CN104347429A - 微通道热沉的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微通道热沉的制造方法，这种热沉由多层薄片叠合而成，各层薄片按照其在热沉中所处的位置均预先开设的相应的规则形状或不规则形状的穿孔若干。薄片的材料包括金属、陶瓷和高分子材料。经叠合后，薄片中的穿孔相互连接，形成了热沉内部的具有三维结构的液体流动通道。这种热沉由传热片和液体出入口片以及两者之间的若干层导流片构成，其中构成微通道的穿孔位于紧邻传热片的第一、第二层导流片中。将所述的各个薄片依预定次序叠合后，通过焊接或胶粘固化成一个整体。经过焊接处理的金属薄片叠层还能在内部通道表面形成一个合金强化层，改善其耐侵蚀性和耐腐蚀性，相应地提高了微通道热沉的使用寿命和扩大了热沉的工作范围。
Description
技术领域
本发明涉及半导体及光电器件的封装及散热，特别涉及一种微通道热沉的制造方法。
背景技术
在Tuckerman于1981年提出微通道热沉的概念后，微通道热沉的技术得到了显著的发展和广泛的应用。在微通道热沉中，冷却液通过狭小的通道有效地带走热量，从而达到冷却的目的。在传热学方面，努赛尔特数（Nusselt Number）常被用来描述流动液体的传热特性，具有如下公式：
其中，Nu是努赛尔特数，h是固液界面的传热系数，Dh是流动液体所在通道的水力直径，k是该液体的热导率。在平稳层流状态下，努赛尔特数是一个常数，其数值由通道截面的几何形状决定。当通道的高宽比为2时，努赛尔特数约等于4.12。在紊流状态下，努赛尔特数是液体流动速率的一个复杂函数。Dittus-Boelter公式是其中的一个表达形式：
其中Re是雷诺数，它与液体平均流动速率成正比；Pr是普朗特数，它是描述液体特性的常数。在冷却情况下，n一般取值为0.4。
因为微通道热沉中，通道的水力直径较小，冷却液的流动能够在液固界面上产生很大的传热系数。Altoz（F.E.Altoz，“Thermal Management”，Chapter 2 in “Electronic Packaging and Interconnection Handbook”，ed.C.A.Harper，McGraw-Hill，New York，（1991），p.2.89.）指出在一个截面为254微米×50.8微米的微通道中，当水在平稳层流状态下，其传热系数即可达到4.3×104W/m2℃。Roy和Avanic（S.K.Roy and B.L.Avanic，“A Very High Heat Flux Microchannel Heat Exchanger for Cooling of Semiconductor Laser Diode Arrays”，IEEE Trans. on Components，Packaging，and Manufacturing Technology Part B，19（1996），（no.2）：444-51.）在一个截面为1295μm×508μm的微通道中，实验测的水的传热系数相当于5×105W/m2℃。
微通道的一个显著缺点是他的流动阻力较大。通道两端的压力差（即流动阻力）与通道的长度成正比。通道两端的压力差可以表达为
其中，ρ是液体密度，fh是摩擦系数，L是通道长度，u是平均流速。因此，在微通道热沉的设计中，通常会采用较短的微通道，并在其两端用较大截面的导流通道来连接，以降低整个热沉的流动阻力。甚至，在某些微通道热沉中，更采用具有不同截面的多级导流通道。微通道和各级导流通道一般分层布置，如此在微通道热沉内部形成一个三维的通道结构。Salem（T.E.Salem，D.Porschet，S.B.Bayne，Y.Chen；“Thermal performance of Water-Cooled Heat Sinks”，in Applied Power Electronics Conference And Exposition，Austin，Texas，March6-10，2005.）等人在一个散热面为25.4毫米×25.4毫米具有三维通道结构的微通道热沉中，实验测得在7公升/分的流量时，热沉的压力差小于69千帕，热阻小于0.15℃/W。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种可提高表面强度、硬度和耐腐蚀性的微通道热沉的制造方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种微通道热沉的制造方法，由多层薄片叠合而成，所述多层薄片包括传热片、液体出入口片以及置于传热片和液体出入口片之间的导流片，各层薄片按照其在热沉中所处的位置均预先开设相应的规则形状或不规则形状的穿孔若干，叠合后的薄片中的穿孔相互连接形成三维结构的液体流动通道；所述穿孔包括微通道穿孔和导流 穿孔；所述微通道穿孔位于紧邻传热片的第一层导流片和第二层导流片中；
