CN114173510B - 一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构及其制备和应用，该多层隔热结构包括衬底，以及依次复合在衬底上的反射层、支撑柱、隔热层和反射层，且支撑柱与反射层之间、反射层与衬底之间均设有一层粘结层。与现有技术相比，本发明的制备条件可控，性能优异，有望在微电子器件隔热防护和电路保护外壳等方面有巨大的应用前景。

Description

一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构及其制备和应用

技术领域

本发明属于隔热材料技术领域，涉及一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构及其制备和应用。

背景技术

随着航空航天，海洋船舶等技术的发展，面向极端环境的微电子设备(传感器，控制器，执行器等)的应用越来越广泛。应用环境的复杂性对微电子设备的可靠性和使用寿命提出了更高的要求。在航空航天领域，仪器往往受到高能的太阳辐照，加速了电路老化，同时太阳辐照也会影响精密电路的稳定性。在极寒环境中，设备电路受冻也会影响其正常运转。此外在很多工业电子领域，仪器内部总是多系统，多部件的高度集成，如何防止精密设备受到其他部件的热干扰也成为了一个急需解决的难题。本发明也正是基于此而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构及其制备和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了包括衬底，以及依次复合在衬底上的反射层、支撑柱、隔热层和反射层，且支撑柱与反射层之间、反射层与衬底之间均设有一层粘结层。支撑柱通过粘结层连接衬底和隔热层，支撑柱的高度即为空气隔热层的高度。顶部反射层可减少对外界红外热辐射的吸收，隔热层(包括空气隔热层)具有低热导率可以减弱热传导，此外衬底上的反射层可以减少对来自隔热层的热辐射的吸收。

进一步的，所述衬底的厚度为5μm～5mm。

进一步的，所述支撑柱高度为2nm～10μm。

进一步的，所述粘结层厚度为2nm～10μm。

进一步的，所述隔热层厚度为2nm～10μm。

进一步的，所述反射层厚度为2nm～10μm。

进一步的，所述衬底为聚合物薄膜、玻璃、硅片、金属及其氧化物片中的一种。

进一步的，所述支撑柱的材质为Al₂O₃或SiO₂中的一种或两种。

进一步的，所述支撑柱设有若干个，其呈条形结构，并在衬底上的排列方式为平行排列、垂直排列、环绕式排列或放射式排列。

进一步的，所述粘结层的材质为Cr或Ti。

进一步的，所述隔热层的材质为Al₂O₃或SiO₂的一种或两种。

进一步的，所述反射层的材质为Ag或Al。

进一步的，上述微型多层隔热结构可以制作成大面积阵列(m*n*k,m,n,k≥1)，并通过吸附，粘结或者键合在微电子器件表面。

本发明的技术方案之二提供了一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)取衬底并在其表面依次沉积有粘结层和反射层，接着旋涂正性光刻胶，烘烤，随后用掩模板进行紫外曝光，再在显影液中洗去曝光部分的光刻胶，形成上部开口的沉积空腔；

(2)在沉积空腔中依次沉积粘结层和支撑柱，再置于丙酮中进行剥离，得到具有支撑柱的衬底；

(3)继续在具有支撑柱的衬底上旋涂支撑胶，烘烤，并确保支撑胶高度与支撑柱齐平；

(4)接着在支撑胶与支撑柱的表面采用磁控溅射技术依次沉积粘结层、隔热层和反射层；

(5)最后将所得衬底置于丙酮中进行剥离、或用氧等离子体处理，去除支撑胶，即得到目标产物。

本发明的技术方案之三提供了一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构的应用，该微型多层隔热结构用于极端环境中微电子器件的防护隔热层和电路保护外壳。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)传统的隔热材料往往笨重，体积庞大且隔热效果不佳，本发明引入热导率极低的空气作为轻质隔热层，将有效提高整体的隔热效果。

(2)本发明涉及的多层结构中包含反射层，可有效反射电磁波(太阳辐照等)，对在环境中暴露的电子设备有很好的隔热防护效果。

(3)利用紫外光刻和薄膜沉积技术相结合，制备工艺精度可控，可达微纳米级。在微电子隔热防护和电路保护外壳有巨大的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的具有空气隔热层的微型隔热单元的制备步骤；

图2是本发明提供的不同结构空气隔热层结构所用的掩模板图案。

图3是本发明提供的空气隔热层结构的热流分布图。

图中标记说明：

1、衬底；2、粘结层；3、支撑柱；4、隔热层；5、反射层；6、光刻胶；7、掩模板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，光刻胶为华积半导体(上海)有限公司HJ3527型号正性光刻胶，靶材采购于中诺新材(北京)科技有限公司。本实施例中涉及的气相沉积方法为磁控溅射法。其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。

