CN113023666B - 一种用于硅基平板微热管的灌封方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于硅基平板微热管的灌封方法，可应用于微热管的集成制造，本发明属于热管的工质灌注与封装领域。针对传统热管的灌封方法不适用于硅基平板微热管及目前硅基平板微热管常用密封操作后易形成结点的问题，提出一种轻薄化、扁平化、微小化灌封的方法，该方法可有效、准确实现工质灌注和密封的一体化操作，促进硅基微热管在电子器件领域的集成制造应用，使用飞秒激光的冷加工特性处理玻璃和硅基板，然后使用金进行孔填充，从而提高了在注入低熔点合金和注入工质以及排出空气时的稳定性，进一步提高了密封的效果。
Description
技术领域
本发明属于热管的工质灌注与封装领域，涉及一种用于硅基平板微热管轻薄化、扁平化、微小化灌封的方法，应用于微热管的集成制造。
背景技术
随着电子技术和信息产业的飞速发展，大功率LED、中央处理器(CPU)、集成电路(IC)等电子器件的不断集成化、功率化、小型化成为主流发展趋势。由于功率型电子器件的尺寸小、功耗大，其内部容易产生热量的大量堆积，形成局部热斑，进而引起温度的急剧升高，甚至使芯片失效。这种高热流密度的散热问题已成为影响电子器件工作性能的一个重要因素。
热管是一种新型传热元件，被认为是解决电子器件散热难题的有效方案之一，凭借其导热性能高、工作可靠、结构简单、温度均匀等优点，已被广泛应用于工业、航空、国防及医疗等领域。传统热管在制造过程中，为适于与电子器件的结构集成，通常需打扁至原来直径的30～60％或折弯后的弯曲半径是热管直径的3倍以上等操作，这种外观的改变会降低传热性能。
硅基微热管是在传统金属热管基础上发展起来的一种微小型热管，能很好的适用于高性能、功率型电子器件的集成。但是其至今未实现硅基微热管的集成制造，主要原因是受限于复杂的制作工艺，尤其灌封工艺仍处于实验研究阶段或仅面向实验研究，硅基微热管灌封工艺存在的主要问题可归结为：1)灌封材料问题。灌封胶或者密封胶通常为有机材料，这种材料的真空放气率要比金属材料高几个数量级，工质长期工作在负压情况下，有机密封材料势必产生不凝性气体，引起热管工作性能降低，甚至使热管失效；2)密封结构问题。如采用传统冷焊、外加截止阀等方法易形成密封结点，密封结点甚至超过微热管的特征尺寸，不宜于微热管的集成制造；3)负压环境问题。为降低工质沸点，有效利用相变进行传热，热管内通常为负压状态。工质灌注和密封过程设计不合理可能会破坏这种负压环境，从而引起热管传热性能的降低。因此，进一步完善硅基平板微热管的灌封工艺成为亟待解决的关键问题。
申请号CN201510213969.1公开了一种使用低熔点合金密封硅基微热管的封装方法，用于热管封装制造与器件的散热，在工质灌注前将低熔点合金预置于硅基微热管内，待抽真空操作完成后，通过低熔点合金的熔化与固化密封抽真空孔；继续进行工质灌注后，再次通过低熔点合金的熔化与固化密封工质灌注孔，完成微热管的整个灌封操作。密封效果不错，但是其方法由于需要控制一定的压力，同时注入合金和工质；压力不好稳定控制，同时由于注入时液体和表面存在一定的抵抗效应，使得接触不好，容易产生气泡影响效果。
发明内容
本发明的目的在于针对硅基平板微热管在灌封工艺中仍存在不足的问题，提出一种轻薄化、扁平化、微小化灌封的方法，该方法可有效、准确实现工质灌注和密封的一体化操作。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
硅基平板微热管包括，密封沟道区和微槽区，密封沟道区设置在微槽区的两侧，微槽去内设置微槽群；微槽群相互连通且两侧设置各有一个通往密封沟道区的开口；密封沟道区设置有密封沟道，密封沟道设置有工质注入/抽气孔和合金注入孔，密封沟道呈连续的“弓”字型结构一端和微槽群连通，且合金注入口设置在密封沟道的末端，工质注入/抽气孔设置在密封沟道的中部。
