CN212161796U - 一种ltcc液冷散热导热增强结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LTCC液冷散热导热增强结构，属于高密度集成框架的高效率传热散热技术领域。该结构包括LTCC陶瓷基体和盖板。LTCC陶瓷基体内设置有台阶盲腔以及盲孔。盖板底部设有与其为一体的分流肋片。本实用新型与常规的基于高密度导热孔结构的LTCC微流道导热增强结构相比，制造过程中不易发生焊接基底鼓凸的问题；并且，该结构及其制造的后续应用一致性良好，且后续应用可靠性较高。

Description

一种LTCC液冷散热导热增强结构

技术领域

本实用新型涉及高密度集成框架的高效率传热散热技术领域，特别涉及一种LTCC液冷散热导热增强结构。

背景技术

随着微纳制造工艺的进步，在常规LTCC基板制造的基础上，又发展了薄厚膜结合、超精细线条制造等新工艺，使得LTCC基板的应用从微组装基板扩展到了微系统集成。在LTCC微系统集成技术领域内，通过超细线条、表面薄膜等工艺，不仅使LTCC能够集成的功能和元器件越来越多，同时借助其多种复杂结构兼容制造优势，集成的方式从二维平面集成也发展到2.5D甚至3D集成。在构建基于LTCC基板的功能组件/系统中，通常将电阻、滤波器等无源器件以及电气互连布线以及层间信号互连节点集成于LTCC基板内部。控制芯片、功放芯片等IC功能芯片则通过粘接、共晶、键和等微封装的技术手段实现与LTCC基板的集成。随着多功能微系统的快速发展，在LTCC基板中集成的芯片密度越来越高。随之带来的系统热管理问题成为限制LTCC平台系统集成应用的关键。散热问题不仅会影响功率芯片的工作效率，还会降低整个集成系统的功能稳定性可靠性。由此，高密度的集成带来高热流密度，随之引入的高效率传热散热问题是LTCC高密度集成系统继续解决的难点之一。

微流散热技术具有低热阻、高效率、可与芯片集成等优势。流道冷却液体吸收芯片散发的热量,通过液体循环将热量传给外界,达到芯片散热目的。将LTCC常规制造工艺与牺牲层技术、冷抵压技术等先进陶瓷制造技术结合，可以实现包括微流结构在内的LTCC复杂3D结构制造。

LTCC微流道散热技术中，发热芯片的热量需要经过“微流道顶层”的LTCC传递到微流道中的散热工质。在该过程中，由于LTCC基板较低的传热系数2～3W/m-·K，大大降低了整个LTCC微流道结构的散热性能。在“微流道顶层”的LTCC基板中制备高密度的高热金属化阵列孔是改善这一缺点的有效方法。在常规陶瓷制造工艺孔间距≥2×孔径能力下，填充高导热的银浆可以将LTCC陶瓷的导热率从2～3W/m-·K提高到30～40W/m-·K。若想基于此方法进一步提升基板的导热率则需要制造局部的高密度通孔阵列。局部高比例的通孔金属化增加了LTCC基板的制造难度，极易导致基板平整度差、密封性差等问题。因此，导热孔方法主要用于对基板的导热性要求不高的场合，主要是针对芯片的发热功率不高的情况下。对于综合射频、多功能模组等应用中的高功率芯片应用工况，应用导热孔技术不能实现良好的传热散热，对系统的热机械可靠性产生较大影响。综上所述，在LTCC高密度集成平台上实现高效率的集成液冷微流道散热面临着LTCC材料导热率低的问题，应用常规的导热孔能起到有限作用，但无法解决高功率密度的功能芯片的微系统集成传热散热问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种LTCC液冷散热导热增强结构。该导热增强结构的应用范围更广，能够使用不同等级的高功率发热器件的热管理；其制造的后续应用一致性良好，且后续应用可靠性较高。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种LTCC液冷散热导热增强结构，包括LTCC陶瓷基体和盖板，所述LTCC陶瓷基体内设有敞口的台阶盲腔，台阶盲腔的开口处设有台阶；所述盖板包括支撑板和分流肋片，分流肋片均匀排布在支撑板的底部；所述盖板位于台阶盲腔的台阶上，并将分流肋片覆盖于台阶盲腔的内部；LTCC陶瓷基体上还设置有至少两个盲孔，所述盲孔均位于LTCC陶瓷基体的顶部，每个盲孔均通过不同的连接通道接通台阶盲腔的底部。

