CN112234036A - 一种嵌入式制冷热管的ltcc封装微系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统及其制备方法，该LTCC封装微系统包括LTCC基板、若干热管、半导体制冷片、热源芯片、封装部分，LTCC基板上设置有半通凹槽；若干热管并列设置在半通凹槽的底部，每个热管均延伸出半通凹槽以与外部冷却装置连接；半导体制冷片设置在半通凹槽的顶部，其散热端与若干热管的表面贴合；热源芯片横跨半通凹槽且设置在半导体制冷片的制冷端一侧；封装部分覆盖在LTCC基板的设置有半通凹槽的一侧，形成密闭腔体。该LTCC封装微系统中用嵌入在LTCC基板中的半导体制冷片和若干热管对微系统内的热源芯片进行制冷散热，克服了LTCC封装技术散热能力差的问题，实现对LTCC电路系统热源芯片的高效率制冷。
Description
技术领域
本发明属于导体混合集成电路技术领域，具体涉及一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统及其制备方法。
背景技术
随着微波技术的不断发展和电子装备性能的不断改进，小型化和轻量化的微波器件日益受到广泛的重视，微波器件的小型化和轻量化取决于材料科学技术与电磁技术的发展，基于低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)多层结构大大减小了器件的尺寸，为微波器件的小型化和轻便化奠定了基础，并对微波技术的应用和发展起到积极的推动作用。
LTCC技术是一种先进的无源集成及混合电路封装技术，它可将无源元器件(如电阻、电容、电感、滤波器等)集成在基板中，并与有源器件(如：功率MOS、晶体管、IC电路模块等)共同集成统一完整的电路系统。LTCC技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，成为最具潜力的电子元器件小型化、集成化和模块化的实现方式。由于LTCC基板所具有诸多的优良特性，将在高密度集成、微波组件、半导体封装、混合集成及模块化、功能化、小型化电路中有着非常广泛的运用前景，研究和发展国产化高性能LTCC基板材料、工艺技术和专用仪器设备是我国的当务之急。
LTCC材料的导热率一般在2-3W/mk，很难满足封装系统内大功率芯片高性能运行的低温要求，为了解决LTCC封装技术散热性能差的问题，提出了在LTCC陶瓷基板内置微流道技术，该技术是在LTCC基板内设置中空腔体和内埋腔体，中空腔体内设有金属柱阵列，中空腔体其他部分和内埋腔体使用牺牲材料进行填充，烧结过程中牺牲材料挥发形成带金属柱的微流道，这样热源产生的热量可以通过金属柱传递给微流道内的冷液体，在通过流动的液体将吸收热量的液体传送出基板实现了散热目的。但是这种方式的散热只能保证整个系统工作在一个合适的温度下，要想使整个微系统封装腔工作在较低温度下，仅仅依靠在LTCC陶瓷基板内置微流道技术的散热方式是完全达不到的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，包括：LTCC基板、若干热管、半导体制冷片、热源芯片、封装部分，其中，
所述LTCC基板上设置有半通凹槽；
若干所述热管并列设置在所述半通凹槽的底部，且每个所述热管均延伸出所述半通凹槽以与外部冷却装置连接；
所述半导体制冷片设置在所述半通凹槽的顶部，且其散热端与若干所述热管的表面贴合；
所述热源芯片横跨所述半通凹槽且设置在所述半导体制冷片的制冷端一侧；
所述封装部分覆盖在所述LTCC基板的设置有所述半通凹槽的一侧，形成封装所述热管、所述半导体制冷片和所述热源芯片的密闭腔体。
在本发明的一个实施例中，所述LTCC基板包括LTCC基板第一部分和LTCC基板第二部分，其中，所述LTCC基板第一部分与所述LTCC基板第二部分贴合，所述LTCC基板第一部分中设置有所述半通凹槽，所述LTCC基板第二部分远离所述LTCC基板第一部分的一侧设置有若干管脚。
在本发明的一个实施例中，所述热管包括依次连接的蒸发段、传输段和冷凝段，其中，所述蒸发段设置在所述半通凹槽的底部且表面与所述半导体制冷片的散热端贴合，所述传输段和所述冷凝段依次延伸出所述半通凹槽。
在本发明的一个实施例中，所述热管的厚度与所述半导体制冷片的厚度之和等于所述半通凹槽的深度。
在本发明的一个实施例中，还包括桥式电路转接板，所述桥式电路转接板覆盖在所述半通凹槽上，且所述桥式电路转接板的中部为镂空结构，所述热源芯片设置在所述镂空结构上。
在本发明的一个实施例中，所述桥式电路转接板的形状与所述半通凹槽的形状相同；
所述桥式电路转接板的长度等于所述半通凹槽的长度；
所述桥式电路转接板的宽度大于所述半通凹槽的宽度，且沿宽度方向上，所述桥式电路转接板的一侧延伸出所述半通凹槽的长度为1-2mm，另一侧延伸出所述半通凹槽的长度为1-2mm。
