CN109346446B - 一种适用于大尺寸、高密集结构金属微通道散热器的键合封装方法 - Google Patents

一种适用于大尺寸、高密集结构金属微通道散热器的键合封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于大尺寸、高密集结构金属微通道散热器的键合封装方法，步骤为：1)在封装盖板上加工出键合定位凹槽；2)在定位块上加工出盖板定位槽及微通道底板定位槽；3)通过定位块上的盖板定位槽定位安装封装盖板；金属浆料涂覆于封装盖板上的键合定位凹槽内；4)通过定位块上的微通道底板定位槽及封装盖板上的键合定位槽安装微通道底板；5)将定位对准后的封装体螺栓弹性预紧，无氧高温熔浆，冷却键合，最终获得大尺寸密集型金属微通道散热器的封装体。本发明提出的过渡层补偿式键合封装方法，突破了大尺寸、高密集结构金属微通道散热器的键合封装技术瓶颈，实现了高强度、无间隙、高精度的金属微通道封装。

Description

一种适用于大尺寸、高密集结构金属微通道散热器的键合封 装方法
技术领域
本发明涉及一种微通道散热器的键合封装方法，特别是一种大尺寸、密集结构金属微通道散热器的键合封装方法。
背景技术
随着电子、机械器件朝着小型化、微型化方向发展，电子器件的集成度不断提高，功率电子器件单位体积的发热量越来越大，人们对这类产品提出的散热要求日益提高。
金属微通道具有高热导率的同时还具有高的比表面积。相比于空气对流、液体喷射等散热方式，利用金属微通道进行液流散热在高热流密度电子设备的热交换中表现出极大的优势。目前，金属微通道散热器已经广泛地应用于高功率电子器件，各类微小型冷凝器、油冷器、热交换器等热交换及流体分布系统中。
金属微通道散热器通常由微通道底板和盖板组成。微通道底板往往采用微加工方法制作而成。在微通道底板制作完成后，需要将微通道底板与盖板键合封装形成微通道腔。微通道底板与盖板的封装是微通道散热器制作过程中的难点问题之一。发明专利CN103818873A公开了一种结构高度大于500μm金属微沟道阵列的加工及封装方法：在利用UV-LIGA技术制得两片1/2结构微沟道板后，使用一次涂胶工艺结合销接方法将上下板封装。这种方法虽然降低了高深宽比微沟道的制作难度，但是胶接工艺的使用一方面降低了上下板的结合强度，另一方面在涂胶过程中容易堵塞微通道，降低了金属微通道的成品率。发明专利CN107275297A公开了一种微流体散热通道的制备及封装方法：首先，分别在底层、中间层以及顶层金属衬底上制作铜金属微结构；然后，对各层进行化学机械抛光；再次，对化学机械抛光后的多层金属结构进行铜铜共晶键合获得微流体散热通道腔。多层键合的封装方法不仅会降低各层微结构的形位精度，还对键合面的表面质量提出了严苛的要求。
功率电子器件朝着高密度集成及功能相控的方向不断发展，相对于单个功率元器件，微小型功率电子器件往往采用阵列式排布。为了满足阵列功率器件的散热要求，大尺寸、高密集结构的金属微通道散热器在阵列型微机电系统中的需求日益旺盛。对于大尺寸、高密集结构的金属微通道散热器而言，由于结构面积较大，微通道底板与盖板即使在平坦化处理后仍然存在一定程度的翘曲变形。这将导致封装过程中微通道底板与盖板之间封装缝隙的产生。封装缝隙的存在不仅会极大地降低封装强度，还会影响微流道散热性能的发挥，甚至会导致封装失败。传统的键合封装方法已经无法满足大尺寸、高密集结构微通道底板与盖板无缝封装的工艺要求。
发明内容
为解决上述大尺寸、高密集结构金属微通道存在的封装技术难题，本发明提出了一种过渡层补偿式的金属微通道键合封装方法，用以解决大尺寸、高密集结构微通道散热器封装中存在的键合缝隙问题，实现大尺寸、高密集结构微通道散热器高强度、无间隙、高精度的封装键合。
本发明通过以下技术方案实现：
