CN105514060A - 一种在ltcc陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LTCC陶瓷基板技术，本发明公开了一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、根据散热微通道的结构需要,将LTCC生瓷片划分为N组，每张LTCC生瓷片完成互联通孔和电路图形的制作；步骤二、按照分组情况，分别进行叠层和预压，获得N个子模块；步骤三、在子模块上加工定位孔和微通道所需结构，然后将各子模块采用胶粘剂进行贴合，并在低压力下进行层压，使之成为一个完整生瓷块，所述低压力为2-50psi。最后将生瓷块进行烧结、切割，即可获得集成内埋微通道的电路、散热一体化的LTCC陶瓷基板。本发明不需要使用任何牺牲填充剂，先预压，再胶粘，然后低压层合,使得微通道所受压力很小，不产生变形。

Description

一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法

技术领域

本发明涉及微电子集成技术领域，具体是一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，该方法用于大功率微波集成电路的封装。

背景技术

LTCC具有集成密度高、微波/数字/控制多功能协同布线、高频性能优异等突出优点，逐渐成为小型化、高性能T/R组件、频率源、相控阵天线等电路模块的首选实现手段。由其自身材料特点（以陶瓷为主晶相，同时含有30~50%vol的低热导性玻璃）所决定，LTCC热导率只有2-3W/m.K，无法满足大功率微波集成电路的封装需求。

为了解决这一问题，通常的做法是在LTCC中布置散热通孔，提高芯片安装区域的等效热导率。该方法存在的问题是：1）密集的散热通孔将导致共烧失配，芯片安装区域平整度不足，容易导致芯片破损；2）等效热导率仍然不高，仅约10~20W/m.K，无法适应更高热流密度如200W/cm²以上场合的散热要求。

若能在散热矛盾突出区域就地集成共形/共体式散热微通道，通过微通道中冷却介质的强制流动，则可将热量迅速带出，实现高效散热。然而，在LTCC中制作内埋微通道工艺难度很大，主要原因是难以保持内埋微通道的形状。

向微通道内填充牺牲材料，在层压时牺牲材料可以传递压力，因此内埋微通道在生瓷状态下的变形问题可以获得解决。但是牺牲材料如石墨、淀粉等均存在如下问题，包括：1）必须精细调整配方，使牺牲材料的热裂解曲线与LTCC匹配，否则可能导致最终产品开裂与变形；2）需精确加工牺牲材料形状，使之与微通道形状精密配合，然而牺牲材料较脆，精确加工十分困难，难以准确填充到微通道中；3）在共烧过程中不易烧尽，且容易引入残留碳等杂质，对电路特性带来负面影响。

中国专利CN204204832U中公开了一种基于LTCC的散热腔体结构，它通过LTCC、可伐腔体、钨铜镶块的组合，为芯片提供了一个良好的散热路径。但是其散热方式仅为传导，散热效率依然有限，且使用密度很高的钨铜材料，不利于减轻微波模块的重量。

中国专利CN201310315282.X中公开了一种微通道热沉的制造方法，它将多层陶瓷薄片镀钛、叠合、焊接，形成三维结构的液体流动通道。该方法比较简单，但是由于已经烧结的陶瓷片，无法同时集成电路功能及微通道。

美国专利US7204900B1中公开了一种在LTCC中制作内埋腔体结构的方法，它预先将LTCC划分为数个子模块，经过压力逐步递减的多次层压、组合，形成内埋腔体结构。该方法不使用任何微通道填充材料，加工较为简单。但是为了确保层间可靠结合，必须使用较高的终压压力（通常不低于1000-1500psi），由此导致微通道变形、崩塌等缺陷，生产合格率仅约61%，不能满足规模制造的需求。