在本发明的一个实施例中，还包括若干热敏电阻，若干所述热敏电阻设置在所述桥式电路转接板上，分布在所述热源芯片的周围且位于所述密封腔体内。
在本发明的一个实施例中，所述封装部分包括围框和盖板，其中，
所述围框为凹形围框，所述凹形围框设置在所述LTCC基板上，且所述凹形围框的凹形部分设置在所述桥式电路转接板上；
所述盖板设置在所述围框上，所述盖板与所述围框、所述LTCC基板围绕形成所述密封腔体。
本发明的另一个实施例提供了一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的制备方法，包括步骤：
S1、利用若干张生瓷片和若干张碳带片制备LTCC基板，使得所述LTCC基板上形成有半通凹槽；
S2、根据热源芯片的热学模型和发热功率选取半导体制冷片，并根据所述半导体制冷片散热端的发热功率选取并制备若干热管，然后将所述若干热管和所述半导体制冷片嵌入所述半通凹槽中，使得若干所述热管并列设置在所述半通凹槽中，且每个所述热管均延伸出所述半通凹槽，同时所述半导体制冷片设置在所述半通凹槽中，且其散热端与若干所述热管的表面贴合；
S3、利用若干张生瓷片和若干张碳带片制备中部为镂空结构的桥式电路转接板，并将所述桥式电路转接板焊接覆盖在所述半通凹槽上，将热敏电阻焊接在桥式电路转接板的镂空结构四周；然后将所述热源芯片粘接固定在所述镂空结构上；
S4、将围框焊接在所述LTCC基板上，且使所述围框的凹形部分焊接在所述桥式电路转接板上；
S5、将盖板焊接在所述围框上，以形成密封腔体；
S6、在所述LTCC基板的远离所述半通凹槽的一侧焊接若干管脚。
在本发明的一个实施例中，步骤S1包括：
S11、对若干张所述生瓷片的一部分生瓷片进行激光滑切形成凹形生瓷片，并对所述凹形生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，得到若干凹形上层生瓷片；对若干张所述生瓷片的另一部分生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，得到若干下层生瓷片；
S12、将若干所述凹形上层生瓷片加工叠片形成具有丝印电路的LTCC基板第一部分，所述LTCC基板第一部分中形成有所述半通凹槽；将若干所述下层生瓷片加工叠片形成具有丝印电路的LTCC基板第二部分；
S13、将若干碳带片进行整理叠片、等静压层压形成碳带生坯粗品，并将所述碳带生坯粗品通过热切机切割成碳带生坯样品，所述碳带生坯样品与所述半通凹槽的长度、宽度、深度均相同；
S14、将所述碳带生坯样品粘接在所述半通凹槽中，并将所述LTCC基板第一部分与所述LTCC基板第二部分对齐后进行叠片，得到带有碳带填充的LTCC生坯；
S15、将所述LTCC生坯进行真空包封与等静压层压，得到层压后的生胚；
S16、对所述层压后的生胚依次进行热切和烧结处理，得到所述LTCC基板。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的LTCC封装微系统中通过嵌入在LTCC基板中的半导体制冷片和若干热管，半导体制冷片可对热源芯片进行制冷，热管可将半导体制冷片散发的热量迅速带出并消散，从而对微系统内的热源芯片进行制冷散热，使热源芯片工作在低于室温或超低温的环境下，克服了LTCC陶瓷基板内置微流道技术散热能力差的问题，实现对LTCC电路系统热源芯片的高效率制冷，为整个微系统内部工作在恒定的低温下提供了条件。
2、本发明由于在LTCC中引入热管技术，该LTCC封装微系统不仅解决了微流道受限于LTCC工艺无法做到大尺寸流道的问题，实现了大尺寸散热管的集成，提高了散热效率，而且避免了微流道技术中牺牲材料形状和所做微流道形状需准确无误的工艺问题，解决了牺牲材料与LTCC基板的共烧匹配难、烧坍塌破裂、共烧过程遗留部分杂质影响电路特性等难题，成功开发了基于LTCC工艺的带半导体制冷片制冷及热管散热的微系统封装技术。
3、本发明的LTCC封装微系统的制备方法，其半导体制冷片和若干热管形成的内嵌结构工艺简单、加工方便，制备的封装微系统的制冷散热性能远远高于其它方法，且不受工艺等带来的制约因素，可实现大规模制造。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的结构示意图；
图3为图1中嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统封装后的结构示意图；
图4a-图4c为图1中嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的三视图；
