CN109378302B - 一种散热共形电路及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种散热共形电路，包括散热金属芯、绝缘介质层和金属电路，其特征在于，所述散热共形电路为三维立体结构；所述绝缘介质层包被于所述散热金属芯的部分表面，所述金属电路共形设于所述绝缘介质层表面。本发明将散热金属芯与金属电路通过绝缘介质层形成一个整体，散热结构与电路共形集成，电路集成度高，体积小，可以较好满足微小型化要求。本发明采用具有高导热率的金属制造散热金属芯，且散热金属芯与产热电子器件直接接触，散热速度快，散热效果好，可满足200W/cm2以上热流密度场合的散热需求。本发明的散热共形电路无需在电路中引入任何微流道之类的复杂主动散热结构，其制造工艺简单，制造成本也远低于微流道散热电路制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及微电子集成技术领域，尤其是一种散热共形电路及其制造方法。
背景技术
电子设备对性能及小型化的要求越来越高，使得电子设备更多的采用高性能、微型化的电子器件。微型化电子器件的集成度、封装密度、工作频率以及功率的不断提高，导致电子器件的热流密度急剧增大，散热需求迫切。
现有大功率电路的散热技术主要为微流道液冷散热或者高导热陶瓷基板散热。
微流道液冷散热是在大功率芯片的封装基板中集成微流道，将大功率芯片贴装在微流道正上方，通过微流道中的液体将热量迅速导出，以达到降低芯片及电路板表面温度的目的。但是该方法存在以下问题：1)由于目前电路的微小型化越来越突出，要求集成在电路板中的微流道尺寸很小(50微米量级)，常规的机加等手段难以实现，只能借助半导体深硅刻蚀等加工手段，技术难度大，成本高；2)这类微流道通常只能以硅基板作为载体，要求表层的电路必须在硅片表面进行集成，由于硅为半导体，当前技术下对硅片上集成宽带高频电路很困难，因此使用范围受到限制。
高导热陶瓷基板散热是采用氮化铝、氧化铍等高导热率基板作为大功率芯片电路载体，通过该类基板将热量快速导出。这种方法存在以下问题：1)该类基板的导热率通常在150～200W/m.K，但仍需共晶组装到金属腔体表面，中间增加多个热阻层，无法满足200W/cm2以上热流密度的散热要求；2)这类电路通常只能做成单层的二维电路，电路面积大，无法较好的满足微小型化的要求。
发明内容
为解决上述现有大功率散热技术中存在的加工难度大、成本高、实用性差、散热性能差、电路面积大无法较好满足微小型化要求的缺陷，本发明提供了一种散热共形电路及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种散热共形电路，包括散热金属芯、绝缘介质层和金属电路，其中，所述散热共形电路为三维立体结构；所述绝缘介质层包被于所述散热金属芯的部分表面，所述金属电路共形设于所述绝缘介质层表面。
在上述技术方案中，散热金属芯与金属电路通过绝缘介质层形成一个整体，散热结构与电路共形集成，电路集成度高，体积小，可以较好满足微小型化要求；散热效果好，可满足200W/cm2以上热流密度场合的散热需求；无需在电路中引入任何微流道之类的复杂主动散热结构，其制造工艺简单，制造成本也远低于微流道散热电路制造成本。
优选地，所述散热金属芯未被所述绝缘介质层包被的部分表面用于安装芯片、SIP功能单元等产热电子器件。
芯片、SIP功能单元等产热电子器件可以通过倒装焊、金锡焊、锡铅焊等方式直接焊接于散热金属芯未被绝缘介质层包被的表面，由于是与散热金属芯直接接触，产热电子器件产生的热量可被迅速导出，实现电路的高效散热。
优选地，所述散热金属芯可根据实际需要而制造成任意形状。
所述散热金属芯的实际形状不受限制，可根据实际安装需要确定散热金属芯的实际形状，示例性地：所述散热金属芯可以为多棱柱、球体、半球体、圆柱体、椎体等，或者其他任意的不规则复杂结构。
优选地，所述绝缘介质层的厚度至少为4μm。
所述绝缘介质层的厚度应当适宜，绝缘介质层太薄，会影响其绝缘效果，也不利于其表面的金属电路布线，绝缘介质层太厚，会增大整个电路的体积，不利于集成电路微小型化的实现。