实施例1：

参考图1所示，本实施例主要涉及曝光，显影，气相沉积，旋涂支撑胶和去胶等步骤。曝光是指利用紫外光源将掩模板上的图案转移到光刻胶上；显影是将光刻胶的图案在衬底上显示出来；曝光和显影是紫外光刻技术的核心步骤，具体还包括基片清洗、光刻胶旋涂、光刻胶软烘、对准曝光、曝光后烘、显影、后烘、检查等。气相沉积是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。该方法具有制备纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄、粒径小等特点；旋涂支撑胶和去胶的过程主要是为了得到空气层结构。

参考图1(a)-(d)，选取覆盖有氧化层的三寸硅片作为衬底，利用磁控溅射技术在衬底上沉积10nm Cr粘结层和2μm Ag反射层，旋涂正性光刻胶后，在热台上烘烤。随后用参考图2(a)所示掩模板7进行紫外曝光，曝光后在显影液中洗去曝光部分的光刻胶。洗去的部分呈现两个平行排列的长方体。

参考图1(e)，利用磁控溅射技术依次沉积10nm Cr粘结层和2μm SiO₂作为支撑柱。放置在丙酮中进行剥离，留下支撑柱结构。得到的支撑柱结构为两个平行排列的长方体。

参考图1(f)，旋涂支撑胶，在热台上烘烤后支撑胶高度刚好覆盖隔热层表面。

参考图1(g)，利用磁控溅射技术依次沉积10nm Cr粘结层，5μm SiO₂隔热层和1μmAg反射层。

参考图1(h)，放置在丙酮中进行剥离或用氧等离子体处理，去除支撑胶，得到具有空气隔热层的微型隔热单元，具体结构包括衬底1，以及依次复合在衬底1上的反射层5、支撑柱3、隔热层4和反射层5，且支撑柱3与反射层5之间、反射层5与衬底1之间均设有一层粘结层2。

本发明选用材料具有较低的热导率，尤其引入热导率极低的空气层后，将极大提高整体的隔热效果。

实施例2：

参考图1(a)-(d)，选取石英玻璃作为衬底，经过洗涤干燥后，在衬底上沉积10nmCr粘结层和2μm Ag反射层，旋涂正性光刻胶，在热台上烘烤。随后用参考图2(b)所示掩模板7进行紫外曝光，曝光后在显影液中洗去曝光部分的光刻胶。洗去的部分为呈“十”字形垂直排列的2个长方体。

参考图1(e)，利用磁控溅射技术依次沉积50nm Cr粘结层和5μm Al₂O₃作为支撑柱。放置在丙酮中进行剥离，留下支撑柱结构。得到的支撑柱结构为呈“十”字形垂直排列的2个长方体。

参考图1(f)，旋涂支撑胶，在热台上烘烤后支撑胶高度刚好覆盖隔热层表面。

参考图1(g)，利用磁控溅射技术依次沉积50nm Cr粘结层，5μm Al₂O₃隔热层和2μmAg反射层。

参考图1(h)，放置在丙酮中进行剥离或用氧等离子体处理，去除支撑胶，得到具有空气隔热层的微型隔热单元，具体结构包括衬底1，以及依次复合在衬底1上的反射层5、支撑柱3、隔热层4和反射层5，且支撑柱3与反射层5之间、反射层5与衬底1之间均设有一层粘结层2。

实施例3：

参考图1(a)-(d)，选取聚酰亚胺薄膜作为衬底，经过洗涤干燥后，在衬底上沉积5nm Cr粘结层和2μm Ag反射层，旋涂正性光刻胶，在热台上烘烤。随后用参考图2(c)所示掩模板7进行紫外曝光，曝光后在显影液中洗去曝光部分的光刻胶。洗去的部分为呈“口”字形环绕排列的4个长方体。

参考图1(e)，利用磁控溅射技术依次沉积50nm Cr粘结层和2μm SiO₂，3μmAl₂O₃作为支撑柱。放置在丙酮中进行剥离，留下支撑柱结构。得到的支撑柱结构为呈环绕排列的4个长方体。

参考图1(f)，旋涂支撑胶，在热台上烘烤后支撑胶高度刚好覆盖隔热层表面。

参考图1(g)，利用磁控溅射技术依次沉积50nm Cr粘结层，5μm SiO₂，5μmAl₂O₃隔热层和2μm Al反射层。

参考图1(h)，放置在丙酮中进行剥离或用氧等离子体处理，去除支撑胶，得到具有空气隔热层的微型隔热单元，具体结构包括衬底1，以及依次复合在衬底1上的反射层5、支撑柱3、隔热层4和反射层5，且支撑柱3与反射层5之间、反射层5与衬底1之间均设有一层粘结层2。