薄膜主加热器设置在工质注入/抽气孔下侧的位置，薄膜辅加热器设置在合金注入孔下侧的位置；薄膜主加热器和薄膜辅加热器均为电极连通的电加热器，且设置有温度传感器；
密封沟道和微槽群是由带有槽的硅基板和玻璃盖板相叠加形成的，第一连接管可以连接到工质注入/抽气孔，第二连接管可以连接至合金注入孔。小型可控充气泵可以连接至第一连接管和第二连接管，并且第一连接管和第二连接管之间的压力可以调节。
硅基板的预处理：
为了防止在密封时产生内部的气泡，需要将硅基板进行预处理以提高其和低熔点合金的结合性能；预处理方式包括如下步骤：
步骤一、硅基板的加工：硅基板使用激光或者化学刻蚀的方式在硅片上形成微槽而成；
步骤二、将硅基板和玻璃盖板放置在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
步骤三、在计算机中对硅基板上的密封沟道区域进行图形建模，在计算机中形成待激光处理的区域图形；然后将清洗后的硅基板和玻璃盖板在飞秒激光的作用下进行区域点刻蚀；刻蚀的参数参考根据wenzel模型，刻蚀的深度为10μm，刻蚀的点的直径为20微米以下，刻蚀的点间距为30-50微米；刻蚀后将硅基板和玻璃盖板对应扣合后可以使得密封沟道的区域的沟道的上下面都具有刻蚀的微孔；
步骤四、将刻蚀后的硅基板和玻璃盖板在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
步骤五、将步骤四清洗后的硅基板和玻璃盖板放置在磁控溅射仪内进行磁控溅射；溅射的材料为金，溅射厚度100nm；从而在硅基板和玻璃盖板的表面形成一层金膜；
步骤六、将溅射后的硅基板和玻璃盖板进行加热，加热至400-500℃保持10min，使得表面的纳米金融化，融化后硅基板和玻璃盖板表面的纳米金会团聚形成不规则形状的金团簇；而进行了飞秒激光处理的位置的纳米金会集合在刻蚀的孔内，从而使得刻蚀的孔被纳米金填充；然后再将硅基板和玻璃盖板在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
清洗后的硅基板和纳米金的飞秒激光处理后的位置由于孔洞内存在纳米金，当低熔点合金注入时结合效果更好，更容易流动，从而避免在注入时由于注入的不稳定和施加的气压导致产生气泡，影响密封的效果；此外当灌注入水作为工质时，由于刻蚀的表面在刻蚀是可以根据wenzel模型设置飞秒激光处理的深度、宽度和间距，从而使得其具有超亲水效果，提高在注入工质时的注入效果，同样降低气泡产生以及可以提高排气时的排气效果。
而没有被飞秒激光处理的位置在超声清洗后纳米金脱落，光滑的硅基板和玻璃盖板对于低熔点合金的结合效果不变。
此外本发明保护一种用于硅基平板微热管的灌封方法，具体步骤如下：
第一步，通过MEMS加工工艺分别制作：1)带薄膜主加热器7、薄膜辅加热器8、微槽群4和密封沟道5的硅基板10；2)带工质注入/抽气孔1和合金注入孔2的玻璃盖板9。并通过静电键合封接硅基板10和玻璃盖板9；
第二步，两侧密封沟道5分别粘接连接管至工质注入/抽气孔1和合金注入孔2；
第三步，在合金注入孔1处放置足够量的低熔点合金6，通过薄膜加热器7和8控制温度梯度，利用小型可控气泵使第一连接管12和第二连接管13之间形成压力差P1-P2，控制合金在工质注入/抽气孔1处凝固。重复此操作，将另一侧的密封沟道内注入低熔点合金6，如图2(a)所示；
第四步，对微热管进行真空除气操作后，向微热管注入定量工质，灌注完成后夹封第二连接管13；
第五步，加热整个微槽群4区域，内部工质汽化形成一定的蒸汽压P3；