优选地，所述金属电路线宽至少为20μm，所述金属电路的厚度至少为1μm。
所述金属电路的尺寸和厚度应能满足大功率集成电路的运行需求。所述金属电路直接布置在绝缘介质层表面，两者互相形成壳体异形互连电路。金属电路的实际三维立体结构与散热金属芯相适应，可以在各种复杂结构的表面集成共形电路，其布线路径和布线密度与待安装的产热电子器件相对，为大功率电路的功能设计及结构设计提供更大的自由度。
本发明还提供了上述散热共形电路的制造方法，包括如下步骤：
1)制造散热金属芯，并清洗散热金属芯；
2)在散热金属芯表面制作绝缘介质层；
3)在绝缘介质层表面进行激光活化，并在激光活化部位设置金属电路。
优选地，制造散热金属芯前还包括三维建模过程。
所述三维建模过程可使用CATIA、PRO/E等工具实现，使用CATIA或PRO/E等工具绘制1:1三维布线模型。根据建立的三维模型，采用数控加工、铣切、3D打印等方式将散热金属芯加工成型。
优选地，所述散热金属芯的材质为具有高导热率的金属。示例性地，所述散热金属芯的材质可以为银、铜、金、铝、镍、锌等。
所述绝缘介质层的介质材料可以是任意一种有机绝缘材料，示例性地，所述绝缘介质层的介质材料可以是橡胶、树脂、虫胶、棉纱纸、麻、蚕丝、人造丝管等，通过3D打印、注塑或者化学气相沉积(CVD)方式将介质材料沉积至散热金属芯结构件表面，形成具有一定厚度的绝缘介质层。
优选地，步骤1)所述清洗用清洗溶剂为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮中的一种或几种的组合物。
所述清洗，是指将加工完成的散热金属芯结构件浸泡于溶剂中，去除油脂等污染物。清洗方法具体为：配制清洗溶剂，并将加工完成的散热金属芯结构件浸泡于清洗液中至少5min，再用水冲洗5min以上，最后采用有机溶剂超声10min以上，即可。
优选地，步骤3)所述金属电路的材质为金、银、铜、镍、铝、锡中的一种或几种的组合物。
所述激光活化，是指在前述已成型的绝缘介质层表面用特定激光进行可化镀的雕刻处理。所述金属电路的布线过程可通过化镀、电镀或者微增材、微减材等工艺实现。所述化镀，是指在经激光活化后的绝缘介质层表面部位化学沉积一层金属膜层。所述微增材，是指通过激光的高能量作用，将导体金属熔覆沉积在介质表面形成金属图形。所述微减材，是指通过激光的高能量作用，将介质表面多余的金属材料去除形成金属图形。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明将散热金属芯与金属电路通过绝缘介质层形成一个整体，散热结构与电路共形集成，电路集成度高，体积小，可以较好满足微小型化要求。
2)本发明采用具有高导热率的金属制造散热金属芯，且散热金属芯与产热电子器件直接接触，散热速度快，散热效果好，可满足200W/cm2以上热流密度场合的散热需求。
3)本发明的散热共形电路无需在电路中引入任何微流道之类的复杂主动散热结构，其制造工艺简单，制造成本也远低于微流道散热电路制造成本。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明实施例中散热共形电路的要素分解图。
图2为本发明实施例中散热共形电路的总体结构图。
附图标记说明：
1、散热金属芯；2、绝缘介质层；3、金属电路；4、产热电子器件
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
现有技术的缺陷：现有大功率散热技术中存在加工难度大、成本高、实用性差、散热性能差、电路面积大无法较好满足微小型化要求等缺陷。
本发明要解决的技术问题：提供一种集成电路与散热金属芯共形的散热共形电路。
基础实施方式：
如图1和图2所示，一种散热共形电路，包括散热金属芯1、绝缘介质层2和金属电路3，其中，所述散热共形电路为三维立体结构；所述绝缘介质层2包被于所述散热金属芯1的部分表面，所述金属电路3共形设于所述绝缘介质层2表面。
在上述技术方案中，散热金属芯1与金属电路3通过绝缘介质层2形成一个整体，散热结构与电路共形集成，电路集成度高，体积小，可以较好满足微小型化要求；散热效果好，可满足200W/cm2以上热流密度场合的散热需求；无需在电路中引入任何微流道之类的复杂主动散热结构，其制造工艺简单，制造成本也远低于微流道散热电路制造成本。