发明内容

针对现有技术中的内埋散热微通道难以在既保证层间可靠结合的情况下避免微微通道变形、崩塌的技术问题，本发明公开了一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、根据散热微通道的结构需要，将LTCC生瓷片划分为N组，每张LTCC生瓷片完成互联通孔和电路图形的制作；步骤二、按照分组情况，分别叠层、预压，获得N个子模块；步骤三、在子模块上加工定位孔和微通道所需结构，然后将各子模块采用胶粘剂进行贴合，并在低压力下进行层压，使之成为一个完整生瓷块，所述低压力为2-50psi；最后将生瓷块进行烧结、切割，即可获得LTCC陶瓷基板。本发明不需要使用任何牺牲填充剂、经预压保证模块内层间的可靠结合、胶粘保证模块之间的可靠结合、再进行低压层合得到一个完整生瓷块，先预压，再胶粘，然后低压（低压力为2-50psi）层合使得微通道所受压力很小，不产生变形。

更进一步地，上述胶粘剂的主体成分为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚氯乙烯中的一种，其溶剂为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮中的一种或几种。

更进一步地，上述胶粘剂的主体成分为PVB，溶剂为丁酮及丁醇，三者重量比为PVB：丁酮：丁醇=5：90：5。该胶粘剂保证较好的胶粘效果。

更进一步地，上述预压条件为：温度60-80℃，压力2000-5000psi，保压时间5-30min。

更进一步地，上述低压力下进行层压的条件为压力10psi，保压时间5min。

更进一步地，上述微通道所需结构包括流体接口，流体分配微通道，流体互联微孔和流体导向微通道。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：采用预压、数控铣切、胶粘、低压层合的工艺路线，成功开发了LTCC内埋微通道制造技术。通过微通道中冷却介质的强制流动，可将热量迅速带出，实现高效散热。本发明无需在LTCC中引入任何牺牲填充材料，从根本上消除了异质材料的共烧匹配难题，所制得的微通道几乎无变形、层间结合紧密、对位精确，满足层间互连及可靠性要求；此外，本发明工艺简单，加工灵活性高，生产合格率高达90%以上，远远高于当前其它方法。与国内外同行相比，本发明可更好地满足实用化的要求。除因铣刀尺寸带来的宽度方向的约束外，该技术对微通道结构形式和路径几乎无限制，可以加工出各种复杂流道（孤岛、半岛等），为LTCC微通道散热模块的功能设计及结构成型提供了更大的自由度。本发明所能实现的微通道截面最小尺寸为：宽0.4mm*深0.2mm。

附图说明

图1所示为LTCC陶瓷基板各层要素构成示意图。

图2所示为子模块A加工流程示意图。

图3所示为子模块B加工流程示意图。

图4所示为子模块C加工流程示意图。

图5所示为子模块D加工流程示意图。

图6所示为子模块第一次叠层示意图。

图7所示为子模块第二次叠层示意图。

图8所示为子模块第三次叠层示意图。

图9所示为低压层合示意图。

图10所示为最终获得的内埋微通道示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

下面以某一包含12层布线的LTCC陶瓷基板为例，结合附图作进一步描述：

本发明中所使用的胶粘剂，其主体成分为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯醇缩丁醛树脂（PVB）、聚氯乙烯等中的一种，其溶剂为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮中的一种或几种。例如：主体成分为PVB，溶剂为丁酮及丁醇，三者重量比为PVB：丁酮：丁醇=5：90：5。

如图1所示，该LTCC陶瓷基板共包括L₁~L₁₂共12层生瓷，每层生瓷片上除特定的对位孔、互连通孔和印刷图形之外，还需布置散热微通道的必要元素。其中L₁~L₃层布置了流体接口；L₄~L₅层布置了流体分配微通道；L₆~L₇层布置了流体互联微孔；L₈~L₉层布置了流体导向微通道；L₁₀~L₁₂层则起到结构支撑作用。图1中，1为生瓷片，2为对位孔，3为电气互联通孔，4为印刷图形，5为销钉定位孔，6为流体接口，7为流体分配微通道，8为流体互联微孔，9为流体导向微通道。其中L₄~L₅层中包含了多个“孤岛”区域，无法采用常规方法加工。为便于加工，必须将该LTCC陶瓷基板划分为若干个子模块。