图5为本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的制备方法的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC基板的制作方法的烧结温度曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请结合参见图1、图2、图3和图4a-图4c，图1为本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的结构示意图，图3为图1中嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统封装后的结构示意图，图4a-图4c为图1中嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的三视图，其中，图4a为主视图，图4b为侧视图，图4c为俯视图。
该嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统包括LTCC(Low Temperature Co-firedCeramic，低温共烧陶瓷技术)基板1、若干热管2、半导体制冷片3、热源芯片4、封装部分5。
其中，LTCC基板1上设置有半通凹槽。若干热管2并列设置在半通凹槽的底部，且每个热管2均延伸出半通凹槽以与外部冷却装置连接。半导体制冷片3设置在半通凹槽的顶部，且其散热端与若干热管2的表面贴合。热源芯片4横跨半通凹槽且设置在半导体制冷片3的制冷端一侧。封装部分5覆盖在LTCC基板1的设置有半通凹槽的一侧，形成封装热管2、半导体制冷片3和热源芯片4的密闭腔体。
在一个具体实施例中，LTCC基板1包括LTCC基板第一部分11和LTCC基板第二部分12，其中，LTCC基板第一部分11与LTCC基板第二部分12贴合，LTCC基板第一部分11中设置有半通凹槽，LTCC基板第二部分12远离LTCC基板第一部分11的一侧设置有若干管脚120。
具体地，LTCC基板第一部分11是指LTCC基板的上层部分，LTCC基板第二部分12是指LTCC基板的下层电路部分。
LTCC基板1的形状可以为长方体，半通凹槽为长方体槽结构，其沿着长方体的长边方向设置。可以理解的是，半通凹槽是指在LTCC基板1的一个表面以及与该表面相邻的表面上所形成的具有开口的凹槽；对于LTCC基板第一部分11而言，半通凹槽在LTCC基板第一部分11上形成凹形，贯穿LTCC基板第一部分11的两个相对的表面并且在这两个表面之间的表面上形成开口。
半通凹槽的截面形状可以为长方形，也可以设置为其他形状，本实施例不做进一步限制。
若干管脚120设置于LTCC基板第二部分12的底面上。
在一个具体实施例中，热管2包括依次连接的蒸发段21、传输段22和冷凝段23，其中，蒸发段21设置在半通凹槽的底部且表面与半导体制冷片3的表面贴合，传输段22和冷凝段23依次延伸出半通凹槽。
本实施例中，半导体制冷片是基于有限元分析理论对热源芯片进行建模和仿真，通过ANSYS内置建模平台对热源芯片进行建模，然后通过ANSYS CFX对其进行仿真研究，依据热点温度分布图，从而选取确定的具有合适制冷功率的TEC半导体制冷片。
对于半导体制冷片3而言，其为长方体结构，其横截面尺寸与半通凹槽的横截面尺寸相同，即从俯视图上看，半导体制冷片3的横截面长度与半通凹槽的横截面长度相等，横截面宽度与半通凹槽的横截面宽度相等；半导体制冷片3的尺寸也可以小于半通凹槽的横截面尺寸，即半导体制冷片3的横截面长度与半通凹槽的横截面长度相等，横截面宽度小于半通凹槽的横截面宽度。
而热管2采用三段式的长方体结构，由蒸发段21、传输段22和冷凝段23形成，其长度比例为1:1:1。蒸发段21完全设置在半通凹槽中且与半导体制冷片3的散热端相接触，传输段22和冷凝段23延伸出半通凹槽，冷凝段23与外部冷却装置连接，因而，热管2与半导体制冷片3共同形成“L”状的组合体结构。具体地，热管2的蒸发段21吸收半导体制冷片3散热端所释放的热量，通过热管2内部工质液体蒸发吸热，热管2内部为编织网结构以提高散热性能，吸热蒸发的液体通过传输段22将蒸汽传输至冷凝段23，冷凝段23连接外部冷却装置，例如，冷却装置可以采用液氮装置，基于半导体制冷片3制冷端的制冷效率及热端的发热功率来考虑，热管2内部的工质液体可以为氟利昂或者氨。
本实施例中设置若干热管，热管散热性能对半导体制冷片的制冷量起决定性作用；热管散热性能越高，半导体制冷片制冷量越大。热管的设置可以快速散去半导体制冷片热端散发的热量，借此来提高半导体制冷片制冷端制冷量，降低热源芯片温度。
