CN108648998A - 一种平板微热管的落差式灌封装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微器件的封装技术领域，涉及一种平板微热管的落差式灌封装置和方法。密封步骤如下：将玻璃盖板下侧湿法腐蚀出不连续的条形灌封沟道，将硅基板上侧干法刻蚀出不连续的条形灌封沟道和微热管的内腔室，硅基板上灌封沟道与玻璃盖板的灌封沟道交错排布，液体流经玻璃盖板上的灌封沟道后，必须借助硅基板上的灌粉沟道再流回玻璃盖板上的灌封沟道，形成纵向落差式结构。本发明可提高微热管灌注可靠性，避免热冲击下平面结构密封时的失效，拓展了可用的工质范围，且平板微热管表面无凸起，可与硅基微器件集成制造。
Description
技术领域
本发明属于微器件的封装技术领域，涉及一种平板微热管的落差式灌封装置和方法。
背景技术
近年来，随着IC工艺和MEMS工艺的发展，高性能半导体和微电子器件造性能提升的同时，带来了大热流密度的问题。因此设计优良的散热结构是上述器件稳定工作的基础。微热管是利用工质在其中的气液两相变化，实现热的快速传导，其传热效率远高于其本体材料的热导率，同时具有均温性好，热响应快等优点。而平板型的微热管由于其平面结构，更容易与器件紧凑集成或一体化制造。另一方面，其微米级的沟道尺寸可以提供较大的毛细力，实现工质在冷凝段和蒸发段之间的循环。
目前，微热管的制作瓶颈在于工质的灌注。由于半导体和微电子器件通常都是基于硅工艺制作，因此需要集成平面微热管进行热管理时，微热管的整体或部分材料是硅，这就导致了不能像传统热管一样采用冷焊的方法实现热管封接，需要外接灌注管进行热管的抽真空和工质灌注。另一方面，微热管的内积通常在1毫升以内，工质的灌注量在几十到几百微升之间，因此热管整体厚度通常在2mm以内，在此情况下，灌注管很难在平板微热管的厚度方向插入，需要垂直插入热管，导致平板热管的一面有凸起，限制了其应用场合。
近年来，国内外也开展了对微热管的灌注研究。【热管制造的新工艺及性能测试的试验研究，机械工程学报，2017，Vol53，No.5，160-165】切向挤压铝杆料形成真空铝管，工质灌注完成后，加热进一步去除不凝性气体后压合切断，形成微热管。【矩形微槽道结构与平板微热管传热特性研究，热能动力工程，2017，Vol32，No.2，42-46】采用硅基板，玻璃环和玻璃盖板制作平板微热管，采用硅胶密封热管，并实现工质灌注。【一种使用低熔点合金密封微热管灌注孔的方法ZL201510213969.1】公布了使用低熔点合金密封硅基微热管的封装方法，采用熔点在90-120℃之间的的低熔点合金固化后产生微量膨胀，在低熔点合金灌注沟道特定拐角处产生密封效果。综上，现有的微热管，金属热管通常体积都较大，因此工质灌注后可以采用加热等二次除气方式减少不凝性气体，同时提高工质的灌注比。而硅基热管，无论采用硅胶，还是静电键合，工质的灌注通常都需要外接灌注管，存在接口。采用硅胶密封的热管时间持久性和热冲击作用下的可靠性有待考证，而低熔点合金密封灌注孔密封方法中，密封沟道的拐角处容易漏气。虽然含铋的低熔点合金在凝固后的最初几天内会膨胀，强化密封效果，但是最初的漏气如果不可避免，热管的灌注依然失败，因此成功率不高。因此硅基平板微热管的工质灌封结构和方法仍是制约其应用的技术难点。
发明内容
本发明提供了一种平板微热管的落差式灌封装置和方法，通过MEMS工艺制造玻璃-硅平板微热管，完成工质灌注后，根据热管的工作温度，选择适当熔点的固体材料，填充入立体的密封结构，密封灌注孔，之后去除灌注管，使得灌封后的微热管仍旧是平板器件，实现微热管的平面封装。
本发明的技术方案：
一种平板微热管的落差式灌封装置，包括封装灌注孔、微热管内腔室、硅基板、工质灌注孔、硅基板灌封通道前端、硅基板灌注通道、硅基板灌封通道末端、玻璃盖板、蒸气腔和玻璃盖板灌注通道。
所述的玻璃盖板为方形结构，其中心设有方形凹槽状的蒸气腔，蒸气腔的左侧设有N+1个与左边界平行的方形凹槽状玻璃盖板灌注通道，相邻两个玻璃盖板灌注通道之间设有工质灌注孔。玻璃盖板的左下角内侧设有玻璃封装灌注孔，玻璃封装灌注孔与玻璃盖板灌注通道中轴线重合，玻璃盖板的右侧结构与左侧沿中心旋转对称，N≥1。
所述的硅基板与玻璃盖板形状相同，其中心设有与蒸气腔对应相同的微热管内腔室；微热管内腔室的左边界平行设有N个方形凹槽状硅基板灌注通道；硅基板灌注通道与玻璃盖板灌注通道宽度相同，与玻璃盖板上相邻两个玻璃盖板灌注通道错位设置。