一种大尺寸、高密集结构微通道散热器的键合封装方法，该键合封装方法中所述的微通道散热器包括上盖板1、定位块2、下盖板3、螺钉4、螺母5、垫片6、弹簧垫圈7、微通道底板8、封装盖板9。
所述的键合封装方法包括以下步骤：
第一步，根据微通道结构尺寸，在封装盖板9上加工出用于微通道阵列定位对准的键合定位凹槽900。所述的封装盖板9上的键合定位凹槽900依照微通道阵列的总体尺寸加工而成，其深度应略大于封装盖板9与微通道阵列顶面的平面度值之和，以使键合定位凹槽900深度能够补偿由封装盖板9与微通道阵列顶面不均匀导致的键合缝隙。
第二步，同时，根据封装盖板9的结构尺寸及微通道基板80，在定位块2上加工出用于封装盖板9及微通道底板8定位的盖板定位槽20及微通道底板定位槽21。
第三步，通过下盖板3及定位块2上的盖板定位槽20，定位并安装封装盖板9，安装后封装盖板9上的封装平板面应水平朝上放置，以保证后续工艺过程顺利进行。再将金属浆料901过渡层涂覆于封装盖板9上的键合定位凹槽900内。
第四步，通过定位块2上的微通道底板定位槽21及封装盖板9上的键合定位槽900，将微通道底板8上的密集微通道阵列81与封装盖板9上的键合定位凹槽900对准，安装微通道底板8。
第五步，将上盖板1安装在微通道底板8上，并将定位对准后的封装体螺栓弹性预紧，高温熔浆，冷却键合。具体为：弹性预紧后，将封装体保持水平置于无氧烘箱内高温熔浆，加热至过渡层金属浆料901熔化，而后随炉冷却键合，实现大尺寸高密集结构微通道散热器的高强度、无间隙、高精度的封装键合。
第三步中，所述的金属浆料901过渡层在键合定位凹槽900内均匀喷涂，涂覆层厚度略大于封装盖板9与微通道阵列82顶面的平面度值之和，以保证键合缝隙被涂覆层浆料填充完全，原始涂覆金属浆料应稀释至满足喷涂流动性要求且涂覆后不溢出键合定位凹槽900；且金属浆料901过渡层涂覆过程及后续的定位、键合过程中封装盖板9上的封装平板90面始终处于水平向上。
第四步中，所述的微通道底板8的定位对准过程包括两步定位实现：先通过定位块2粗定位，再通过封装盖板9上的键合定位凹槽900精定位骤。
第五步中，所述的定位对准后封装体的夹紧力、键合压力由弹性螺栓预紧组合中的弹簧垫圈7的弹性预紧力提供。所述的弹性螺栓预紧组合包括螺钉4、螺母5、垫片6、弹簧垫圈7。夹紧时，通过力矩扳手向下预紧螺母5，使四组弹性螺栓预紧组合中的弹簧垫圈7获得一致的弹性预紧力，避免繁琐的键合压力加载过程。
第五步中，所述的键合过程中的高温熔浆温度高于过渡层金属的熔点，且键合过程在真空或氮气等无氧环境下进行，减少金属氧化物生成，保证键合强度。第五步中，所述的高温熔浆后的冷却键合过程采用随炉冷却的方式，释放键合过渡层内应力，避免骤冷，保证键合强度。
通过以上工艺方法及工装卡具，本发明最终获得了大尺寸密集型金属微通道散热器的封装体，实现了一款单一维度尺寸大于80mm的高密集结构微通道散热器的高强度、无间隙、高精度的封装。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种面向大尺寸高密集结构金属微通道散热器的键合封装方法，通过在封装盖板上制作与微通道结构整体外形尺寸对应的键合定位凹槽，利用浆料同时具有流动性及可塑性的特点，在凹槽内填充作为键合过渡层的金属浆料，使原本不平整的大尺寸封装盖板宏观上趋于水平。大大降低了封装过程对微通道、封装盖板平坦化工艺的苛刻要求，过渡层补偿的方法很好地克服了大尺寸高密集结构金属微通道散热器的键合缝隙问题。
(2)利用定位卡具粗定位，封装盖板键合定位凹槽精定位的方法实现封装盖板与微通道阵列结构的定位对准，保证了定位精度，降低了定位难度。
(3)通过弹簧垫圈配合力矩扳手螺栓预紧的方式施加预压力，保证了预紧力的持续加载，降低了预压力的加载难度。
附图说明
图1是本发明中键合板与键合卡具装配后的总体视图；
图2是本发明中键合板与键合卡具装配后的剖视图；