进一步地，热管2的蒸发段21与半导体制冷片3通过涂胶粘接固化处理形成等宽双层结构，该等宽双层结构作为内嵌部分嵌入LTCC基板1的半通凹槽中。内嵌部分上部分是半导体制冷片3，半导体制冷片3顶面为制冷端，与热源芯片4接触，底面为散热端，与热管2的蒸发段21接触。内嵌部分下部分是若干热管2沿着半通凹槽的底部并列设置而形成的热管组件，半导体制冷片3散热端与热管2的蒸发段21之间通过导热胶粘接。内嵌部分的截面形状与半通凹槽的形状相同，例如均可以为长方体；当其形状均为长方体时，内嵌部分的长度与半通凹槽长度相等，内嵌部分的宽度小于或等于半通凹槽的宽度，内嵌部分的厚度等于半通凹槽的厚度。内嵌部分嵌入LTCC基板1的半通凹槽中后，将半通凹槽充分填充；半导体制冷片3的顶面作为内嵌部分的顶面，其与LTCC基板1的上表面平齐，若干热管2的蒸发段21底面作为内嵌部分底面，其与半通凹槽的底部相接触。
本实施例中的截面形状是指俯视图上的截面形状。
半导体制冷片3的厚度与热管2的蒸发段21厚度之和等于半通凹槽的厚度；而在实际使用中，半导体制冷片3和热管2的蒸发段21之间可以设置一层薄薄的导热胶以粘结密封半通凹槽与内嵌部分，此时半导体制冷片3的厚度、热管2的蒸发段21厚度与导热胶的厚度之和等于半通凹槽的厚度。
优选地，考虑到内嵌部分厚度以及与半导体制冷片3表面的平整性，热管2可以采用直方管，考虑到半导体制冷片3散热端的发热功率以及散热效率，热管2的蒸发段21的长度与半通凹槽长度相等，同时也与半导体制冷片3长度相等；若干热管2的蒸发段21的总宽度与半通凹槽宽度、半导体制冷片3的宽度相等，例如，当若干热管2的数量为2个时，每个热管2的蒸发段21的宽度为半通凹槽宽度的一半、且为半导体制冷片2宽度的一半。可以理解的是，若干热管2的总宽度也可以小于半通凹槽的宽度。
具体地，上述内嵌部分通过导热胶粘结固定在半通凹槽内，导热胶用于粘结且密封半通凹槽与内嵌部分。
需要说明的是，本实施例的热管2的尺寸以及数量根据半导体制冷片3散热端的发热功率以及热源芯片4的发热功率来定。热管2的数量可以为1个，1个热管2的蒸发段21覆盖半通凹槽底部和半导体制冷片3的散热端；也可以为多个，多个热管2的蒸发段21沿半通凹槽的宽度共同覆盖半通凹槽底部和半导体制冷片3的散热端；例如：热管2的数量为2个，2个热管2对齐，其蒸发段21对齐贴紧，均粘接并且完全覆盖半导体制冷片3的散热端，且覆盖半通凹槽的底部。
在一个具体实施例中，该LTCC封装微系统还包括桥式电路转接板6，桥式电路转接板6覆盖在半通凹槽上，且桥式电路转接板6的中部为镂空结构，热源芯片4设置在镂空结构上。
具体地，热源芯片4为需要散热的大功率芯片.
当LTCC封装微系统中未设置桥式电路转接板6时，热源芯片4直接横跨在半通凹槽上，此时，热源芯片4的两侧需设置引脚，以与LTCC基板1上半通凹槽两侧的电路走线进行连接。
当LTCC封装微系统中设置桥式电路转接板6时，桥式电路转接板6覆盖焊接在半通凹槽上，其底部与内嵌部分通过导热胶粘合密封，热源芯片4通过桥式电路转接板6焊接在半通凹槽的两侧；此时，桥式电路转接板6的引脚分布在LTCC基板1的两个长边上，与半通凹槽两侧的电路走线进行连接。
具体地，桥式电路转接板6的材料与LTCC基板1材料相同，均为陶瓷；桥式电路转接板6的形状与半通凹槽的形状相同，其尺寸略大于半通凹槽的尺寸；可以理解的是，桥式电路转接板6的长度等于半通凹槽的长度；桥式电路转接板6的宽度大于半通凹槽的宽度，且沿宽度方向上，桥式电路转接板6的一侧延伸出半通凹槽的长度为1-2mm，另一侧延伸出半通凹槽的长度也为1-2mm。本实施例中，桥式电路转接板6的厚度可以为1mm。
进一步地，桥式电路转接板6的中部设置有镂空结构，使得桥式电路转接板6形成“回”字形。镂空结构的尺寸与热源芯片4的尺寸相同或者略小于热源芯片4的尺寸，热源芯片4设置在镂空结构上，即热源芯片4下表面与桥式电路转接板6的镂空结构顶面平齐，桥式电路转接板6的镂空结构的下表面与半导体制冷片3的制冷端平齐，从而通过镂空结构将热源芯片4散发的热量传递给半导体制冷片3的制冷端以进行制冷。镂空结构周围(四个边或两个长边)分布着与热源芯片4管脚一一对应的焊盘，通过这些焊盘将热源芯片焊接在桥式电路转接板6上。热源芯片4的封装可为任意形式，四边焊点或两边焊点都可。
在一个具体实施例中，该LTCC封装微系统还包括若干热敏电阻7，若干热敏电阻7通过共晶焊的方式焊接在桥式电路转接板6上，且分布在热源芯片4的周围。热敏电阻7的作用为采集热源芯片4周围的温度，以验证半导体制冷片3的制冷量可以使得热源芯片4保持在较低的工作温度。
在一个具体实施例中，封装部分5包括围框51和盖板52。其中，围框51为凹形围框，凹形围框焊接在LTCC基板1上，且凹形围框的凹形部分焊接在桥式电路转接板6上。盖板52焊接在围框51上，盖板52与围框51、LTCC基板1围绕形成密封腔体，将热源芯片4、桥式电路转接板6、热敏电阻7、热管2的蒸发段21、半导体制冷片3密封起来。