如图2所示，分别在L₁~L₃上加工出对位孔、电气互联通孔，填孔、印刷之后，将L₁~L₃叠层、预压，使之层间结合紧密（预压条件为：温度60~80℃，压力2000~5000psi，保压时间5~30min）；再以数控铣切方式，开设销钉定位孔、微通道流体接口，形成子模块A。psi英文全称为Poundspersquareinch。P是指磅pound，S是指平方square，I是指英寸inch。

如图3所示，分别在L₄~L₇上加工出对位孔、电气互联通孔，填孔、印刷之后，将L₄~L₇叠层、预压，使之层间结合紧密（预压条件同子模块A）；以数控铣切方式，开设销钉定位孔，从正面定深铣切，加工出流体分配微通道（深度0.2mm）；再从背面定深铣切，加工出流体互联微孔，形成子模块B；

如图4所示，分别在L₈~L₉上加工出对位孔、电气互联通孔，填孔、印刷之后，将L₈~L₉叠层、预压，使之层间结合紧密（预压条件同子模块A）；再以数控铣切方式，开设销钉定位孔、流体导向微通道，形成子模块C；

如图5所示，分别在L₁₀~L₁₂上加工出对位孔、互连通孔，填孔、印刷之后，将L₁₀~L₁₂叠层、预压，使之层间结合紧密（预压条件同子模块A）；再以数控铣切方式，开设销钉定位孔，形成子模块D；

如图6所示，将D模块套在销钉台上，在C模块背面喷涂或刷涂一薄层前述胶粘剂，静置1~2min，再将C模块穿过销钉台，准确叠在D模块之上；

如图7所示，在B模块背面喷涂或刷涂一薄层前述胶粘剂，静置1~2min，再将B模块穿过销钉台，准确叠在C模块之上；

如图8所示，在A模块背面喷涂或刷涂一薄层前述胶粘剂，静置1~2min，再将A模块穿过销钉台，准确叠在B模块之上；

如图9所示，在A模块上表面依次覆盖保护膜（通常为硅油涂覆的PET）、销钉台上盖板，然后在室温下加压，典型条件为：压力10psi，保压时间5min。低压层合的压力范围为2~50psi。

将图9中获得的生瓷块进行烧结、切割，即可得到电路、散热一体化的LTCC陶瓷模块，其结构如图10所示。

本专利所述内埋微通道所涉及的具体工艺参数，如LTCC生瓷带类别、胶粘剂组成和配比、电路布线层数、微通道结构尺寸、子模块划分方法、预压条件，均可灵活变化；凡依本专利范围所做的均等变化与修饰，均属本专利主张的权利保护范围。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、根据散热微通道的结构需要，将LTCC生瓷片划分为N组，每张LTCC生瓷片完成互联通孔和电路图形的制作；步骤二、按照分组情况，分别叠层、预压，获得N个子模块；步骤三、在子模块上加工定位孔和微通道所需结构，然后将各子模块采用胶粘剂进行贴合，并在低压力下进行层压，使之成为一个完整的生瓷块，所述低压力为2-50psi；最后将生瓷块进行烧结、切割，即可获得LTCC陶瓷基板。

2.如权利要求1所述的在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其特征在于所述胶粘剂的主体成分为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚氯乙烯中的一种，其溶剂为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其特征在于所述胶粘剂的主体成分为PVB，溶剂为丁酮及丁醇，三者重量比为PVB：丁酮：丁醇=5：90：5。

4.如权利要求1或者3所述的在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其特征在于所述预压条件为：温度60-80℃，压力2000-5000psi，保压时间5-30min。

5.如权利要求4所述的在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其特征在于所述低压力下进行层压的条件为压力10psi，保压时间5min。

6.如权利要求5所述的在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法，其特征在于所述微通道所需结构包括流体接口、流体分配微通道、流体互联微孔和流体导向微通道。