CN109520345B - 一种三明治结构硅玻璃微热管的键合工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治结构硅玻璃微热管的键合工艺，属于微器件的制造技术领域。其特征是采用静电键合的方式实现硅基板与玻璃结构层的键合，之后采用热键合的方式实现玻璃结构层与玻璃盖板的键合，最终得到三明治结构硅玻璃微热管。该发明封接中不存在胶等物质，热管性能的长期稳定性提高；玻璃结构层的厚度可以任意选择，为优化热管结构提供了技术手段；静电键合与热键合可达到热管的水密气密性要求，且可以承受800℃以上高温。
Description
技术领域
本发明属于微器件的制造技术领域，涉及一种三明治结构硅玻璃微热管的键合工艺。
背景技术
近年来，随着微纳加工工艺的发展，微器件种类不断增加，性能不断提高，应用领域逐渐增大，与此同时也带来了高热流密度的问题。电子器件的失效率与温度密切相关，据统计，超过55％的电子设备失效是由于散热不及时导致元器件温度过高引起【Advances inmesoscale thermal management technologies for microelectronics,Microelectronics Journal,2006,37(11):1165-1185】，因此良好的散热结构是高性能电子和激光器件稳定工作的前提。
微热管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。而平板型的微热管更容易与器件紧凑集成或一体化制造，是狭小空间内高热流密度问题的理想解决方案。
平板微热管的本体材料通常可分为金属和非金属两类。其中金属平板热管的本体和其中的吸液芯部分可采用挤压成形【平板微热管阵列相变蓄热装置蓄/放热性能，北京工业大学学报，2016，42(10):1552-1559】，烧结式【锥形毛细芯平板热管传热特性研究，机械工程学报，2015,51(24)132-138】和旋压成型【真空度对微热管性能影响的实验研究，现代制造工程，2013(1)97-101】等制作工艺。但是目前的电子器件的主要材料为硅，因此采用同源材料制造微热管有利于器件与热管理结构的集成制造。因此非金属热管材料多采用硅，同时为了便于可视化研究，有时基板材料采用硅而盖板材料采用玻璃。也有采用聚合物材料制造微热管【A novel flat polymer heat pipe with thermal via for coolingelectronic devices,Energy Conversion and Management,2015，100:37-44】，主要考虑其价格便宜，但是传热性能由于材料自身物理性能，低于硅和金属的热管。
硅基微热管有着较好的应用前景，但是目前尚无商品化的产品，其制造的工艺与传统金属热管有很大差异，在封接方面不能像采用冷焊的方法。虽然硅-玻璃的热管可以采用静电键合工艺或者采用胶粘接的工艺进行封接，但是前者只能完成2片式热管封接；而胶较难抵抗120℃以上的温度，且胶本身是一种放气材料，在热管的储存和工作过程中会释放不凝性气体，导致热管的性能下降。因此多层热管的制造需要进一步研究并获得合理可行的制造方法。
发明内容
本发明提供了一种三明治结构硅玻璃微热管的键合工艺。通过MEMS工艺制造硅-玻璃-玻璃平板微热管，为了叙述明确，分别命名这三层材料为硅基板，玻璃结构层和玻璃盖板。采用干法刻蚀、湿法刻蚀等MEMS加工工艺完成热管的吸液芯结构和蒸汽腔的制作后，采用静电键合的方式实现硅基板与玻璃结构层的键合；之后采用热键合的方式实现玻璃结构层与玻璃盖板的键合，最终得到三明治结构硅玻璃微热管。如果3层结构仍不能满足热管结构设计的需求，可以增加玻璃结构层，键合方法仍旧是先实现硅基板与第一层玻璃结构层的键合，然后将第一层玻璃结构层、第二层玻璃结构层与玻璃盖板同时进行热键合，完成多层热管的封接。
本发明的技术方案如下：
一种三明治结构硅玻璃微热管的键合工艺，步骤如下：
微热管的本体包括硅基板1、玻璃结构层4和玻璃盖板9；在硅基板1和玻璃盖板9之间增设玻璃结构层4，三者采用静电键合的方式组成一体结构；
玻璃结构层4与硅基板1接触侧，其内部结构与硅基板1内部结构一致；玻璃结构层4与玻璃盖板9接触侧，其内部结构与玻璃盖板9内部结构一致；玻璃结构层4的增加更有利于液态工质和气态工质的流动。
玻璃结构层4的数量和高度根据需求进行调整。
如果有多于一层的玻璃结构层，则将多层玻璃结构层与玻璃盖板通过一次热键合实现封接，或分次实现热键合。
玻璃结构层和玻璃盖板上分别利用光刻和刻蚀的方法制作热管的吸液芯结构，辅助结构和蒸汽腔等结构。
本发明的效果和益处：该方法的封接中不存在胶等物质，因此无自发放气材料，热管性能的长期稳定性提高；玻璃结构层的厚度可以任意选择，其上图形可以通过单面和双面光刻与刻蚀获得，为优化热管结构提供了技术手段；静电键合与热键合都属于永久键合，可达到热管的水密气密性要求，且可以承受800℃以上高温。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为键合后的微热管。
图中：1硅基板；2硅基板上的毛细吸液芯；3硅基板键合区；4玻璃结构层；5玻璃结构层下表面结构；6玻璃结构层上表面结构；7玻璃结构层键合区；8玻璃盖板；9玻璃盖板；10玻璃盖板键合区；11微热管工质灌注孔。