第六步，再次控制密封沟道的温度梯度，利用小型可控气泵使第一连接管12和微热管内部之间形成压力差P1-P3，控制低熔点合金6流动至沟道末端并凝固。重复此操作，将另一侧的低熔点合金6流动至沟道末端并凝固。如图2(b)所示；
第七步，将微热管冷却至室温并放置一段时间，移除第一连接管2、13和外露的低熔点合金6，完成扁平化的硅基微热管灌封。
本发明的效果和益处是：
该方法利用低熔点合金和密封沟道之间的冷膨胀力可形成无结点/凸点的嵌入式密封，促进微热管在电子器件领域的集成制造应用；集成薄膜加热器，利于灌封过程的一体化，提高硅基平板微热管的灌封工艺水平。
通过设计集成化的薄膜加热结构和压力控制，使灌注过程中低熔点合金的定点流动和固化得到提升，有助于提高微热管灌注质量和促进集成化制造。
使用飞秒激光的冷加工特性处理玻璃和硅基板，然后使用金进行孔填充，从而提高了在注入低熔点合金和注入工质以及排出空气时的稳定性，进一步提高了密封的效果。
附图说明
图1为本发明实施例的硅基微热管结构示意图。
图2为本发明实施例的操作过程示意图。
图中：1工质注入/抽气孔；2合金注入孔；3工质；4微槽群；
5密封沟道；6低熔点合金；7薄膜主加热器；8薄膜辅加热器；
9玻璃盖板；10硅基板；11温度传感器；12第一连接管；13第二连接管；
14电极。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1：
结合图1-2，硅基平板微热管包括，密封沟道区和微槽区，密封沟道区设置在微槽区的两侧，微槽去内设置微槽群；微槽群相互连通且两侧设置各有一个通往密封沟道区的开口；密封沟道区设置有密封沟道，密封沟道设置有工质注入/抽气孔和合金注入孔，密封沟道呈连续的“弓”字型结构一端和微槽群连通，且合金注入口设置在密封沟道的末端，工质注入/抽气孔设置在密封沟道的中部。
薄膜主加热器设置在工质注入/抽气孔下侧的位置，薄膜辅加热器设置在合金注入孔下侧的位置；薄膜主加热器和薄膜辅加热器均为电极连通的电加热器，且设置有温度传感器；
密封沟道和微槽群是由带有槽的硅基板和玻璃盖板相叠加形成的，第一连接管可以连接到工质注入/抽气孔，第二连接管可以连接至合金注入孔。小型可控充气泵可以连接至第一连接管和第二连接管，并且第一连接管和第二连接管之间的压力可以调节。
实施例2：
硅基板的预处理：
为了防止在密封时产生内部的气泡，需要将硅基板进行预处理以提高其和低熔点合金的结合性能；预处理方式包括如下步骤：
步骤一、硅基板的加工：硅基板使用激光或者化学刻蚀的方式在硅片上形成微槽而成；
步骤二、将硅基板和玻璃盖板放置在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
步骤三、在计算机中对硅基板上的密封沟道区域进行图形建模，在计算机中形成待激光处理的区域图形；然后将清洗后的硅基板和玻璃盖板在飞秒激光的作用下进行区域点刻蚀；刻蚀的深度为10μm，刻蚀的点的直径为20微米以下，刻蚀的点间距为30-50微米；刻蚀后将硅基板和玻璃盖板对应扣合后可以使得密封沟道的区域的沟道的上下面都具有刻蚀的微孔；
步骤四、将刻蚀后的硅基板和玻璃盖板在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
步骤五、将步骤四清洗后的硅基板和玻璃盖板放置在磁控溅射仪内进行磁控溅射；溅射的材料为金，溅射厚度100nm；从而在硅基板和玻璃盖板的表面形成一层金膜；
步骤六、将溅射后的硅基板和玻璃盖板进行加热，加热至400-500℃保持10min，使得表面的纳米金融化，融化后硅基板和玻璃盖板表面的纳米金会团聚形成不规则形状的金团簇；而进行了飞秒激光处理的位置的纳米金会集合在刻蚀的孔内，从而使得刻蚀的孔被纳米金填充；然后再将硅基板和玻璃盖板在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
