末厚度为0.01mm-0.1mm。

上述技术方案中，金属粉末为铬或镍材料。

因为本发明采用以上技术方案，因此本发明具备以下有益效果：

A、采用增材制造技术（3D打印）实现热沉的整体化制备，避免了传统方式因多层焊接而引入焊接界面热阻，从而提升热沉散热性；

B、3D激光打印制造技术实现了热沉实体无失真化制备，从而可获得结构更为优化的微通道热沉；

C、3D打印制备技术在材料选择性上优于传统加工方式的材料：可采用与半导体芯片衬底热膨胀系数相匹配的材料，配置出能直接与不同合金焊料搭配使用的微通道热沉；可采用传统加工方式难以加工耐腐蚀性材料制备热沉，从而延迟使用寿命；

D、另外，本发明提供的技术方案有效缩短结构优化和产品制造的时间，能制造出模拟优化的一些复杂结构从而进一步提高热沉的散热性能。提高研发和生产效率，拓宽材料加工范围，提升热沉散热性能，对大功率半导体激光器向更高功率发展奠定基础，对激光器稳定性提高和效率提高具有重要意义。

在此制造工艺优势下，根据研究结果可以再结构设计方面做一些优化的改变，加入可变截面通道结构，增加通道之间脊的数量等，通过这样的变化可以进一步增加微通道热沉的换热效率，降低热阻，减小压降等。

热沉结构采用下层进水道，上层出水道结构方式分布，水流方向是沿所贴的半导体芯片热场梯度的反方向，相较于背景结构中流向与梯度同向方式，此方式采用逆流替代之前的并流，增加热交换时间，增加壁面与流体之间的平均温度差，加大热量传递，强化传热，提高热交换效率。水道采用变截面结构，在热沉厚度方向上入水通道入水口高度到反水孔处通道高度沿直线呈减小趋势，相对于背景结构中增大的方式，截面的减小水力半径减小，水流的速度增加，反水孔处的流速增加，水流中湍流层的比例增加，传热效率增加。出水通道反水孔通道高度到出水口处通道高度呈直线减小，沿芯片温度梯度反向减小，增加流体的量满足热交换量，有利于优化获得高性能微通道，一定程度节省热沉空间这种结构，以及使用适用于增材制造技术的耐腐性能以及和易加工都优于无氧铜的材料是创新技术。

附图说明

图1是热沉制备流程图；

图2是增材制造设备简易图；

图3是窄通道热沉进水层与分水层流道截面；

图4是窄通道热沉出水层与分水层截面图；

图5是内微通道冷却热沉侧截面进水层图；

图6是內微通道冷却热沉侧截面出水层图；

A-工作仓、B-成型缸、C-基板、D-铺粉缸、E-激光束发射器、F-铺粉辊、1-进水孔、2-出水孔、3-进水通道孔、4-进水通道、4-1为进水分流通道、5-通道壁、6-反水孔、7-定位孔、8-出水通道孔、9-出水通道、9-1出水分流通道、10-汇流通道、h1-进水通道孔高度、h2-进水通道中反水孔高度、h3-出水窄通道反水孔高度、h4-出水窄通道与出水宽通道相接处高度。

具体实施方式

为使本发明能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式及热沉结构作进一步详细的说明：

实施例一：

一种热沉的3D打印制造方法，其增材制造设备采用EOSM270，配套软件为PSW3.5，客户需求制备窄通道热沉，材料采用铬。

步骤1.使用proE、solidworks、UG、CATIA等三维作图软件设计热沉的整体三维形貌，包括热沉内部的微通道结构与外部定位孔等，内部通道成型后不能去除支撑，所以设计合适的形状与尺寸避免增加内部难以去除的支撑；

步骤2．将铬粉填充到增材制造设备铺粉缸；

步骤3.使用软件RP-Tools对热沉三维图形进行切片分层处理：将该热沉三维图形沿z轴方向切割成层厚为20μm的一系列二维图形片层；将得到的一系列二维层片数据导入软件EOSPSW3.5，该软件根据图像自动计算出每层二维图形激光扫描路径及使用参数；由于热沉结构中存在平行于xy平面的孔，生长到孔闭合时容易与刮刀相撞产生翘曲现象,因此在PSW中设定热沉合适的摆放角度，该角度范围在0-45度；

