CN115714113A - 一种集成散热微通道的ltcc基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成散热微通道的LTCC基板及其制备方法，主要涉及多层陶瓷电路基板制造技术领域，包括以下步骤，S1.将生瓷片按照微通道的结构分为上部分生瓷和下部分生瓷，对各层生瓷分别进行预处理，然后叠层并层压得到上生瓷层压坯体和下生瓷层压坯体；S2.在上生瓷层压坯体或下生瓷层压坯体上制备贯通式微通道进/出水口；S3.在镂空压板上划切出贯通的开口区域，所述开口区域形状与微通道沟道结构的平面投影形状一致；S4.在叠层背板上按顺序依次放置底面离型膜片，下生瓷层压坯体，上生瓷层压坯体，顶面离型膜片，刚性金属片，镂空压板，实心顶板，形成多层叠片模块，等步骤。

Description

一种集成散热微通道的LTCC基板及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及多层陶瓷电路基板制造技术领域，具体涉及一种集成散热微通道的LTCC基板及其制备方法。

背景技术

以LTCC(低温共烧陶瓷)为典型代表的多层陶瓷电路基板具有高频性能优异，布线方式灵活，无源器件高效集成，微波/数字/控制等功能电路协同布置等诸多特点，在通信、汽车电子、航空、航天等领域得到广泛应用。LTCC材料由陶瓷主晶相和一定比例的玻璃材料所构成。低热导玻璃相的存在导致LTCC基板的常规热导率仅为2～5W/m·K，难以满足大功率芯片工作时的散热需求。通过在芯片安装区域制作导热孔阵列可以在一定程度上提升基板的导热能力，但是基板的等效热导率仍然不高(通常≤20W/m·K)。随着微波电路对小型化、轻量化需求的不断提升，在有限的安装环境下，系统散热需求与导热能力不匹配的矛盾愈加凸显，需采用更为高效的散热结构。一种比较理想的散热结构是在LTCC陶瓷基板内部功率芯片安装位置下方共形集成微通道，通过通道内部快速流动的液冷介质将芯片产生的热量快速带离基板，从而实现高效散热。

近年来业界内对LTCC内埋微通道已经做了大量的研究工作。论文“基于正交设计的LTCC基板微流道散热性能研究”中分析了微流道结构、流道直径和流体流速对散热性能的影响。论文“基于LTCC的微通道散热设计”中建立了微流道散热模型并进行了热-流耦合仿真和散热效果实际测试。论文“基于LTCC的微流道散热技术”中对不同结构微流道模型进行了热-流耦合仿真和实物测试。专利CN 201510725269.0“LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法”中通过对辐射阵面温度分布的反演和计算获得微通道制造要素并加以改善。这些文献关注的重点均在于微通道的模型建立和散热特性仿真分析上，未涉及微通道的具体工艺实现方法。

论文“LTCC基板集成微流通道散热技术”中应用聚丙烯碳酸酯材料作为嵌件填入微流道结构中实现了在LTCC基板中制作微流道。论文“三维微流道系统技术研究”中采用牺牲层材料填充的方式防止了热压过程中微流道结构塌陷和变形。论文“高导热LTCC基板的散热性能研究”中采用填有导热浆料的进口牺牲层材料作为填充层在LTCC基板中制备了内置微流道并进行了散热效果测试。专利CN201811280602.1“一种内置微流道的高散热LTCC基板及其制造方法”在叠片过程中用带金属柱阵列的碳带生坯填入生瓷中空腔体、纯碳带生坯填入微流道内部后层压烧结获得集成微流道及热传导金属阵列的LTCC基板。上述文献中均采用了牺牲层材料填充腔体的方式来解决埋置微通道在生瓷状态下受压变形的问题，这是目前在LTCC基板中制作微通道的主流方法。但是采用牺牲层材料存在如下问题：1)牺牲材料的热分解过程与LTCC难以精准匹配，可能导致LTCC基板开裂与变形；2)微通道尺寸很小，必须精确加工牺牲材料的形状才能准确填充到微通道中，但牺牲材料的脆性通常较大，精确加工比较困难；3)牺牲材料的填充量较大，难以在烧结时彻底排干净，因此容易残留碳等杂质，导致基板电性能恶化。