具体地，围框51和盖板52的尺寸根据LTCC基板1的尺寸而定。围框51的高度大于桥式电路转接板6的厚度与热源芯片4的厚度之和；且围框51呈凹体状，通过倒扣的方式与LTCC基板1和桥式电路转接板6相连接，凹形部分与桥式电路转接板6的尺寸一致相切合；可以理解的是，围框51在凹形部分处的高度与桥式电路转接板6的厚度之和等于围框51的高度。
本实施例的LTCC封装微系统中在LTCC基板的半通凹槽中嵌入半导体制冷片和若干热管形成的组合结构体，半导体制冷片的制冷端使热源芯片处在持续低温下，导体制冷片的散热端将把热量传递到热管，热管吸收热量并接入外部冷却装置，将热量迅速带出并消散，从而实现高效的制冷和散热；由于在LTCC中引入热管技术，该LTCC封装微系统不仅解决了微流道受限于LTCC工艺无法做到大尺寸流道的问题，实现了大尺寸散热管的集成，提高了散热效率，而且避免了微流道技术中牺牲材料形状和所做微流道形状需准确无误的工艺问题，解决了牺牲材料与LTCC基板的共烧匹配难、烧坍塌破裂、共烧过程遗留部分杂质影响电路特性等难题，成功开发了基于LTCC工艺的带半导体制冷片制冷及热管散热的微系统封装技术。
与现有的微系统封装技术相比，该LTCC封装微系统利用了半导体制冷片制冷速度快，体积小，制冷精度可控的优势，把半导体制冷片集成到了系统内，为整个微系统内部热源芯片工作在恒定的低温下提供了条件。
因此，该LTCC封装微系统中通过嵌入在LTCC基板中的半导体制冷片和若干热管对微系统内的热源芯片进行制冷散热，克服了LTCC陶瓷基板内置微流道技术散热能力差的问题，实现对LTCC电路系统热源芯片的高效率制冷。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的制备方法的流程示意图。该制备方法包括步骤：
S1、利用若干张生瓷片和若干张碳带片制备LTCC基板1，使得LTCC基板1上形成有半通凹槽。具体包括步骤：
S11、对若干张生瓷片的一部分生瓷片进行激光滑切形成凹形生瓷片，并对凹形生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，得到若干凹形上层生瓷片；对若干张生瓷片的的另一部分生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，得到若干下层生瓷片。
首选，选取若干张生瓷片和若干张碳带片。
具体地，生瓷片材料可以选取DuPont951，对所有生瓷片进行分类，将生瓷片分为下层生瓷片和上层生瓷片。其中，下层生瓷片单层的厚度为0.1mm，例如，需要1mm厚度的下层生瓷片，因此需要准备的张数为10张。上层生瓷片单层的厚度0.4mm，例如，需要4mm厚度的上层生瓷片，需要准备的张数为10张。
然后，对生瓷片进行预烘干，将生瓷片分为若干上层生瓷片和若干下层生瓷片；若干上层生瓷片通过激光滑切，形成凹形生瓷片，对凹形生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，以得到处理完成的若干凹形上层生瓷片；对若干下层生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，以得到处理完成的若干下层生瓷片。
具体地，在生瓷片上进行激光冲孔，打孔孔径范围为75-100μm，考虑到层压时会收缩85％，优选地打孔孔径选取80μm，然后进行金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路。
具体地，在LTCC基板需要形成半通凹槽的位置切割上层生瓷片，切割掉的部分的尺寸应与最终要形成的半通凹槽的尺寸相等，例如半通凹槽的厚度为4mm、宽度14mm、长度40mm，则在上层生瓷片对应凹槽的位置切割厚度为4mm、宽度14mm、长度40mm的生瓷片部分，然后上层生瓷片的其它部分进行激光打孔，打孔孔径范围为75-100μm，考虑到层压时会收缩85％，打孔孔径选取80μm，然后进行金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路。
S12、将若干凹形上层生瓷片加工叠片形成具有丝印电路的LTCC基板第一部分11，LTCC基板第一部分11中形成有半通凹槽；将若干下层生瓷片加工叠片形成具有丝印电路的LTCC基板第二部分12。
其中，LTCC基板第一部分11是指LTCC基板的上层部分，LTCC基板第二部分12是指LTCC基板的下层电路部分。
具体地，先将多个上层生瓷片加工叠片，形成一个丝印电路的半通凹槽的LTCC上层部分，再以同样的方法将多个下层生瓷片加工叠片，形成一个丝印电路的LTCC下层部分。
S13、将若干碳带片进行整理叠片、等静压层压形成碳带生坯粗品，并将碳带生坯粗品通过热切机切割成特定尺寸的碳带生坯样品，具体地，加工后的碳带生坯样品的尺寸与上层生瓷片半通凹槽尺寸一致，即碳带生坯样品与半通凹槽的长度、宽度、深度均相同。