步骤4.通过气氛保护系统向工作仓内通入保护气氛，使工作仓内的氧气浓度低于20000ppm；

步骤5.通过加热系统对成型缸上表面金属粉末预热至80度，通过铺粉系统向工作仓内基板上表面铺设第一层铬粉；

步骤6.高能激光束按照生成的扫描路线扫描铺设好的粉末，受所述高能激光束扫描后的铬粉熔化后固结于所述的基板上；

步骤7.工作平台下降一层粉末厚度，铺粉缸上升一层粉末厚度，铺粉辊在已经烧结了一层图形的基板上表面铺设下一层铬粉；

步骤8.依次重复步骤6-7，直至热沉整体成形；

步骤9.再将烧结于基板上的热沉连同基板一起从加工平台上移开，清理热沉表面与内部浮粉，采用线切割方式将热沉从基板上表面分离。

实施例二：

本实例结构的制造方法为增材制造技术一体成型的窄通道热沉，冷却水从进水孔1通过进水通道孔3依次进入通道壁5之间的进水通道4，进水通道，然后进入热沉芯片贴合前端通过反水孔6进入出水通道9中，经过汇总最后进入两个出水宽通道中，经出水通道孔8进入出水孔2，由此完成一次循环制冷。进出水窄通道的增加和通道壁尽可能长的原因是尽量增大换热面积，减小液体运动速度，提高换热效率。出水通道9的反水孔6处的通道高度h3要大于出水宽通道10处的通道宽度h4。利用通道面的变化来控制流体的某些特性，液体流量公式是：Q=ρSν,其中Q为流量，ρ为流体的密度，S为通道水力半径，ν是流体的速度。在一定流量的条件下，通道水力半径及通道截面尺寸S减小,则流体的速度ν会增加，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流体流速增加一倍。进水通道4的进水孔3高度h1要大于反水孔6处通道高度h2，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流速增加一倍。通道壁5的高度不变，始终起支撑作用。

虽然这里结合具体的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，很多其它的变化、改进以及应用将是很明显的。因此，本发明不应当受此处特定公开的限制，而应由附加的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种热沉的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：使用三维作图软件设计热沉的整体三维形貌；

步骤2：将3D打印金属粉末材料填充到增材制造设备铺粉缸中；

步骤3：将热沉三维图形进行切片分层处理，得到的一系列二维层片数据，根据二维层片数据设定热沉模型的打印位置与角度，并规划激光的扫描路径；

步骤4：向工作仓内通入保护气氛，使工作仓内的氧气浓度低于20000ppm；

步骤5：通过加热系统对成型缸上表面金属粉末预热至80度，向工作仓内的基板上表面铺设金属粉末；

步骤6：采用高能激光束按照生成的扫描路径扫描铺设好的金属粉末，受所述高能激光束扫描后的金属粉末材料熔化后固结于工作仓内的基板上；

步骤7：在已经烧结了一层图形的基板上表面铺设下一层金属粉末；

步骤8：依次重复步骤6至步骤7，直至热沉三维模型整体烧结完成；

步骤3中建立激光的扫描路径具体为如下步骤：使用软件RP-Tools对热沉三维图形进行切片分层处理：将该热沉三维图形沿Z轴方向切割成层厚为20μm的一系列二维图形片层；将得到的一系列二维层片数据导入设备软件，该软件根据图像自动计算出每层二维图形激光扫描路径及使用参数；由于热沉结构中存在平行于xy平面的孔，生长到孔闭合时容易与刮刀相撞产生翘曲现象，在设备软件中设定热沉合适的摆放角度，该角度为在xy平面内与y轴的夹角，其范围为0-45度。

2.根据权利要求1所述的一种热沉的制作方法，其特征在于，步骤5中所述工作仓内基板为与热沉的材料相同的水平基板。

3.根据权利要求1-2任一所述一种热沉的制作方法，其特征在于，步骤5和步骤7中所述金属粉末厚度为0.01mm-0.1mm。

4.根据权利要求3所述一种热沉的制作方法，其特征在于，金属粉末为镍材料，粉末为球形粉末，其含氧量在200ppm-500ppm，颗粒大小在20-80微米之间。