微热管精密灌注及封装工艺研究

摘要

近年来，高性能半导体和微电子器件的各项性能不断提升，而器件的外形尺寸逐渐变小，带来了总功率密度和热流密度过大的问题。高温会对电子元件的各项性能产生不良影响，因此，对电子元件需进行严格的热管理，散热问题不可忽视的问题。 作为一种尺寸小、效率高的优良传热器件，微热管被广泛应用于微电子产业的散热中。在微热管技术的发展中，灌注和封装始终是一大难点，存在着工质灌注量不精准、外形浪费空间、灌注工质种类局限等问题。本文使用Pyrex7740玻璃和单晶硅片制作平板微热管，着重研究和探索平板微热管灌注与封装方法。 提出了一种预先精准控制灌注量的冷冻灌注方法。基于水具有随压强降低熔点升高的特殊性质，以液态的形式灌注精确质量的工质，冷冻后抽不凝性气体，完成灌封。通过实验发现，用该方法灌注的微热管在结构上应将PP管一侧作为冷凝段，在陶瓷片加热功率为6W时，冷冻灌注微热管蒸发段平衡温度为75℃，比传统灌封的微热管低9℃。 提出了一种借助了PDMS硅橡胶来密封小孔的灌注方法。同时利用此方法分别灌注了去离子水和乙醇溶液并对灌注了二种不同工质的平板热管进行了传热测试。实验表明，利用PDMS灌封的微热管传热效果优于传统灌注的微热管，在6W时其平衡温度低6℃，灌注乙醇溶液的微热管在低功率下降温效果好，在高功率下传热性能变差。 制作了带有合金通道结构的微热管，通过填充低熔点合金密封材料的方式对微热管的灌注孔进行密封，该方法实现了微热管外形平面化，除了去离子水还可灌注有机溶剂。设计圆弧形、立体落差式结构的合金通道，减小合金与侧壁的间隙，避免热冲击下平面结构密封时失效。最后，对密封后的微热管进行了观察分析和评估。 综上所述，本文提出了冷冻灌注、利用PDMS密封、利用低熔点合金封装三种平板微热管的灌封方法。其中，冷冻灌注法适用于灌注工质为去离子水的平板微热管，其操作简单、灌注过程稳定；利用PDMS密封平板微热管的方法可用于灌注去离子水、有机溶剂，热管表面只需覆盖透明PDMS层，节省空间；利用低熔点合金封装可灌注去离子水和有机溶剂，该方法灌注的微热管表面无凸起，实现了平面化。本文制作了相应结构的微热管并评估了三种灌封方法，三种方法操作条件不同，选用的工质不同，灌封后微热管外形不同，分别解决了现有灌封方法存在的诸多问题。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.2.1 热管技术及结构优化

1.2.2 MEMS真空封装和微热管的灌封技术

1.3 本文主要研究内容

2 冷冻灌封平板微热管研究

2.1 平板微热管的制作

2.1.1 硅基板的加工工艺

2.1.2 盖板加工工艺

2.1.3 基板与盖板的键合工艺

2.2 冷冻灌注法的原理

2.2.1 冷冻灌注微热管结构及冷冻效果检验

2.2.2 微热管冷冻灌注步骤

2.3 冷冻灌注微热管传热性能测试及结果分析

2.4 本章小结

3 利用PDMS的平板微热管灌封

3.1 硅橡胶的特点、选取及测试

3.2 利用PDMS的微热管灌封步骤

3.2.1 PDMS的制备

3.2.2 PDMS与玻璃的表面改性及键合

3.2.2 工质的灌注

3.3 利用PDMS灌封微热管传热性能测试及结果分析

3.4 灌注不同工质微热管的传热性能测试

3.5 本章小结

4 低熔点合金灌封方法研究

4.1 低熔点合金灌封方法原理

4.2 低熔点合金灌封微热管的结构与掩膜设计

4.2.1 弧形低熔点合金密封沟道的引入

4.2.2 立体式落差结构合金密封沟道设计

4.3 低熔点合金灌封微热管方法

4.4 低熔点合金封装现象及分析讨论

4.5 本章小结

结论与展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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