图3是本发明中键合板定位的局部放大视图；
图4是本发明中微通道底板的三维视图；
图5是本发明中微通道阵列的局部放大视图；
图6是本发明中封装盖板的三维视图；
图7a是封装平板开槽前平面视图；
图7b是封装平板开槽后平面视图；
图8a是本发明中封装盖板开槽后的三维视图；
图8b是本发明中封装盖板喷涂金属浆料后的三维视图；
图9是本发明中定位块的三维视图；
图10是本发明中微通道散热器封装后的三维效果图；
图11是本发明的键合封装效果示意图；a是封装前不均匀现象的示意图；b是采用浆料过渡层补偿方法填补缝隙、键合封装后的效果示意图。
图12是本发明的键合封装工艺流程图。
图中：1上盖板；2定位块；20盖板定位槽；21微通道底板定位槽；22定位块螺纹孔；3下盖板；4螺钉；5螺母；6垫片；7弹簧垫圈；8微通道底板；80微通道基板；81封装外边框；82密集微通道阵列；9封装盖板；90封装平板；900键合定位凹槽；901金属浆料；91进液孔；92螺纹孔；93储液腔。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。
实施例：
本发明大尺寸高密集结构金属微通道散热器的键合封装通过以下工装及工艺过程实现。
图1、2为键合板与封装卡具装配后的总体视图及局部视图，主要包括：上盖板1，定位块2，下盖板3，螺钉4，螺母5，垫片6，弹簧垫圈7，微通道底板8，封装盖板9。所述的微通道底板8与封装盖板9为待键合件，定位块2将微通道底板8与封装盖板9位置固定。螺母5、垫片6，弹簧垫圈7提供弹性预紧力，将微通道底板8与封装盖板9夹紧于上盖板1、定位块2以及下盖板3组成的封装腔内。
图3为键合装配的局部视图A，即定位块2与微通道底板8的定位视图。图4为微通道底板8的三维视图，包括基板80、外边框81、密集微通道阵列82，基板80上的外边框81，密集微通道阵列82通过微加工的方法制作而成，本实施例中外边框81与密集微通道阵列82为同一工艺加工而成，宏观高度尺寸一致。
图5为微通道阵列82的局部视图。本实施例中，微通道为线宽100μm，间隔100μm，深宽比5:1的高密集结构微通道阵列。
图6为封装盖板的三维视图，包括封装平板90、进液孔91、螺纹孔92、储液腔93。其中封装平板90为本实施例的一个键合封装面，封装过程要求实现封装平板90与微通道底板8上的外边框81及微通道阵列82顶部无缝键合。
图7a和图7b分别为封装平板开槽前后的平面视图。图8a为封装盖板9开槽后的三维视图，其中900为键合定位凹槽，图8b为封装盖板9喷涂金属浆料901后的三维视图。图9为定位块2的三维视图，包括盖板定位槽20，微通道底板定位槽21，以及定位块螺纹孔22。图10为微通道散热器封装后的三维效果图。图11a为大尺寸微通道阵列82及封装盖板9的封装平面90待封装前的不均匀现象的示意图，图11b为采用浆料过渡层补偿方法填补缝隙、键合封装后的效果示意图。
利用本发明的过渡层补偿方法实现大尺寸密集型金属微通道散热器的键合封装过程，由以下基本工艺步骤实现，首先，依据微通道结构尺寸在封装盖板9上加工出键合定位凹槽900，与此同时，依据封装盖板9结构尺寸及微通道基板80，在定位块2上加工出盖板定位槽20，微通道底板定位槽21。其次，通过下盖板3及定位块2上的盖板定位槽20，定位安装封装盖板9。再将浆料过渡层901喷涂于键合定位凹槽900内。再次，通过定位块2上的微通道底板定位槽21及封装盖板9上的键合定位凹槽900将微通道底板上的微通道阵列与封装盖板9上的键合定位凹槽900对准。安装上盖板1并螺栓弹性预紧。保持水平，将封装体置于无氧烘箱内高温熔浆，加热至过渡层金属熔化，而后随炉冷却键合，实现大尺寸高密集结构微通道散热器的高强度、无间隙、高精度的封装键合。图12为大尺寸高密集结构微通道散热器的封装工艺流程图。