硅基板灌封通道前端为烧瓶形结构，其瓶颈端为与硅基板灌注通道宽度相同的方形凹槽，圆形端与玻璃盖板的玻璃封装灌注孔形状对应相同，硅基板灌封通道前端与硅基板灌注通道沿同一中心轴线设置于硅基板上；硅基板灌封通道末端为L形凹槽，L形凹槽的一端与硅基板灌注通道中心轴线对称，另一端与微热管内腔室连通，硅基板的右侧结构与左侧沿中心旋转对称。
一种基于落差式灌封装置的密封方法，步骤如下：
第一步：在将玻璃盖板上腐蚀出2N+1玻璃盖板灌注通道，在玻璃盖板上打出工质灌注孔和封装灌注孔。
第二步：将硅基板上刻蚀出硅基板灌注通道，玻璃盖板灌注通道与硅基板灌注通道交错排布；玻璃盖板与硅基板静电键合后得到平板微热管，玻璃盖板灌注通道和硅基板灌注通道形成落差式立体沟道，键合后形成的微热管内腔室和蒸气腔共同构成工作的空间。
第三步：将封装材料放入封装灌注孔处，局部加热平板微热管封装灌注孔，封装材料熔化成液态填充封装灌注孔后冷却至室温。
第四步：将2N根PP管分别插入平板微热管的工质灌注孔，工质灌注孔密封。
第五步：通过PP管将平板微热管抽真空后，灌入构成工作的空间总体积30％～70％的液态工质，再将PP管热熔封口，实现密封。
第六步：将封装灌注孔处的封装材料加热至封装材料的熔点，液态封装材料流经工质灌注孔下方将工质灌注孔封住，并继续向前流动，使得封装材料在硅基板的灌封通道末端处凝固。
第七步：拆除PP管。
进一步的，所述的封装材料包含石蜡、高熔点合成蜡或者金材料。
进一步的，第四步采用环氧树脂胶涂覆密封工质灌注孔。
本发明的效果和益处：该方法采用落差式立体沟道实现微热管灌注孔的密封，可提高微热管灌注可靠性，避免热冲击下平面结构密封时的失效；由于不存在胶等物质，因此可以灌注有机溶剂作为工质，拓展了工质的范围；灌封后，平板微热管表面无凸起，可与硅基微器件集成制造。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明结构的盖板示意图。
图3为本发明采用的硅基微热管灌封流程图。
图中：1封装灌注孔；2微热管内腔室；3硅基板；4工质灌注孔；5硅基板灌封通道前端；6硅基板灌注通道；7硅基板灌封通道末端；8玻璃盖板；9蒸气腔；10玻璃盖板灌注通道。
具体实施方式
结合技术方案与说明书附图叙述本发明具体实施方式。
实施例
一种平板微热管的落差式灌封装置，包括封装灌注孔1、微热管内腔室2、硅基板3、工质灌注孔4、硅基板灌封通道前端5、硅基板灌注通道6、硅基板灌封通道末端7、玻璃盖板8、蒸气腔9和玻璃盖板灌注通道10；
所述的玻璃盖板8为方形结构，其中心设有方形凹槽状的蒸气腔9，蒸气腔9的左侧设有N+1个与左边界平行的方形凹槽状玻璃盖板灌注通道10，相邻两个玻璃盖板灌注通道10之间设有工质灌注孔4；玻璃盖板8的左下角内侧设有玻璃封装灌注孔1，玻璃封装灌注孔1与玻璃盖板灌注通道10中轴线重合，玻璃盖板8的右侧结构与左侧沿中心旋转对称，N≥1；
所述的硅基板3与玻璃盖板8形状相同，其中心设有与蒸气腔9对应相同的微热管内腔室2；微热管内腔室2的左边界平行设有N个方形凹槽状硅基板灌注通道6；硅基板灌注通道6与玻璃盖板灌注通道10宽度相同，与玻璃盖板8上相邻两个玻璃盖板灌注通道10错位设置；
硅基板灌封通道前端5为烧瓶形结构，其瓶颈端为与硅基板灌注通道6宽度相同的方形凹槽，圆形端与玻璃盖板8的玻璃封装灌注孔1形状对应相同，硅基板灌封通道前端5与硅基板灌注通道6沿同一中心轴线设置于硅基板3上；硅基板灌封通道末端7为L形凹槽，L形凹槽的一端与硅基板灌注通道6中心轴线对称，另一端与微热管内腔室2连通，硅基板3的右侧结构与左侧沿中心旋转对称。
一种基于落差式灌封装置的密封方法，步骤如下：
第一步，利用湿法腐蚀的方法在将玻璃盖板上腐蚀出不连续的玻璃盖板灌注通道10，用超声波打孔机在玻璃盖板上打出工质灌注孔4和封装灌注孔1。
第二步，将硅基板上采用干法刻蚀出不连续的硅基板灌注通道6，其中盖板灌注通道10与硅基板灌注通道6交错排布；玻璃盖板与硅基板静电键合后得到平板微热管，盖板灌注通道10和硅基板灌注通道6形成落差式立体沟道，键合后形成的微热管内腔室2和蒸气腔9共同构成工质存在与工作的空间。