其制备步骤如下：
a、按照薄片在热沉中所在的位置通过光化学腐蚀或激光切割或机加工预先开设穿孔；
b、将步骤a中所形成的多层薄片依次叠合，通过焊接或胶粘固化成一个整体。
上述技术方案所述若干层薄片呈相同厚度或不同厚度的叠层，薄片的厚度为0.05～5毫米，薄片为金属薄片或陶瓷薄片或高分子薄片。
上述技术方案所述薄片为金属薄片，其具体步骤为：
①多层金属薄片通过光化学腐蚀预先开设相应的穿孔；
②将能与金属薄片形成共晶或偏晶反应并形成固溶体的焊接填料用电镀法或化学镀法直接施加于金属薄片的所有外表面；
③使用夹具固定各金属薄片的相对位置，
④放入真空炉或惰性气氛炉中进行热处理，所述真空炉的真空度优于1.5帕。
上述技术方案所述薄片为陶瓷薄片，其具体步骤为：
①多层陶瓷薄片通过激光切割预先开设相应的穿孔；
②在陶瓷薄片的表面镀一层金属钛薄膜；
③依次镀上焊接填料薄层；
④按顺序将多层陶瓷薄片叠合，通过液相扩散焊接固化；
⑤使用夹具固定各陶瓷薄片的相对位置；
⑥将步骤⑤中的各陶瓷薄片放入真空炉或惰性气氛炉中进行热处理，所述真空炉的真空度优于1.5帕。
上述技术方案所述薄片为高分子薄片，其具体步骤为：多层高分子薄片通过激光切割预先开设相应的穿孔，并依次叠合后通过相应材料的化学粘结剂固化成一个整体。
上述技术方案所述热处理的温度大于共晶或偏晶反应的温度，小于薄片的熔点；所述热处理的时间为5～60分钟。
上述技术方案所述穿孔为长方形或正方形或圆形或不规则多边形，穿孔的最小尺寸为0.05毫米。
上述技术方案所述焊接填料为银或锡或锌，焊接填料镀层的厚度为0.1～5微米；所述合金化表层的厚度为0.1～20微米。
上述技术方案所述钛薄膜的厚度为0.05～0.1微米。
上述技术方案所述金属薄片为铜薄片或铝薄片或不锈钢薄片。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：本发明在经过热处理过程中，焊料镀层逐渐融化并渗入薄片中，在薄片的浅表层形成合金，所形成的合金通常具有比本来的金属更高的强度和硬度，也会同时具有更好的耐腐蚀性。例如铜银合金在强度、硬度和耐腐蚀性等方便都大大优于紫铜。因此，在金属叠层中的通道表面，包括微通道表面和各级导流通道的表面，经过热处理后，形成合金化表层，有助于提高通道表面的耐侵蚀性，相应的提高了微通道热沉的使用寿命，扩大了其工作范围。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的六层结构的微通道热沉的结构示意图；
图2为本发明的大功率微波三极管热沉底座的结构示意图；
附图中标记为：1.传热片，2.导流片，21.微通道穿孔，3.液体出入口片。
具体实施方式
（实施例1）
一种微通道热沉的制造方法，由多层薄片叠合而成，所述多层薄片包括传热片1、液体出入口片3以及置于传热片1和液体出入口片3之间的若干层导流片2，各层薄片按照其在热沉中所处的位置均预先开设相应的规则形状或不规则形状的穿孔若干，叠合后的薄片中的穿孔相互连接形成三维结构的液体流动通道；所述穿孔包括微通道穿孔21和导流穿孔；所述微通道穿孔21位于紧邻传热片1的第一层导流片2和第二层导流片2中；
a、按照薄片在热沉中所在的位置通过光化学腐蚀或激光切割或机加工预先开设穿孔；其中，穿孔为长方形或正方形或圆形或不规则多边形，穿孔的最小尺寸为0.05毫米。
b、将步骤a中所形成的多层薄片依次叠合，通过焊接固化成三维通道结构。
当薄片为金属薄片，金属薄片可以为铜薄片或铝薄片或铁镍合金薄片或铁钴镍合金薄片或不锈钢薄片。其具体步骤为：
①多层金属薄片通过光化学腐蚀预先开设相应的穿孔；
②将能与金属薄片形成共晶或偏晶反应并形成固溶体的焊接填料用电镀法或化学镀法直接施加于金属薄片的所有外表面，通过液相扩散焊接；焊接填料为银或锡或锌，焊接填料镀层的厚度为0.1～5微米；合金化表层的厚度为0.1～20微米。
③使用夹具固定各金属薄片的相对位置，
④放入真空炉或惰性气氛炉中进行热处理，真空炉的真空度优于1.5帕。
热处理的温度大于共晶或偏晶反应的温度，小于金属薄片的熔点；热处理的时间为5～60分钟。
在经过热处理过程中，焊料镀层逐渐融化并渗入金属薄片中，在金属薄片的浅表层形成合金，所形成的合金通常具有比本来的金属更高的强度和硬度，也会同时具有更好的耐腐蚀性。例如铜银合金在强度、硬度和耐腐蚀性等方便都大大优于紫铜。因此，在金属叠层中的通道表面，包括微通道表面和各级导流通道的表面，经过热处理后，形成合金化表层，有助于提高通道表面的耐侵蚀性，相应的提高了微通道热沉的使用寿命，扩大了其工作范围。