进一步的，所述盲孔中至少有2个分别位于台阶盲腔的两侧。

进一步的，所述盖板的顶面和LTCC陶瓷基体的顶面位于同一高度。

进一步的，所述盖板的热膨胀系数与LTCC陶瓷基体的热膨胀系数匹配。

本实用新型采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本实用新型与常规的基于高密度导热孔结构的LTCC微流道导热增强结构相比，制造过程中不易发生焊接基底鼓凸的问题；并且，该结构及其制造的后续应用一致性良好，且后续应用可靠性较高。

2、本实用新型提出的导热增强结构的导热性能良好：常规LTCC基板的热传导率为2W/mK～W/mK，应用该导热增强结构可提高综合导热率2个数量级。与常规基板相比，常规的电子模块通过优化该导热增强结构，可使综合热阻降低2个数量级以上。

3、本实用新型提出的导热增强结构，通过分流肋片，可以实现超细微流道结构的制造。由于采用分开制造，再合体的制造思路，微流道的间隔尺寸最小可以做到几十微米。导热增强结构可以根据不同的发热工况，设计不同占空比的流道肋片。因此，该导热增强结构的应用范围更广，可以是使用不同等级的高功率发热器件的热管理。

附图说明

图1是本实用新型实施例的爆炸示意图。

图2是图1中LTCC陶瓷基体的截面示意图。

图3是图1中盖板和分流肋片的连接体的结构示意图。

图中：1、盖板，2、台阶盲腔，3、LTCC陶瓷基体，4、盲孔，5、分流肋片，6、连接通道。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

参照图1～图3，一种LTCC液冷散热导热增强结构，包括LTCC陶瓷基体。LTCC陶瓷基体3内设有敞口的台阶盲腔2，台阶盲腔的开口处设有台阶；所述盖板1包括支撑板和分流肋片5，分流肋片均匀排布在支撑板的底部；所述盖板位于台阶盲腔的台阶位置处，并将分流肋片覆盖于台阶盲腔的内部；LTCC陶瓷基体上还设置有至少两个盲孔，所述盲孔均位于LTCC陶瓷基体的顶部，每个盲孔4均通过不同的连接通道6接通台阶盲腔的底部。

盖板嵌入到LTCC陶瓷基体的台阶盲腔中，其中，所述盖板，其材料的热膨胀系数与LTCC陶瓷基体的热膨胀系数匹配。在此前提下，尽量选择导热性能良好的材料。

本实例例的LTCC陶瓷基体采用Dupont951瓷片制作，该瓷片每层的厚度为114μm。本实例中应用30层瓷片。

盖板材料选用AlN陶瓷材料，其导热率170W/m-K，热膨胀系数4.5x10^-6/℃。尺寸方面，选用厚度约为1mm、长宽尺寸与LTCC基体的台阶腔尺寸匹配：场合宽均保持-50微米的负公差。

一种LTCC液冷散热导热增强结构的制造方法，包括以下步骤：

(1)应用陶瓷工艺制造带有台阶盲腔、流道和盲孔的LTCC陶瓷基体；

(2)应用微细铣削等精细加工技术实现盖板加工；

(3)用厚膜工艺对台阶盲腔中的台阶板和步骤二中的盖板进行金属化；

(4)应用玻璃键合工艺实现陶瓷基体和盖板之间的合体；

其中，LTCC陶瓷基体和盖板的加工尺寸匹配关系：与盖板的台阶盲腔的最上层的尺寸相比，盖板三维尺寸均保持50μm-100μm的负公差。

其中，盖板和与盖板接触的LTCC陶瓷基体的每一面均实现其膜层具备可焊接特性的金属化。

其中，所述的盖板的金属化，其金属化膜层要具备可焊接特性，并且膜层能够耐受(500-650)℃，持续时间(10-30)min的热处理环境。

其中，所述的应用玻璃键合工艺实现LTCC陶瓷基体和盖板之间的合体，其合体工艺应用厚膜浆料和中温玻璃料两种材料，且两种材料的布局采用分开套环的方式。其中，厚膜浆料和中温玻璃料的选择依据工艺温度(650-700)℃，持续30min以上的工艺条件。