S14、将碳带生坯样品粘接在半通凹槽中，并将LTCC基板第一部分11与LTCC基板第二部分12对齐后进行叠片，得到带有碳带填充的LTCC生坯。
具体地，将S13整理好的碳带生坯样品粘接在S12制备好的LTCC上层部分的半通凹槽中，然后将整理好的上层部分和下层部分边界对齐后进行叠片，叠片完成后得到带有碳带填充的半通凹槽的LTCC生坯。
整理叠片是指在叠片模具上，按顺序先将所有下层生瓷片叠片，然后再将所有上层生瓷片按方向依次进行叠片，使得上层生瓷片通孔和下层生瓷片的电路走线完整结构工整对应，叠片完成后形成生胚。
本实施例在半通凹槽中粘接碳带生坯样品，可以避免后续工艺破坏生瓷片的原有结构，保持原生瓷片结构的完整性。
S15、将LTCC生坯进行真空包封与等静压层压，得到层压后的生胚。
具体地，将LTCC生胚从叠片模具上取下，用夹具将生胚固定在承压板上，其中与承压板接触的最底层的为下层生瓷片，即将最底层的下层生瓷片贴于承压板上，然后使用机械静压对生胚进行等静压工艺处理，得到层压后的生胚，等静压工艺所使用的压力大小例如等于3000psi。
S16、对层压后的生胚依次进行热切和烧结处理，得到LTCC基板1。
具体地，将完成层压的生胚通过热切切出如长度为50mm、宽度为50mm的方形形状，将完成切割的生胚进行低温共烧处理，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种嵌入式制冷热管的LTCC基板的制作方法的烧结温度曲线图，首先从室温升温至550℃，升温速率为2℃/min，然后在550℃保持2h，之后从550℃升温至870℃，升温速率为3℃/min，然后在870℃保持1h，最后再从870℃降温至室温进行自然冷却，其中室温依据当时烧结的所处温度不同而不同。
在制备完成具有半通凹槽的LTCC基板之后，还需要对所得到的基板进行检验，检验设计尺寸，另外用X光检测电路电气连通特性等。
S2、根据热源芯片4的热学模型和发热功率选取半导体制冷片3，并根据半导体制冷片3的发热功率选取并制备若干热管2，然后将若干热管2和半导体制冷片3嵌入半通凹槽中，使得若干热管2并列设置在半通凹槽中，且每个热管2均延伸出半通凹槽，同时半导体制冷片3设置在半通凹槽中，且其散热端与若干热管2的表面贴合。
具体地，基于有限元分析理论对热源芯片进行建模和仿真，通过ANSYS内置建模平台对热源芯片进行建模，然后通过ANSYS CFX对其进行仿真研究，依据热源芯片热学模型和发热功率，结合芯片最优工作环境，确定合适制冷功率的TEC半导体制冷片3。进一步地，半导体制冷片3的制冷端制冷量与散热端散热量成正比关系，且半导体制冷片3的宽度不超过半通凹槽的宽度。
然后，根据半导体制冷片3散热端的发热功率确定热管2的数量和尺寸，所选取的热管2为扁平状微型直方体热管。热管主要作用是快速散去半导体制冷片3散热端散发的热量，借此来提高半导体制冷片3制冷端制冷量，从而降低热源芯片温度。
热管2的制备方法为：将不同直径的圆柱热管通过压缩机压成不同尺寸的扁平状的微型直方体热管。进一步地，所选圆柱热管的规格以及压缩后微型热管的尺寸与热管散热量有关，热管散热性能对半导体制冷片3制冷量起决定性作用，散热性能越高，半导体制冷片3制冷量越大；热管的尺寸以及数量根据半导体制冷片3散热端的发热功率和热源芯片4的发热功率来定，热管2的数量可以为多个，也可以为1个；当热管2的数量为多个时，多个热管2的总宽度不超过半通凹槽的宽度。
接着，将半导体制冷片3散热端通过导热胶与热管2的蒸发段21粘接固化处理形成等宽双层结构的内嵌部分，上层为半导体制冷片3，下层为热管2，二者宽度相同且均小于或等于半通凹槽宽度，从而制备与半通凹槽形状一致的内嵌部分。例如凹槽尺寸为40mm*14mm*4mm，则选取尺寸为40mm*14mm*3mm的半导体制冷片3，选取2根蒸发段的尺寸为40mm*7mm*1mm的方形热管2，通过长边粘接，然后在半导体制冷片3散热端和热管2的蒸发段21上表面涂抹导热胶，粘接半导体制冷片3与热管2形成内嵌部分，将内嵌部分底面和侧面涂抹导热胶，嵌入凹槽中。
导热胶可以为卡夫特硅胶K-5205。
S3、利用若干张生瓷片制备中部为镂空结构的桥式电路转接板6，并将桥式电路转接板6焊接覆盖在半通凹槽上；然后将热源芯片4粘接固定在镂空结构上。具体包括步骤：
首选，选取若干张生瓷片。对若干生瓷片进行预烘干，通过激光滑切，形成“回”形生瓷片，对“回”形生瓷片进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，以得到处理完成的若干“回”形生瓷片。将多个“回”形生瓷片加工叠片，叠片完成后得到带有“回”形镂空部分的桥式转接板生坯。将转接板生胚从所述叠片模具上取下，用夹具将转接板生胚固定在承压板上，然后使用机械静压对所述生胚进行等静压工艺处理，得到层压后的生胚。对层压后的生胚进行热切和烧结处理，得到桥式电路转接板6。
