金属微通道热沉制作工艺研究

摘要

电子设备及器件不断朝着小型化、高集成化方向发展，导致其热流密度急剧上升。因此高效散热成为近年来的研究热点。金属微通道热沉凭借优异的散热性能受到越来越多关注。本文基于SU-8胶紫外光刻和微电铸工艺，在铜底板上制作了设计宽度为100μm、高度大于500μm的微通道结构，并将其与盖板封装实现整体微通道热沉的成形。针对金属微通道结构制作及热沉封装中的工艺问题进行了研究，主要研究内容包括以下方面： 针对大厚度SU-8胶在制作过程中存在的胶厚不均匀问题开展研究。分析了胶厚不均匀问题产生的原因。依据菲涅尔衍射理论，仿真研究了不均匀胶厚在曝光时产生的空气间隙对胶膜尺寸精度的影响。仿真结果表明当空气间隙达到210μm时，胶膜线宽与掩膜线宽的尺寸偏差为10.8μm。为减小曝光时的空气间隙、提高胶膜的尺寸精度，通过实验探究了四种匀胶方法——单次旋涂法、EBR辅助匀胶法、多次旋涂法以及辅助边框法的胶厚不均匀度。实验结果表明，辅助边框法对胶厚均匀性的改善效果最好。采用辅助边框法制作厚度为560μm的SU-8胶，其胶厚不均匀度为4.0%。 针对大厚度、高深宽比SU-8胶结构侧壁垂直度问题开展研究。首先利用COMSOL软件对顶部宽度相同、底部宽度不同的微通道的散热性能进行仿真分析。仿真结果表明，微通道侧壁垂直度对热沉的散热性能有一定的影响。大厚度、高深宽比SU-8胶光刻后往往会产生“根切”现象，导致底部胶膜宽度偏小、结构侧壁垂直度偏低。为提高微通道侧壁垂直度，设计了光刻实验，分析曝光剂量对胶膜侧壁垂直度的影响，选择合适曝光工艺参数。实验结果表明，胶厚为560μm的SU-8胶的合适曝光剂量约为1518mJ/cm2。优选光刻实验中两组参数制作了两个金属微通道结构，并对其通道侧壁垂直度进行了测量比较。测量结果表明，使用合适曝光剂量制作出的微通道的侧壁垂直度提高了1.6°。 针对金属微通道热沉封装过程中存在的微通道底板与盖板间隙过大的问题，提出了一种基于过渡层补偿的封装方法。为了满足封装气密性及结合强度的要求，制作了标准试样，进行了剪切实验，对比了银浆、环氧树脂和金属锡浆三种过渡层材料的剪切强度。结果表明金属锡浆的剪切强度最大，并进一步探究了封装面的表面粗糙度对结合强度的影响。 基于上述研究成果，完成了金属微通道底板的制作及微通道热沉封装。制作完成的微通道结构经第三方测量，满足设计要求。封装后的微通道热沉经2.0MPa水压气密性检测无泄漏，X-射线检测无阻塞，满足设计要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 金属微通道制作工艺的研究现状

1.3 大厚度SU-8胶膜制作的研究现状

1.3.1 SU-8厚胶均匀性

1.3.2 SU-8胶紫外光刻

1.4 金属微通道热沉封装工艺的研究现状

1.5 本文的研究内容

2 金属微通道热沉制作工艺方案的确定

2.1 微通道热沉的散热理论

2.1.1 传热理论

2.1.2 散热微通道的提出

2.1.3 微通道热沉结构功能和散热原理

2.2 金属微通道热沉的设计要求

2.3 金属微通道底板制作方案的确定

2.3.1 工艺技术选择

2.3.2 工艺路线确定

2.4 金属微通道热沉制作工艺难点分析

2.5 本章小结

3 大厚度SU-8胶膜均匀性的工艺研究

3.1 SU-8光刻胶

3.1.1 SU-8光刻胶材料特性

3.1.2 胶厚不均匀问题产生的原因

3.2 胶厚不均匀对胶膜尺寸精度的影响

3.3 大厚度SU-8胶匀胶实验

3.3.1 单次旋涂法

3.3.2 EBR辅助匀胶法

3.3.3 多次旋涂法

3.3.4 辅助边框法

3.4 本章小结

4 大厚度SU-8胶膜光刻工艺研究

4.1 微通道侧壁垂直度对热沉散热性能影响的仿真

4.1.1 微通道换热系数

4.1.2 建立仿真模型

4.1.3 仿真结果分析

4.2 曝光剂量对大厚度胶膜侧壁垂直度的影响

4.3 大厚度SU-8胶膜光刻实验

4.3.1 实验方案

4.3.2 实验结果

4.3.3 实验验证

4.4 本章小结

5 金属微通道热沉的制作

5.1 金属微通道底板的制作流程

5.1.1 掩膜版设计

5.1.2 基板预处理及添加辅助边框

5.1.3 胶膜制作

5.1.4 电铸前基底表面处理

5.1.5 微电铸铜

5.1.6 后处理

5.2 金属微通道结构尺寸测量

5.3 金属微通道热沉封装工艺研究

5.3.1 微通道热沉封装难点

5.3.2 基于过渡层补偿的微通道热沉封装工艺

5.3.3 封装测试

5.4 本章小结

结论

参 考 文 献

附录A 金属微通道结构检测报告

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书