清洗后的硅基板和纳米金的飞秒激光处理后的位置由于孔洞内存在纳米金，当低熔点合金注入时结合效果更好，更容易流动，从而避免在注入时由于注入的不稳定和施加的气压导致产生气泡，影响密封的效果；此外当灌注入水作为工质时，由于刻蚀的表面在刻蚀是可以根据wenzel模型设置飞秒激光处理的深度、宽度和间距，从而使得其具有超亲水效果，提高在注入工质时的注入效果，同样降低气泡产生以及可以提高排气时的排气效果。
而没有被飞秒激光处理的位置在超声清洗后纳米金脱落，光滑的硅基板和玻璃盖板对于低熔点合金的结合效果不变。
实施例3：
结合图1-2，第一步，通过MEMS加工工艺分别制作：
1)带薄膜主加热器7、薄膜辅加热器8、微槽群4和密封沟道5的硅基板10；
2)带工质注入/抽气孔1和合金注入孔2的玻璃盖板9。并通过静电键合封接硅基板10和玻璃盖板9；
第二步，在密封沟道5两侧，分别使用密封胶粘接紫铜管至工质注入/抽气孔1和合金注入孔2；
第三步，在合金注入孔1处放置足够量的低熔点合金6(熔点为139℃)，控制薄膜加热器7温度为145℃和薄膜加热器8温度为130℃，利用小型可控气泵使紫铜管1 12和紫铜管2 13之间形成压力差为50kPa，控制合金在工质注入/抽气孔1处凝固。重复此操作，将另一侧的密封沟道内注入低熔点合金6；
第四步，对微热管进行真空除气，待真空度小于0.01Pa后，向微热管注入定量去离子水，灌注完成后通过冷焊方式夹封第二连接管13；
第五步，加热整个微槽群4区域至70℃，内部去离子水汽化形成一定的蒸汽压约为30kPa；
第六步，再次控制密封沟道的温度梯度，利用小型可控气泵使第一连接管12和微热管内部之间形成压力差50kPa，控制低熔点合金6流动至沟道末端并凝固。重复此操作，将另一侧的低熔点合金6流动至沟道末端并凝固；
第七步，将微热管冷却至室温并放置10h以上，移除紫铜管12、13和外露的低熔点合金6，完成扁平化的硅基微热管灌封。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种硅基平板微热管，其特征在于：硅基平板微热管包括，密封沟道区和微槽区，密封沟道区设置在微槽区的两侧，微槽区内设置微槽群；微槽群相互连通且两侧设置各有一个通往密封沟道区的开口；密封沟道区设置有密封沟道，密封沟道设置有工质注入/抽气孔和合金注入孔，密封沟道呈连续的“弓”字型结构一端和微槽群连通，且合金注入口设置在密封沟道的末端，工质注入/抽气孔设置在密封沟道的中部；
薄膜主加热器设置在工质注入/抽气孔下侧的位置，薄膜辅加热器设置在合金注入孔下侧的位置；薄膜主加热器和薄膜辅加热器均为电极连通的电加热器，且设置有温度传感器；
密封沟道和微槽群是由带有槽的硅基板和玻璃盖板相叠加形成的，第一连接管连接到工质注入/抽气孔，第二连接管连接至合金注入孔；小型可控充气泵连接至第一连接管和第二连接管，并且第一连接管和第二连接管之间的压力能够调节。
2.一种用于硅基平板微热管的灌封方法，用于权利要求1所述的一种硅基平板微热管，该方法用于微热管的集成制造；其特征在于包括以下步骤：
第一步，通过MEMS加工工艺分别制作：1)带薄膜主加热器(7)、薄膜辅加热器(8)、微槽群(4)和密封沟道(5)的硅基板(10)；2)带工质注入/抽气孔(1)和合金注入孔(2)的玻璃盖板(9)；并通过静电键合封接硅基板(10)和玻璃盖板(9)；
第二步，两侧密封沟道(5)分别粘接连接管至工质注入/抽气孔(1)和合金注入孔(2)；
第三步，在合金注入孔(2)处放置足量的低熔点合金(6)，通过薄膜主加热器(7)和薄膜辅加热器(8)控制温度梯度，利用小型可控气泵使第一连接管(12)和第二连接管(13)之间形成压力差P1-P2，控制合金在工质注入/抽气孔(1)处凝固；重复此操作，将另一侧的密封沟道内注入低熔点合金(6)；