然后，将制作好的“回”形桥式电路转接板6通过共晶焊的方式覆盖焊接在LTCC基板1的半通凹槽之上，焊接完毕后，缝隙处填充环氧树脂密封。
接着将热敏电阻7通过共晶焊的方式焊接在桥式电路转接板6上，使其分布在镂空结构即热源芯片4四周。
最后，在桥式电路转接板6镂空结构部分填充导热硅脂，之后将热源芯片4放置在导热硅脂之上，最后进行高温固化处理，以将热源芯片4粘接固定在桥式电路转接板6上，通过导热硅脂粘接在内嵌部分顶面。
S4、将围框51焊接在LTCC基板1上，且使51的凹形部分焊接在桥式电路转接板6上。
具体地，在LTCC基板1的四周和桥式电路转接板6的边缘涂布助焊剂，将凹形围框“凹”形部分放置在桥式电路转接板6上，将围框51放置在助焊剂上，之后利用共晶焊接的方式将围框51焊接在LTCC基板1上。
进一步地，围框51的长度和宽度与LTCC基板1的长度和宽度相等，例如围框51和LTCC基板1的长度均为50mm、宽度均为50mm。围框51在凹形部分处的高度与桥式电路转接板6的厚度之和等于围框51的高度，例如凹形围框51的高度为4mm，桥式电路转接板6厚度为1mm，所以凹形围框“凹”形部分厚度4mm-1mm＝3mm。围框51的材质可以为复合型材料4J29。
在焊接围框之前，首先需要清洗LTCC基板，然后在LTCC基板的四周涂布助焊剂，将围框放置在助焊剂上，并用夹具将围框固定住，之后利用共晶焊接的方式将围框焊接在LTCC基板上，焊接完成后在缝隙处涂抹环氧胶，最后做清洗检验修复等。
S5、将盖板52焊接在围框51上，以形成密封腔体。
具体地，盖板52的宽度和长度与LTCC基板1的宽度和长度相同，例如盖板52与LTCC基板1的规格均为：厚度为0.25mm、长度50mm、宽度50mm，盖板的材质可以为复合型材料4J42。在焊接时，首先使用夹具固定住步骤S4制备好的带围框的LTCC基板1，然后使用平行封焊把盖板52封盖在围框51之上，由此LTCC基板1、围框51和盖板52围绕成了一密封的腔体。
进一步地，本实施例中，在所有结构焊接之后，再通过环氧树脂密封填充焊接的缝隙。
S6、在LTCC基板1的远离半通凹槽的一侧焊接若干管脚。
具体地，在LTCC基板的下层电路部分的底面周边上有序分布若干管脚焊盘，通过所述若干管脚焊盘将管脚120引出。
通过以上工艺和设计，可制作出嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，微系统保证模块的小型化，半导体制冷片保证了热源芯片大幅度降温的同时还可保证围框内整个系统在低温下工作，热管解决制冷片的热耗散，从而提高了整个微系统既制冷又散热的双重效果。
本实施例的LTCC封装微系统的制备方法，其半导体制冷片和若干热管形成的组合结构体结构工艺简单、加工方便，制备的封装微系统的制冷散热性能远远高于其它方法，且不受工艺等带来的制约因素，可实现大规模制造。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，包括：LTCC基板(1)、若干热管(2)、半导体制冷片(3)、热源芯片(4)、封装部分(5)，其中，
所述LTCC基板(1)上设置有半通凹槽；
若干所述热管(2)并列设置在所述半通凹槽的底部，且每个所述热管(2)均延伸出所述半通凹槽以与外部冷却装置连接；
所述半导体制冷片(3)设置在所述半通凹槽的顶部，且其散热端与若干所述热管(2)的表面贴合；
所述热源芯片(4)横跨所述半通凹槽且设置在所述半导体制冷片(3)的制冷端一侧；
所述封装部分(5)覆盖在所述LTCC基板(1)的设置有所述半通凹槽的一侧，形成封装所述热管(2)、所述半导体制冷片(3)和所述热源芯片(4)的密闭腔体。
2.如权利要求1所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，所述LTCC基板(1)包括LTCC基板第一部分(11)和LTCC基板第二部分(12)，其中，所述LTCC基板第一部分(11)与所述LTCC基板第二部分(12)贴合，所述LTCC基板第一部分(11)中设置有所述半通凹槽，所述LTCC基板第二部分(12)远离所述LTCC基板第一部分(11)的一侧设置有若干管脚(120)。
3.如权利要求1所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，所述热管(2)包括依次连接的蒸发段(21)、传输段(22)和冷凝段(23)，其中，所述蒸发段(21)设置在所述半通凹槽的底部且表面与所述半导体制冷片(3)的散热端贴合，所述传输段(22)和所述冷凝段(23)依次延伸出所述半通凹槽。