优选地，所述散热金属芯1未被所述绝缘介质层2包被的部分表面用于安装芯片、SIP功能单元等产热电子器件4。
散热金属芯1未被绝缘介质层2包被的部分表面的数量应根据实际需要安装的产热电子器件4的数量来决定。在本实施例中，如图1和图2所示，散热共形电路的三维空间结构为正方体结构，散热金属芯1的6个表面的中心位置均未被绝缘介质层2包被，该6个未被包被的散热金属芯1部分表面均焊贴有芯片或者SIP功能单元。
芯片、SIP功能单元等产热电子器件4可以通过倒装焊、金锡焊、锡铅焊等方式直接焊接于散热金属芯1未被绝缘介质层2包被的表面，由于是与散热金属芯1直接接触，产热电子器件4产生的热量可被迅速导出，实现电路的高效散热。
优选地，所述散热金属芯1可根据实际需要而制造成任意形状。
所述散热金属芯1的实际形状不受限制，可根据实际安装需要确定散热金属芯1的实际形状，示例性地：所述散热金属芯1可以为多棱柱、球体、半球体、圆柱体、椎体等，或者其他任意的不规则复杂结构。在本实施例中，如图1和图2所示，散热金属芯1的形状被设计并制造为正方体结构。
优选地，所述绝缘介质层2的厚度至少为4μm。示例性地，所述绝缘介质层2的厚度可以为4μm、6μm、8μm等。
所述绝缘介质层2的厚度应当适宜，绝缘介质层2太薄，会影响其绝缘效果，也不利于其表面的金属电路1布线，绝缘介质层2太厚，会增大整个电路的体积，不利于集成电路微小型化的实现。
优选地，所述金属电路3线宽尺寸至少为20μm，所述金属电路3的厚度至少为1μm。示例性地，所述金属电路3尺寸可以为20μm、25微米、30μm；所述金属电路3的厚度可以为1μm、1.5μm、3μm。
所述金属电路3的尺寸和厚度应能满足大功率集成电路的运行需求。所述金属电路3直接布置在绝缘介质层2表面，两者互相形成壳体异形互连电路。金属电路3的实际三维立体结构与散热金属芯1相适应，可以在各种复杂结构的表面集成共形电路，其布线路径和布线密度与待安装的产热电子器件4相对，为大功率电路的功能设计及结构设计提供更大的自由度。
本发明还提供了上述散热共形电路的制造方法，包括如下步骤：
1)制造散热金属芯，并清洗散热金属芯；
2)在散热金属芯表面制作绝缘介质层；
3)在绝缘介质层表面进行激光活化，并在激光活化部位设置金属电路。
优选地，制造散热金属芯前还包括三维建模过程。
所述三维建模过程可使用CATIA、PRO/E等工具实现，使用CATIA或PRO/E等工具绘制1:1三维布线模型。根据建立的三维模型，采用数控加工、铣切、3D打印等方式将散热金属芯加工成型。
优选地，所述散热金属芯的材质为具有高导热率的金属。示例性地，所述散热金属芯的材质可以为银、铜、金、铝、镍、锌等。
所述绝缘介质层的介质材料可以是任意一种有机绝缘材料，示例性地，所述绝缘介质层的介质材料可以是橡胶、树脂、虫胶、棉纱纸、麻、蚕丝、人造丝管等，通过3D打印、注塑或者化学气相沉积(CVD)方式将介质材料沉积至散热金属芯结构件表面，形成具有一定厚度的绝缘介质层。
优选地，步骤1)所述清洗用清洗溶剂为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮中的一种或几种的组合物。
所述清洗，是指将加工完成的散热金属芯结构件浸泡于溶剂中，去除油脂等污染物。清洗方法具体为：配制清洗溶剂，并将加工完成的散热金属芯结构件浸泡于清洗液中至少5min，再用水冲洗5min以上，最后采用有机溶剂超声10min以上，即可。
优选地，步骤3)所述金属电路的材质为金、银、铜、镍、铝、锡中的一种或几种的组合物。
所述激光活化，是指在前述已成型的绝缘介质层表面用特定激光进行可化镀的雕刻处理。所述金属电路的布线过程可通过化镀、电镀或者微增材、微减材等工艺实现。所述化镀，是指在经激光活化后的绝缘介质层表面部位化学沉积一层金属膜层。所述微增材，是指通过激光的高能量作用，将导体金属熔覆沉积在介质表面形成金属图形。所述微减材，是指通过激光的高能量作用，将介质表面多余的金属材料去除形成金属图形。