专利CN201510831701.4“一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法”中根据微通道的构造将生瓷划分为数个子模块并分别加工微通道结构，再将各子模块贴合面涂覆胶粘剂后对准贴合，采用极低压力层压和烧结完成基板制作。该方法不需要向腔体中填充牺牲层材料，但是加工过程较复杂，在具有复杂结构产品的应用中，胶粘剂在子模块贴合面均匀涂覆控制难度大，局部漏涂或过量涂覆易导致基板离层和平整度下降。同时，子模块的最终层压压力过低，存在因胶粘剂铺展不充分导致基板在复杂结构处出现离层的质量风险。

专利CN204204832.U“一种基于LTCC高密度热流的散热腔体”中提供了一种将LTCC基片、可伐腔体、钨铜镶块和芯片组装而成的一体化散热结构，散热性能良好，但并未涉及LTCC基板内部微通道的加工，且采用金属腔体的封装也不利于模块的小型化和轻量化。

针对现有技术在LTCC内部制备微通道时难以兼顾微通道的良好保形性及可靠结合性问题，需要开发一种操作简单、无需额外填充材料、层间结合牢固、兼容常规LTCC工艺、成型质量良好的内埋微通道制作方法，实现高集成度、高散热性LTCC基板的稳定加工，促进微波模块向小型化、轻量化持续发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成散热微通道的LTCC基板及其制备方法，解决现有技术中在LTCC内部制备微通道时难以兼顾微通道的良好保形性及可靠结合性的技术问题。

本发明公开了一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，包括以下步骤，

S1.将生瓷片按照微通道的结构分为上部分生瓷和下部分生瓷，对各层生瓷分别进行预处理，然后叠层并层压得到上生瓷层压坯体和下生瓷层压坯体；

S2.在上生瓷层压坯体或下生瓷层压坯体上制备贯通式微通道进/出水口；

S3.在镂空压板上划切出贯通的开口区域，所述开口区域形状与微通道沟道结构的平面投影形状一致；

S4.在叠层背板上按顺序依次放置底面离型膜片，下生瓷层压坯体，上生瓷层压坯体，顶面离型膜片，刚性金属片，镂空压板，实心顶板，形成多层叠片模块；

S5.在多层叠片模块顶部铺置软性硅胶片，然后放入包装袋真空密封，对真空密封后的包装采用温水等静压施加压力完成二次层压，层压条件与上生瓷层压坯体或下生瓷坯体完全相同；

S6.层压后拆除真空包装袋，去除软性硅胶片，压板，刚性金属片和离型膜片，获得内部集成微通道的LTCC基板层压坯体；

S7.常规烧结LTCC基板层压胚体，获得内部集成散热微通道的LTCC基板。

进一步的，所述叠层是将生瓷片采用光学对位或销钉定位的方式按照一定顺序准确叠放。

进一步的，所述层压是采用温水等静压将多张生瓷压合到一起，形成层压坯体，等静压温度为60℃～80℃，压力为1000PSI～4000PSI。上部分生瓷层压形成上生瓷层压坯体，下部分生瓷层压形成下生瓷层压坯体。

进一步的，所述二次层压是利用温水等静压对密封包装的多层叠片模块进行加压，使多层叠片模块中的下生瓷层压坯体和上生瓷层压坯体压合到一起，形成内部存在微通道结构的LTCC基板层压坯体。

进一步的，所述二次层压的等静压温度为60℃～80℃，压力为1000PSI～4000PSI。

进一步的，所述微通道位于所述下生瓷层压坯体上。

进一步的，所述微通道使用数铣或激光或其他等效加工方式形成沟道。

进一步的，所述下生瓷层压坯体上采用数控铣方式制作宽度为0.4mm～1mm、深度为0.3～0.8mm的微通道沟道结构。

进一步的，所述微通道进/出水口直径为0.4～1mm，利用数控钻或其他等效加工方式制作。

进一步的，所述步骤S1中预处理步骤包括打孔、印刷或干燥。

进一步的，所述下生瓷层压坯体的进/出水口位于所述下生瓷层压坯体底部。

进一步的，所述镂空压板为氧化铝陶瓷或其他硬质等效材料，厚度为1～2mm。

本发明第二个目的是保护一种集成散热微通道的LTCC基板，包括背板，所述背板，所述背板上设置有支撑柱，所述支撑柱上依次设置有底面离型膜片、下生瓷层压坯体、上生瓷层压坯体、顶面离型膜片、刚性金属片、镂空压板、实心顶板，所述下生瓷层压坯体和上生瓷层压坯体上集成有微通道和进/出水口。