第三步，取适量石蜡作为封装灌注孔的低熔点固体材料放入封装灌注孔1处，通过陶瓷片局部加热平板微热管封装灌注孔1下方，直到待封装材料熔化成液态，填充封装灌注孔1，之后冷却至室温。
第四步，将2根PP管分别插入平板微热管的左右两个工质灌注孔4，并用环氧树脂胶涂覆在工质灌注孔4周围，确保良好的密封性。
第五步，将PP管连接到工质灌注装置，将平板微热管抽真空后并灌注微热管内腔室总体积30％的液态工质，再用热夹钳将PP管热熔封口，实现暂时密封。
第六步，将封装灌注孔3处的石蜡再次用陶瓷片加热至石蜡的熔点，在硅基板灌封通道末端7处用帕尔贴制冷片控制温度梯度，由于平板微热管内为负压，液态石蜡流经工质灌注孔4下方将口封住，并继续向前流动，使得石蜡在硅基板的灌封通道末端7处凝固。
第七步，拆除PP管，实现了平板微热管的封装，封装后的微热管表面无凸起。
Claims (4)
1.一种平板微热管的落差式灌封装置，其特征在于，包括封装灌注孔(1)、微热管内腔室(2)、硅基板(3)、工质灌注孔(4)、硅基板灌封通道前端(5)、硅基板灌注通道(6)、硅基板灌封通道末端(7)、玻璃盖板(8)、蒸气腔(9)和玻璃盖板灌注通道(10)；
所述的玻璃盖板(8)为方形结构，其上设有方形凹槽状的蒸气腔(9)，蒸气腔(9)的左侧设有N+1个与左边界平行的方形凹槽状玻璃盖板灌注通道(10)，相邻两个玻璃盖板灌注通道(10)之间设有工质灌注孔(4)；玻璃盖板(8)的左下角内侧设有玻璃封装灌注孔(1)，玻璃封装灌注孔(1)与玻璃盖板灌注通道(10)中轴线重合，玻璃盖板(8)的右侧结构与左侧沿中心旋转对称，N≥1；
所述的硅基板(3)与玻璃盖板(8)形状相同，其上设有与蒸气腔(9)对应相同的微热管内腔室(2)；微热管内腔室(2)的左边界平行设有N个方形凹槽状硅基板灌注通道(6)；硅基板灌注通道(6)与玻璃盖板灌注通道(10)宽度相同，与玻璃盖板(8)上相邻两个玻璃盖板灌注通道(10)错位设置；
硅基板灌封通道前端(5)为烧瓶形结构，其瓶颈端为与硅基板灌注通道(6)宽度相同，圆形端与玻璃盖板(8)的玻璃封装灌注孔(1)形状对应相同，硅基板灌封通道前端(5)与硅基板灌注通道(6)沿同一中心轴线设置于硅基板(3)上；硅基板灌封通道末端(7)为L形凹槽，L形凹槽的一端与硅基板灌注通道(6)中心轴线对称，另一端与微热管内腔室(2)连通，硅基板(3)的右侧结构与左侧沿中心旋转对称。
2.权利要求1所述的灌封装置的密封方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：在将玻璃盖板(8)上腐蚀出2(N+1)玻璃盖板灌注通道(10)，在玻璃盖板(8)上打出工质灌注孔(4)和封装灌注孔(1)；
第二步：将硅基板(3)上刻蚀出硅基板灌注通道(6)，玻璃盖板灌注通道(10)与硅基板灌注通道(6)交错排布；玻璃盖板(8)与硅基板(3)静电键合后得到平板微热管，玻璃盖板灌注通道(10)和硅基板灌注通道(6)形成落差式立体沟道，键合后形成的微热管内腔室(2)和蒸气腔(9)共同构成工作的空间；
第三步：将封装材料放入封装灌注孔(1)处，局部加热平板微热管封装灌注孔(1)，封装材料熔化成液态填充封装灌注孔(1)后冷却至室温；
第四步：将2N根PP管分别插入平板微热管的工质灌注孔(4)，工质灌注孔(4)密封；
第五步：通过PP管将平板微热管抽真空后，灌入构成工作的空间总体积30％～70％的液态工质，再将PP管热熔封口，实现密封；
第六步：将封装灌注孔(1)处的封装材料加热至封装材料的熔点，液态封装材料流经工质灌注孔(4)下方将工质灌注孔(4)封住，并继续向前流动，使得封装材料在硅基板(3)的灌封通道末端(7)处凝固；
第七步：拆除PP管。
3.如权利要求2所述的密封方法，其特征在于，所述的封装材料包含石蜡、高熔点合成蜡或金材料。
4.如权利要求2或3所述的密封方法，其特征在于，第四步采用环氧树脂胶涂覆密封工质灌注孔(4)。
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- 2018-04-23 CN CN201810376012.2A patent/CN108648998B/zh not_active Expired - Fee Related
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