实施例：
如图1和2所示，一种正方体形状的散热共形电路，包括正方体散热金属芯1，包被于所述散热金属芯1部分表面的绝缘介质层2，设于所述绝缘介质层2表面的金属电路3，整个共形电路的三围立体结构随散热金属芯1为正方体形状，散热金属芯1的6个表面的中心位置均未被绝缘介质层2包被，该6个未被包被的散热金属芯1部分表面均焊贴有芯片或者SIP功能单元，金属电路3根据实际需要分布于绝缘介质层2表面，且分别连接6个芯片或者SIP功能单元，所述绝缘介质层厚度为4μm，金属电路尺寸为20μm，金属电路厚度为1μm。制造方法如下：
1)采用CATIA绘制该电路的1:1三维模型，并采用3D打印技术将散热金属芯加工成型；
2)将加工完成的散热金属芯浸泡于乙醇中5min，再用水冲洗5min，最后继续用乙醇超声10min，即可；
3)利用化学气相沉积法在散热金属芯表面制作绝缘介质层，绝缘介质层厚度为4μm；
4)在绝缘介质层表面用特定激光进行可化镀的雕刻处理，并在激光处理区域通过微增材和微减材的方式沉积金属电路，金属电路尺寸为20μm，厚度为1μm；
5)利用倒装焊、金锡焊、锡铅焊等方式将芯片或者SIP功能单元敢接在散热金属芯表面，利用引线键合工艺将芯片或者SIP功能单元和共形电路互连，即得本实施例的散热共形电路。
本发明的优点众多。不同的方面、实施例或实施方式可以产生以下优点中的一个或多个优点。本发明的一个优点是：本发明将散热金属芯与金属电路通过绝缘介质层形成一个整体，散热结构与电路共形集成，电路集成度高，体积小，可以较好满足微小型化要求。本发明的另一个优点是：本发明采用具有高导热率的金属制造散热金属芯，且散热金属芯与产热电子器件直接接触，散热速度快，散热效果好，可满足200W/cm2以上热流密度场合的散热需求。本发明的又一个优点是：本发明的散热共形电路无需在电路中引入任何微流道之类的复杂主动散热结构，其制造工艺简单，制造成本也远低于微流道散热电路制造成本。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种散热共形电路，包括散热金属芯、绝缘介质层和金属电路，其特征在于，所述散热共形电路为三维立体结构；所述绝缘介质层包被于所述散热金属芯的部分表面，所述金属电路共形设于所述绝缘介质层表面。
2.根据权利要求1所述的散热共形电路，其特征在于，所述散热金属芯未被所述绝缘介质层包被的部分表面用于安装芯片、SIP功能单元等产热电子器件。
3.根据权利要求1所述的散热共形电路，其特征在于，所述散热金属芯可根据实际需要而制造成任意形状。
4.根据权利要求1所述的散热共形电路，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度至少为4μm。
5.根据权利要求1所述的散热共形电路，其特征在于，所述金属电路线宽尺寸至少为20μm，所述金属电路的厚度至少为1μm。
6.权利要求1～5任一项所述的散热共形电路的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制造散热金属芯，并清洗散热金属芯；
2)在散热金属芯表面制作绝缘介质层；
3)在绝缘介质层表面进行激光活化，并在激光活化部位设置金属电路。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，制造散热金属芯前还包括三维建模过程。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述散热金属芯的材质为具有高导热率的金属。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤1)所述清洗用清洗溶剂为乙醇、丙酮、丁酮、丁醇、甲苯、三氯乙烯、环己酮中的一种或几种的组合物。
10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤3)所述金属电路的材质为金、银、铜、镍、铝、锡中的一种或几种的组合物。
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