进一步的，所述集成散热微通道的LTCC基板为多层基板，基板各层包含复杂通孔、布线和其它电路结构。

进一步的，所述支撑柱为销钉。

一种集成散热微通道的LTCC基板，使用上述方法制备。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1.本发明采用子模块叠层、数铣沟道、二次层压的工艺路线，通过在二次层压环节应用一种带镂空结构的保护性组合压块，成功开发出在LTCC基板内部集成散热微通道的制造方法。当在微通道中持续通入快速流动的散热介质(如冷却液)时，可将微通道布置区域上方安装的功率芯片或高发热元件产生的热量迅速带出基板外部，从而抑制局部温升，实现高效散热，维持系统稳定工作；

2.通过将刚性金属片、开口区域与沟道结构的平面投影形状一致的镂空压板与实心顶板按序叠放，形成层压成型时对LTCC基板内部埋置微通道结构具有保护性作用的组合压块，该组合压块的作用在于：层压成型时，避免通道的中空部分直接受压，有效防止通道顶部发生塌陷；同时组合压块中的刚性金属片受到背板上支撑柱穿过金属片销钉孔的物理约束，在不产生位移滑动和承压变形的情况下，将适宜的层压压力传递至通道顶部，保证通道结构受压充分，层间结合紧密，从而实现LTCC基板内部微通道的可靠成型；

3.本发明的方法消除了“粘接层合”工艺应用在复杂产品中容易离层的风险；通道成型时无需填充任何牺牲材料，从本质上消除了对牺牲材料定制化和精细化加工的依赖，也规避了异质材料烧结所带来的匹配风险。同时，加工过程中所采用的工艺参数与常规LTCC工艺高度一致，无工艺特殊性。与业界方法相比，本专利操作简单，易于实现，通用性强，成品率高，能够获得高质量的微通道成型效果，具有良好的工艺稳定性，可用于内部集成散热微通道LTCC基板的稳定实现。

附图说明

图1为本发明叠层背板及销钉示意图；

图2为本发明上生瓷层压坯体示意图；

图3为本发明下生瓷层压坯体示意图；

图4为本发明镂空压板示意图；

图5为本发明LTCC集成微通道层压成型结构示意图；

图6为本发明LTCC集成微通道层压成型结构剖面及层压压力施加示意图；

图7为本发明LTCC集成微通道层压坯体示意图。

图中：1-背板，2-支撑柱，3-上生瓷层压坯体，4-进/出水口，5-下生瓷层压坯体，6-微通道，7-镂空压板，8-开口区域，9-底面离型膜片，10-顶面离型膜片，11-刚性金属片，12-顶板，13-硅胶片，14-包装袋。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施例1

一种集成散热微通道的LTCC基板，其具体如图1-7所示，包括背板1，所述背板1，所述背板1上设置有支撑柱2，所述支撑柱2上依次设置有底面离型膜片9、下生瓷层压坯体5、上生瓷层压坯体3、顶面离型膜片10、刚性金属片11、镂空压板7、实心顶板12。

实施例2

作为本发明一较佳实施例，具体如图1-7所示，其在实施例1的基础上改变仅为，背板1材料为不锈钢，尺寸为102mm*102mm*8mm，支撑柱2为销钉，直径为2.5mm，高度8mm，销钉孔的直径为2.55mm，深度为3mm，相邻孔间距为80mm。

实施例3

一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，选用Dupont 951材料体系，将20张4寸大小的生瓷按照微通道6的结构分为6张上部分生瓷和14张下部分生瓷，对各层生瓷分别进行打孔、印刷、干燥，将6张上部分生瓷按顺序叠层并层压得到上生瓷层压坯体3，层压条件为温度70℃，层压压力2800psi，保压10分钟，在上生瓷层压坯体3上利用数控钻方式制作直径为0.6mm的贯通式微通道6进/出水口4。将14张下部分生瓷按顺序叠层并层压得到下生瓷层压坯体5，在下生瓷层压坯体5上采用数控铣方式制作宽度为0.4mm、深度为0.6mm的微通道6腔体结构7。层压条件与上生瓷层压坯体3相同。进/出水口4根据需要也可制作在下生瓷层压坯体5的底部。