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步骤。
第一步，利用光刻和各向异性湿法腐蚀的方法在硅基板1的上表面上刻蚀出梯形截面沟道，作为硅基板上的毛细吸液芯2结构，在硅基板1的边缘留出5mm的硅基板键合区3。
第二步，切一片Pyrex7740玻璃，大小与硅基板面积相等的玻璃结构层4，其上下表面溅射金属Cr，之后依次光刻玻璃结构层4的上表面和下表面，完成光刻后同时进行各向同性湿法腐蚀，其中Cr起到湿法腐蚀玻璃时的硬质掩蔽层的作用，减少湿法腐蚀中腐蚀针孔现象发生，下表面湿法刻蚀后得到沟道型玻璃结构层下表面结构5，上表面除键合区域外全部刻蚀，得到玻璃结构层上表面结构6，最终得到的玻璃结构层上下表面都有结构，边缘是与硅基板键合区3面积相等的玻璃结构层键合区7。
第三步，切一片Pyrex7740玻璃，大小与硅基板面积相等的玻璃盖板8，其下表面溅射金属Cr，之后进行各向同性湿法腐蚀得到玻璃盖板结构9，边缘是与玻璃结构层键合区7面积相等的玻璃盖板键合区10。
第四步，为了键合后向热管灌注工质，需要在玻璃盖板8上利用超声波打孔方法制作两个微热管工质灌注孔11。
第五步，将硅基板1的上表面和玻璃结构层4的下表面贴合，放入静电键合机中，在真空度小于0.03Pa，温度为450℃，电压为1200V的条件下，完成硅基板1与玻璃结构层4的静电键合。
第六步，将静电键合后的玻璃结构层4的上表面与玻璃盖板8的下表面贴合，放入马弗炉中，在850℃保温5小时后随炉冷却到室温，得到键合后的微热管。
Claims (3)
1.一种三明治结构硅玻璃微热管的键合工艺，其特征在于，步骤如下：
微热管的本体包括硅基板(1)、玻璃结构层(4)和玻璃盖板(9)；在硅基板(1)和玻璃盖板(9)之间增设玻璃结构层(4)；所述硅基板(1)和玻璃结构层(4)采用静电键合的方式封接，玻璃结构层(4)和玻璃盖板(9)采用热键合实现封接；
玻璃结构层(4)与硅基板(1)接触侧，其内部结构与硅基板(1)内部结构一致；玻璃结构层(4)与玻璃盖板(9)接触侧，其内部结构与玻璃盖板(9)内部结构一致；玻璃结构层(4)的增加更有利于液态工质和气态工质的流动。
2.根据权利要求1所述的键合工艺，其特征在于，所述的玻璃结构层(4)的数量和高度根据需求进行调整。
3.根据权利要求1所述的键合工艺，其特征在于，如果有多于一层的玻璃结构层(4)，则将多层玻璃结构层(4)与玻璃盖板(9)通过一次热键合实现封接，或分次实现热键合。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102175088A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-09-07 | 大连理工大学 | 硅基不等宽微槽道平板热管及制备方法 |
| CN103348422A (zh) * | 2011-02-03 | 2013-10-09 | 丰田自动车株式会社 | 热管和具有热管的电子部件 |
Family Cites Families (8)
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|---|---|---|---|---|
| JP2000353892A (ja) * | 1999-06-11 | 2000-12-19 | Diamond Electric Mfg Co Ltd | 光透過ヒートパイプ |
| JP2004190977A (ja) * | 2002-12-12 | 2004-07-08 | Sony Corp | 熱輸送装置、熱輸送装置の製造方法及び電子デバイス |
| CN101266112B (zh) * | 2008-04-01 | 2010-12-01 | 哈尔滨工业大学 | Sog结构微热管及其制作方法 |
| CN105268490B (zh) * | 2014-06-27 | 2018-01-05 | 华中科技大学 | 一种微流控芯片的封装方法 |
| CN203983270U (zh) * | 2014-07-08 | 2014-12-03 | 北京工业大学 | 带有层间复杂微通道流体冷却的3d-ic |
| CN104961093B (zh) * | 2015-04-29 | 2017-01-04 | 大连理工大学 | 一种使用低熔点合金密封微热管灌注孔的方法 |
| CN106197100B (zh) * | 2016-07-01 | 2018-02-06 | 电子科技大学 | 一种硅基均热型复合平板热管均热器 |
| CN108648998B (zh) * | 2018-04-23 | 2020-01-24 | 大连理工大学 | 一种平板微热管的落差式灌封装置和方法 |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103348422A (zh) * | 2011-02-03 | 2013-10-09 | 丰田自动车株式会社 | 热管和具有热管的电子部件 |
| CN102175088A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-09-07 | 大连理工大学 | 硅基不等宽微槽道平板热管及制备方法 |
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