通过以上工艺方法及工装卡具，本发明最终获得了大尺寸密集型金属微通道散热器的封装体，实现了一款单一维度尺寸大于80mm的高密集结构微通道散热器的高强度、无间隙、高精度的封装。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于大尺寸、高密集结构金属微通道散热器的键合封装方法，其特征在于以下步骤：
第一步，根据微通道结构尺寸，在封装盖板(9)上加工出用于微通道阵列定位对准的键合定位凹槽(900)；
第二步，同时，根据封装盖板(9)及微通道基板(80)的结构尺寸，在定位块(2)上加工出用于封装盖板(9)及微通道底板(8)定位的盖板定位槽(20)及微通道底板定位槽(21)；
第三步，通过下盖板(3)及定位块(2)上的盖板定位槽(20)，定位并安装封装盖板(9)，安装后封装盖板(9)上的封装平板面水平朝上放置；再将金属浆料(901)过渡层涂覆于封装盖板(9)上的键合定位凹槽(900)内，金属浆料(901)过渡层涂覆过程及后续的定位、键合过程中封装盖板(9)上的封装平板(90)面水平向上；
第四步，通过定位块(2)上的微通道底板定位槽(21)及封装盖板(9)上的键合定位凹槽(900)，将微通道底板(8)上的密集微通道阵列(81)与封装盖板(9)上的键合定位凹槽(900)对准，安装微通道底板(8)；
第五步，将上盖板(1)安装在微通道底板(8)上，并将定位对准后的封装体螺栓弹性预紧，熔浆，冷却键合。
2.根据权利要求1所述的键合封装方法，其特征在于，第一步中，所述的封装盖板(9)上的键合定位凹槽(900)依照微通道阵列的总体尺寸加工而成，其深度应大于封装盖板(9)与微通道阵列顶面的平面度值之和。
3.根据权利要求1或2所述的键合封装方法，其特征在于，第三步中，所述的金属浆料(901)过渡层在键合定位凹槽(900)内均匀喷涂，涂覆层厚度大于封装盖板(9)与微通道阵列(82)顶面的平面度值之和；原始涂覆金属浆料稀释至满足喷涂流动性要求，且涂覆浆料不溢出键合定位凹槽(900)。
4.根据权利要求1或2所述的键合封装方法，其特征在于，第四步中，所述的微通道底板(8)的定位对准过程包括：先通过定位块(2)粗定位，再通过封装盖板(9)上的键合定位凹槽(900)精定位骤。
5.根据权利要求3所述的键合封装方法，其特征在于，第四步中，所述的微通道底板(8)的定位对准过程包括：先通过定位块(2)粗定位，再通过封装盖板(9)上的键合定位凹槽(900)精定位骤。
6.根据权利要求1或2或5所述的键合封装方法，其特征在于，第五步中，所述的定位对准后封装体的夹紧力、键合压力由弹性螺栓预紧组合中的弹簧垫圈(7)的弹性预紧力提供；定位对准后的夹紧力、键合压力的预紧力大小由力矩扳手确定。
7.根据权利要求3所述的键合封装方法，其特征在于，第五步中，所述的定位对准后封装体的夹紧力、键合压力由弹性螺栓预紧组合中的弹簧垫圈(7)的弹性预紧力提供；定位对准后的夹紧力、键合压力的预紧力大小由力矩扳手确定。
8.根据权利要求4所述的键合封装方法，其特征在于，第五步中，所述的定位对准后封装体的夹紧力、键合压力由弹性螺栓预紧组合中的弹簧垫圈(7)的弹性预紧力提供；定位对准后的夹紧力、键合压力的预紧力大小由力矩扳手确定。
9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的键合封装方法，其特征在于，第五步中，所述的键合过程中的熔浆温度高于过渡层金属的熔点，且键合过程在无氧环境下进行；所述的熔浆后的冷却键合过程采用随炉冷却的方式。
10.根据权利要求6所述的键合封装方法，其特征在于，第五步中，所述的键合过程中的熔浆温度高于过渡层金属的熔点，且键合过程在无氧环境下进行；所述的熔浆后的冷却键合过程采用随炉冷却的方式。
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