制作镂空压板7，利用激光在实心陶瓷板上划切出贯通的开口区域8，开口区域8的形状与微通道6沟道结构的形状一致。镂空压板7的材质为96氧化铝陶瓷，厚度为1mm。镂空压板7尺寸与上生瓷层压坯体3或下生瓷层压坯体5相同。

在叠层背板1上按顺序依次放置底面离型膜片9，下生瓷层压坯体5，上生瓷层压坯体3，顶面离型膜片10，刚性金属片11，镂空压板7，实心顶板12，形成多层叠片模块。

然后在多层叠片模块顶部铺置一块厚度2mm的软性硅胶片13。将铺置软性硅胶片13的多层叠片模块放入包装袋14真空密封，对真空密封后的包装采用温水等静压施加压力完成二次层压，层压条件为温度70℃，层压压力2800psi，保压10分钟。层压后拆除真空包装袋14，去除软性硅胶片13，压板，刚性金属片11和离型膜片，获得内部集成微通道6的LTCC基板层压坯体。常规烧结LTCC基板层压胚体，获得内部集成散热微通道6的LTCC基板。

以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1.将生瓷片按照微通道(6)的结构分为上部分生瓷和下部分生瓷，对各层生瓷分别进行预处理，然后叠层并层压得到上生瓷层压坯体(3)和下生瓷层压坯体(5)；

S2.在上生瓷层压坯体(3)或下生瓷层压坯体(5)上制备贯通式微通道(6)进/出水口(4)；

S3.在镂空压板(7)上划切出贯通的开口区域(8)，所述开口区域(8)形状与微通道(6)沟道结构的平面投影形状一致；

S4.在叠层背板(1)上按顺序依次放置底面离型膜片(9)，下生瓷层压坯体(5)，上生瓷层压坯体(3)，顶面离型膜片(10)，刚性金属片(11)，镂空压板(7)，实心顶板(12)，形成多层叠片模块；

S5.在多层叠片模块顶部铺置软性硅胶片(13)，然后放入包装袋(14)真空密封，对真空密封后的包装采用温水等静压施加压力完成二次层压，层压条件与上生瓷层压坯体(3)或下生瓷坯体完全相同；

S6.层压后拆除真空包装袋(14)，去除软性硅胶片(13)，压板，刚性金属片(11)和离型膜片，获得内部集成微通道(6)的LTCC基板层压坯体；

S7.常规烧结LTCC基板层压胚体，获得内部集成散热微通道(6)的LTCC基板。

2.根据权利要求1所述的一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，其特征在于：所述层压是采用温水等静压将多张生瓷压合到一起，形成层压坯体，等静压温度为60℃～80℃，压力为1000PSI～4000PSI。

3.根据权利要求1所述的一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，其特征在于：所述二次层压是利用温水等静压对密封包装的多层叠片模块进行加压，使多层叠片模块中的下生瓷层压坯体(5)和上生瓷层压坯体(3)压合到一起，形成内部存在微通道(6)结构的LTCC基板层压坯体。

4.根据权利要求3所述的一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，其特征在于：所述二次层压的等静压温度为60℃～80℃，压力为1000PSI～4000PSI。

5.根据权利要求1所述的一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，其特征在于：所述微通道(6)使用数铣或激光或其他等效加工方式形成沟道。

6.根据权利要求1所述的一种集成散热微通道的LTCC基板及其制备方法，其特征在于：所述镂空压板(7)为氧化铝陶瓷或其他硬质等效材料，厚度为1～2mm。

7.根据权利要求1所述的一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法，其特征在于：所述步骤S1中预处理步骤包括打孔、印刷或干燥。

8.一种集成散热微通道的LTCC基板，其特征在于：由权利要求1-7任一项所述的一种集成散热微通道的LTCC基板制备方法得到。

9.一种集成散热微通道的LTCC基板，其特征在于：包括背板(1)，所述背板(1)上设置有支撑柱(2)，所述支撑柱(2)上依次设置有底面离型膜片(9)、下生瓷层压坯体(5)、上生瓷层压坯体(3)、顶面离型膜片(10)、金属片(11)、镂空压板(7)、顶板(12)，所述下生瓷层压坯体(5)和上生瓷层压坯体(3)上集成有微通道(6)及进/出水口(4)。

10.根据权利要求9所述的一种集成散热微通道的LTCC基板，其特征在于：所述集成散热微通道(6)的LTCC基板为多层基板，基板各层包含复杂通孔、布线和其它电路结构。

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