实施例4：

参考图1(a)-(d)，选取铝合金片作为衬底，经过打磨抛光洗涤干燥后，在衬底上沉积5nm Cr粘结层和2μm Ag反射层，旋涂正性光刻胶，在热台上烘烤。随后用参考图2(d)所示掩模板7进行紫外曝光，曝光后在显影液中洗去曝光部分的光刻胶。洗去的部分为放射状排列的4个长方体。

参考图1(e)，利用磁控溅射技术依次沉积50nm Cr粘结层和5μm SiO₂作为支撑柱。放置在丙酮中进行剥离，留下支撑柱结构。得到的支撑柱结构为呈放射状排列的4个长方体。

参考图1(f)，旋涂支撑胶，在热台上烘烤后支撑胶高度刚好覆盖隔热层表面。

参考图1(g)，利用磁控溅射技术依次沉积50nm Cr粘结层，2μm SiO₂，3μmAl₂O₃，2μmSiO₂，3μm Al₂O₃多层作为隔热层和2μm Al反射层。

参考图1(h)，放置在丙酮中进行剥离或用氧等离子体处理，去除支撑胶，得到具有空气隔热层的微型隔热单元，具体结构包括衬底1，以及依次复合在衬底1上的反射层5、支撑柱3、隔热层4和反射层5，且支撑柱3与反射层5之间、反射层5与衬底1之间均设有一层粘结层2。

对比例1：

与实施例4相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：省去了空气层的设计。

以上各实施例及对比例的效果数据如下表所示。

在不考虑反射层和界面热阻的前提下，通过对比原料，实施例1-4和对比例1的理论热导率可知：由于空气具有极低的热导率，具有空气层结构的实施例1-2相对于单一原料的热导率大幅降低。此外，实施例3-4额外构筑了多层界面，通过声子-电子的散射效应降低热传导，其实际热导率值将小于其理论热导率。对比例1相比于实施例4仅缺少空气层，其热导率明显提高，说明空气层在降低整体热导率方面至关重要。

通过建立传热模型(图3)，可以分析材料的能量转换过程。以整体受到太阳辐照为热源为例，底部的受热Q_加热＝Q_太阳光-Q_传导1-Q_传导2-Q_空气传导-Q_反射1-Q_反射2(Q_传导表示在热传导过程中损耗的热量，Q_反射表示被反射层反射到环境中的热量).由此可见，通过降低热传导(提高在热传导过程中热损失)和提高反射对隔热至关重要。对比例2相比于实施例4缺少反射层，Q_反射1和Q_反射2减少，那么会有更多的热量传递到底部，Q_加热明显提高。

实施例5：

将实施例1的微型隔热单元做成3*3*1的阵列安装在飞行器控制芯片外壳，用作隔热防护，保护电路。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构的制备方法，其特征在于，该微型多层隔热结构包括衬底，以及依次复合在衬底上的反射层、支撑柱、隔热层和反射层，且支撑柱与反射层之间、反射层与衬底之间均设有一层粘结层；

所述衬底为聚合物薄膜、玻璃、硅片、金属及其氧化物片中的一种；

所述支撑柱的材质为Al₂O₃或SiO₂中的一种或两种；

所述支撑柱设有若干个，其呈条形结构，并在衬底上的排列方式为平行排列、垂直排列、环绕式排列或放射式排列；

所述粘结层的材质为Cr或Ti；

所述隔热层的材质为Al₂O₃或SiO₂的一种或两种；所述反射层的材质为Ag或Al；

该制备方法包括以下步骤：

(1)取衬底并在其表面依次沉积有粘结层和反射层，接着旋涂正性光刻胶，烘烤，随后用掩模板进行紫外曝光，再在显影液中洗去曝光部分的光刻胶，形成上部开口的沉积空腔；

(2)在沉积空腔中依次沉积粘结层和支撑柱，再置于丙酮中进行剥离，得到具有支撑柱的衬底；

(3)继续在具有支撑柱的衬底上旋涂支撑胶，烘烤，并确保支撑胶高度与支撑柱齐平；

(4)接着在支撑胶与支撑柱的表面采用磁控溅射技术依次沉积粘结层、隔热层和反射层；

(5)最后将所得衬底置于丙酮中进行剥离、或用氧等离子体处理，去除支撑胶，即得到目标产物。

2.根据权利要求1所述的一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构的制备方法，其特征在于，所述衬底的厚度为5μm～5mm；

所述支撑柱高度为2nm～10μm；

所述粘结层厚度为2nm～10μm；

所述隔热层厚度为2nm～10μm；

所述反射层厚度为2nm～10μm。

3.如权利要求1所述的一种具有空气隔热层的微型多层隔热结构的应用，其特征在于，该微型多层隔热结构用于极端环境中微电子器件的防护隔热层和电路保护外壳。

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