第四步，对微热管进行真空除气操作后，向微热管注入定量工质，灌注完成后夹封第二连接管(13)；
第五步，加热整个微槽群(4)区域，内部工质汽化形成一定的蒸汽压P3；
第六步，再次控制密封沟道的温度梯度，利用小型可控气泵使第一连接管(12)和微热管内部之间形成压力差P1-P3，控制低熔点合金(6)流动至沟道末端并凝固；重复此操作，将另一侧的低熔点合金(6)流动至沟道末端并凝固；
第七步，将微热管冷却至室温并放置一段时间，移除第一连接管、第二连接管(12、13)和外露的低熔点合金(6)，完成扁平化的硅基微热管灌封。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法中的硅基平板微热管左右两侧设计了密封沟道，其特征在于，利用低熔点合金在密封沟道内凝固后形成冷膨胀力，实现密封效果。
4.根据权利要求2所述的方法，该方法采用了薄膜主加热器和薄膜辅加热器结构，其特征在于，薄膜主加热器用于低熔点合金的熔化；薄膜主加热器和薄膜辅加热器沿合金流动方向形成一个温度梯度，用于控制合金定点位置的凝固。
5.根据权利要求2所述的方法，该方法在低熔点合金流动两端分别连接小型可控气泵，其特征在于，通过两端压力差控制低熔点合金流动。
6.一种用于硅基平板微热管的灌封方法中硅基板的预处理方法，用于权利要求1所述的一种硅基平板微热管，其特征在于：
为了防止在密封时产生内部的气泡，需要将硅基板进行预处理以提高其和低熔点合金的结合性能；预处理方式包括如下步骤：
步骤一、硅基板的加工：硅基板使用激光或者化学刻蚀的方式在硅片上形成微槽而成；
步骤二、将硅基板和玻璃盖板放置在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
步骤三、在计算机中对硅基板上的密封沟道区域进行图形建模，在计算机中形成待激光处理的区域图形；然后将清洗后的硅基板和玻璃盖板在飞秒激光的作用下进行区域点刻蚀；刻蚀的深度为10μm，刻蚀的点的直径为20微米以下，刻蚀的点间距为30-50微米；刻蚀后将硅基板和玻璃盖板对应扣合后使得密封沟道的区域的沟道的上下面都具有刻蚀的微孔；
步骤四、将刻蚀后的硅基板和玻璃盖板在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
步骤五、将步骤四清洗后的硅基板和玻璃盖板放置在磁控溅射仪内进行磁控溅射；溅射的材料为金，溅射厚度100nm；从而在硅基板和玻璃盖板的表面形成一层金膜；
步骤六、将溅射后的硅基板和玻璃盖板进行加热，加热至400-500℃保持10min，使得表面的纳米金融化，融化后硅基板和玻璃盖板表面的纳米金会团聚形成不规则形状的金团簇；而进行了飞秒激光处理的位置的纳米金会集合在刻蚀的孔内，从而使得刻蚀的孔被纳米金填充；然后再将硅基板和玻璃盖板在超声清洗机中先后进行超纯水、丙酮、酒精、超纯水的清洗，清洗时间每种溶剂10～20min，清洗温度30～50℃；
清洗后的硅基板和纳米金的飞秒激光处理后的位置由于孔洞内存在纳米金，当低熔点合金注入时结合效果更好，更容易流动，从而避免在注入时由于注入的不稳定和施加的气压导致产生气泡，影响密封的效果；此外当灌注入水作为工质时，由于刻蚀的表面在刻蚀是根据wenzel模型设置飞秒激光处理的深度、宽度和间距，从而使得其具有超亲水效果，提高在注入工质时的注入效果，同样降低气泡产生以及提高排气时的排气效果；而没有被飞秒激光处理的位置在超声清洗后纳米金脱落，光滑的硅基板和玻璃盖板对于低熔点合金的结合效果不变。
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