当薄片为陶瓷薄片，其具体步骤为：
①多层陶瓷薄片通过激光切割预先开设相应的穿孔；
②在陶瓷薄片的表面镀一层金属钛薄膜，厚度为0.05～0.1微米；
③依次镀上焊接填料薄层；焊接填料薄层的厚度为0.5～2.0微米。
④按顺序将上述各层陶瓷薄片叠合；
⑤使用夹具固定各陶瓷薄片的相对位置；
⑥将步骤⑤中的各陶瓷薄片放入真空炉或惰性气氛炉中进行热处理，真空炉的真空度优于1.5帕。
热处理的温度大于焊接填料层的共晶或偏晶反应的温度，；热处理的时间为5～60分钟。
当薄片为高分子薄片，其具体步骤为：多层高分子薄片通过激光切割预先开设相应的穿孔，并依次叠合后用相应化学粘结剂固化成一个整体。
见图1，是用于半导体激光二极管阵列的冷却的六层结构的微通道热沉，其各层薄片均为金属薄片，其中，微通道穿孔21阵列位于紧邻传热片1的第一层导流片2的一端，液体出入口片3也同时开设于各层导流片2和传热片1中，传热片1、导流片2和液体出入口片3的厚度均相同，形状均为长方形。
（实施例2）
见图2，各层薄片均为金属薄片，微通道穿孔21阵列位于紧邻传热片1的第一层导流片2的一端，液体出入口片3也同时开设于各层导流片2和传热片1中，各层导流片2和传热片1的厚度不相同。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种微通道热沉的制造方法，其特征在于，由多层薄片叠合而成，所述多层薄片包括传热片、液体出入口片以及置于传热片和液体出入口片之间的若干层导流片，各层薄片按照其在热沉中所处的位置均预先开设相应的规则形状或不规则形状的穿孔若干，叠合后的薄片中的穿孔相互连接形成三维结构的液体流动通道；所述穿孔包括微通道穿孔和导流穿孔；所述微通道穿孔位于紧邻传热片的第一层导流片和第二层导流片中；
其制备步骤如下：
a、按照薄片在热沉中所在的位置通过光化学腐蚀或激光切割或机加工预先开设穿孔；
b、将步骤a中所形成的多层薄片依次叠合，通过焊接或胶粘固化成一个整体。
2.根据权利要求1所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述若干层薄片呈相同厚度或不同厚度的叠层，薄片的厚度为0.05～5毫米，薄片为金属薄片或陶瓷薄片或高分子薄片。
3.根据权利要求2所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述薄片为金属薄片，其具体步骤为：
①多层金属薄片通过光化学腐蚀预先开设相应的穿孔；
②将能与金属薄片形成共晶或偏晶反应并形成固溶体的焊接填料用电镀法或化学镀法直接施加于金属薄片的所有外表面；
③使用夹具固定各金属薄片的相对位置，
④放入真空炉或惰性气氛炉中进行热处理，所述真空炉的真空度优于1.5帕。
4.根据权利要求2所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述薄片为陶瓷薄片，其具体步骤为：
①多层陶瓷薄片通过激光切割预先开设相应的穿孔；
②在陶瓷薄片的表面镀一层金属钛薄膜，厚度为0.05～0.1微米；
③依次镀上焊接填料薄层；
④按顺序将多层陶瓷薄片叠合，通过液相扩散焊接固化；
⑤使用夹具固定各陶瓷薄片的相对位置；
⑥将步骤⑤中的各陶瓷薄片放入真空炉或惰性气氛炉中进行热处理，所述真空炉的真空度优于1.5帕。
5.根据权利要求2所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述薄片为高分子薄片，其具体步骤为：多层高分子薄片通过激光切割预先开设相应的穿孔，并依次叠合后通过相应材料的化学粘结剂固化成一个整体。
6.根据权利要求3或4所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述热处理的温度大于共晶或偏晶反应的温度，小于薄片的熔点；所述热处理的时间为5～60分钟。
7.根据权利要求1所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述穿孔为长方形或正方形或圆形或不规则多边形，穿孔的最小尺寸为0.05毫米。
8.根据权利要求3或4所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述焊接填料为银或锡或锌，焊接填料镀层的厚度为0.1～5微米；所述合金化表层的厚度为0.1～20微米。
9.根据权利要求8所述的微通道热沉的制造方法，其特征在于：所述金属薄片为铜薄片或铝薄片或铁镍合金薄片或铁钴镍合金薄片或不锈钢薄片。
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