下面介绍将厚度1mm的AlN基板，制造成目标盖板的工艺方法：

步骤1，应用标准的LTCC基板制造流程制造LTCC陶瓷基体，在套接结构中设计制作接地孔结构。

步骤2，应用微细铣削工艺，在选定的AlN基板基板的一面制造出肋片组：肋片宽度为100μm，肋片间距为300μm。

为了对比不同肋片结构设计对传热能力的影响，另一组的肋片结构加工如下：肋片宽度为500μm，肋片间距为1000μm。

同时可以利用热仿真工具对不同肋片结构的性能进行设计仿真确认，以确定所设计的结构能够满足散热要求。

步骤3，应用厚膜工艺实现盖板2的金属化。考虑到后续功率芯片的装配，本实例盖板的金属化应用与所选Dupont材料相匹配的可焊接膜层材料6146Pd/Ag。应用标准的厚膜工艺，可以将Dupont 6146Pd/Ag材料膜层制作于盖板表面。由于该膜层制造的烧成工艺需要850℃的工艺温度。因此，烧成后，该膜层可以承受(500-650)℃，持续时间(10-30)min的热处理条件。

步骤4，应用点胶设备在LTCC陶瓷基体的台阶位置进行键合材料的涂覆。本实例中应用两种键合材料，一种是起到电互连作用的金属浆料Dupont 6146Pd/Ag，另一种是起到机械互连作用的中温玻璃料ESL4026。两种材料的点胶涂覆方式应用环形隔开的方式。

点胶后，在120℃的热台上对上述两种胶体材料进行干燥和烘干处理。之后执行盒体操作处理：将处理好的盖板放入尺寸匹配的对应的LTCC陶瓷基体的台阶腔位置。然后在盖板上放置500g重量的压块后，整体放入到烧结炉中，设置烧结炉温度曲线，确保在650℃至少持续30分钟以上。

结合本实例，需要说明以下几点：

1)如果盖板材料选用满足条件的金属材料，则在实施中不需要对盖板的厚膜金属化操作。合体过程中，也就不需要电互连作用的金属浆料，而是仅仅需要中温的键合材料实现盖板与LTCC陶瓷基体之间的互连和一体化集成。

2)作为流道散热结构，液冷散热工质的输入和输出结构也是很重要的一个方面。在本专利中，并没有将液冷工质输入和输出结构作为重点。在具体实施中，可以将输入输出口设计于LTCC陶瓷基体内，也可以结合应用，将输入和输出口设置于盖板。

Claims (4)

1.一种LTCC液冷散热导热增强结构，包括LTCC陶瓷基体和盖板，其特征在于，所述LTCC陶瓷基体(3)内设有敞口的台阶盲腔(2)，台阶盲腔的敞口处设有台阶；所述盖板包括支撑板和分流肋片，分流肋片(5)均匀排布在支撑板的底部；所述盖板(1)位于台阶盲腔的台阶上，并将分流肋片覆盖于台阶盲腔的内部；LTCC陶瓷基体上还设置有至少两个盲孔(4)，所述盲孔均位于LTCC陶瓷基体的顶部，每个盲孔均通过不同的连接通道(6)接通台阶盲腔的底部。

2.根据权利要求1所述的LTCC液冷散热导热增强结构，其特征在于，所述盲孔中至少有2个分别位于台阶盲腔的两侧。

3.根据权利要求1所述的LTCC液冷散热导热增强结构，其特征在于，所述盖板的顶面和LTCC陶瓷基体的顶面位于同一高度。

4.根据权利要求1所述的LTCC液冷散热导热增强结构，其特征在于，所述盖板的热膨胀系数与LTCC陶瓷基体的热膨胀系数匹配。

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