4.如权利要求1所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，所述热管(2)的厚度与所述半导体制冷片(3)的厚度之和等于所述半通凹槽的深度。
5.如权利要求1所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，还包括桥式电路转接板(6)，所述桥式电路转接板(6)覆盖在所述半通凹槽上，且所述桥式电路转接板(6)的中部为镂空结构，所述热源芯片(4)设置在所述镂空结构上。
6.如权利要求5所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，所述桥式电路转接板(6)的形状与所述半通凹槽的形状相同；
所述桥式电路转接板(6)的长度等于所述半通凹槽的长度；
所述桥式电路转接板(6)的宽度大于所述半通凹槽的宽度，且沿宽度方向上，所述桥式电路转接板(6)的一侧延伸出所述半通凹槽的长度为1-2mm，另一侧延伸出所述半通凹槽的长度为1-2mm。
7.如权利要求5所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，还包括若干热敏电阻(7)，若干所述热敏电阻(7)设置在所述桥式电路转接板(6)上，分布在所述热源芯片(4)的周围且位于所述密封腔体内。
8.如权利要求5所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统，其特征在于，所述封装部分(5)包括围框(51)和盖板(52)，其中，
所述围框(51)为凹形围框，所述凹形围框设置在所述LTCC基板(1)上，且所述凹形围框的凹形部分设置在所述桥式电路转接板(6)上；
所述盖板(52)设置在所述围框(51)上，所述盖板(52)与所述围框(51)、所述LTCC基板(1)围绕形成所述密封腔体。
9.一种嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、利用若干张生瓷片和若干张碳带片制备LTCC基板(1)，使得所述LTCC基板(1)上形成有半通凹槽；
S2、根据热源芯片(4)的热学模型和发热功率选取半导体制冷片(3)，并根据所述半导体制冷片(3)散热端的发热功率选取并制备若干热管(2)，然后将所述若干热管(2)和所述半导体制冷片(3)嵌入所述半通凹槽中，使得若干所述热管(2)并列设置在所述半通凹槽中，且每个所述热管(2)均延伸出所述半通凹槽，同时所述半导体制冷片(3)设置在所述半通凹槽中，且其散热端(底面)与若干所述热管(2)的表面贴合；
S3、利用若干张生瓷片和若干张碳带片制备中部为镂空结构的桥式电路转接板(6)，并将所述桥式电路转接板(6)焊接覆盖在所述半通凹槽上，将热敏电阻(7)焊接在桥式电路转接板(6)的镂空结构四周；然后将所述热源芯片(4)粘接固定在所述镂空结构上；
S4、将围框(51)焊接在所述LTCC基板(1)上，且使所述围框(51)的凹形部分焊接在所述桥式电路转接板(6)上；
S5、将盖板(52)焊接在所述围框(51)上，以形成密封腔体；
S6、在所述LTCC基板(1)的远离所述半通凹槽的一侧焊接若干管脚(120)。
10.如权利要求9所述的嵌入式制冷热管的LTCC封装微系统的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、对若干张所述生瓷片的一部分生瓷片进行激光滑切形成凹形生瓷片，并对所述凹形生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，得到若干凹形上层生瓷片；对若干张所述生瓷片的另一部分生瓷片依次进行激光冲孔、金属浆料填孔、平坦化处理、丝网印刷电路，得到若干下层生瓷片；
S12、将若干所述凹形上层生瓷片加工叠片形成具有丝印电路的LTCC基板第一部分(11)，所述LTCC基板第一部分(11)中形成有所述半通凹槽；将若干所述下层生瓷片加工叠片形成具有丝印电路的LTCC基板第二部分(12)；
S13、将若干碳带片进行整理叠片、等静压层压形成碳带生坯粗品，并将所述碳带生坯粗品通过热切机切割成碳带生坯样品，所述碳带生坯样品与所述半通凹槽的长度、宽度、深度均相同；
S14、将所述碳带生坯样品粘接在所述半通凹槽中，并将所述LTCC基板第一部分(11)与所述LTCC基板第二部分(12)对齐后进行叠片，得到带有碳带填充的LTCC生坯；
S15、将所述LTCC生坯进行真空包封与等静压层压，得到层压后的生胚；
S16、对所述层压后的生胚依次进行热切和烧结处理，得到所述LTCC基板(1)。
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