一種熱沉的制作方法
【專利摘要】一種熱沉的制作方法，其主旨在既能克服傳統(tǒng)熱沉制造中由于多層焊接引起的熱阻增大問(wèn)題，又能解決熱沉制作工序多、壽命短的問(wèn)題。先對(duì)熱沉的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模；再將三維模型導(dǎo)入工作臺(tái)計(jì)算機(jī)，根據(jù)三維圖形結(jié)構(gòu)設(shè)置打印角度與位置；用高能激光束按照掃描路徑將工作平臺(tái)基板上預(yù)先鋪設(shè)好的粉層燒結(jié)成該層相應(yīng)的二維形狀；在已經(jīng)燒結(jié)一層圖形的工作臺(tái)上再鋪設(shè)相同厚度的粉末，激光按照該層掃描路徑掃描直至整個(gè)三維圖形完成。本發(fā)明提供的熱沉結(jié)構(gòu)具有壓力分布均勻提高熱沉壽命的優(yōu)點(diǎn)等。
【專利說(shuō)明】一種熱沉的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器及其列陣器件、大規(guī)模集成電路等散熱冷卻期間的一種微通道冷卻熱沉的制作方式及其結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體電子封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微通道冷卻熱沉是一種模塊式微通道致冷器(ModularMicrochannel CooledHeatsinks,簡(jiǎn)稱MCC)。列陣的發(fā)展與這一有效的低熱阻熱沉的出現(xiàn)有密切的關(guān)系，特別是高占空比甚至CW運(yùn)行的全填充激光二極管列陣。MCC是在硅中借助各向異性化學(xué)腐蝕制得的，可以像積木一樣按二極管列陣的設(shè)計(jì)需要搭接大的二維結(jié)構(gòu)。MCC的低熱阻是依賴液體致冷劑和它通過(guò)MCC的層流(Laminar Flow),其良好的熱控制性能十分適合平均功率大的泵浦固體激光器的二極管列陣，因?yàn)槲詹ㄩL(zhǎng)狹窄的線寬(<3nm)要求對(duì)列陣進(jìn)行嚴(yán)格的溫度調(diào)制。
[0003]二十世紀(jì)八十年代，美國(guó)學(xué)者Tuckerman和Pease首先提出了平行微通道熱沉(MicroChannel Heatsink ,MCHS),從理論上證明出了水冷卻微通道可達(dá)1000 W/ cm2的散熱能力。其加工方法是:在集成電路硅襯底的背面采取化學(xué)方法腐蝕出若干矩形溝槽，使用蓋板耦合而構(gòu)成封閉式的冷卻劑通道，與外界密封連接從而形成為冷卻劑回路。由器件產(chǎn)生的熱通過(guò)聯(lián)結(jié)層傳導(dǎo)到熱沉，而被微通道中的流動(dòng)冷卻劑帶走以致達(dá)到對(duì)于集成電路芯片良好散熱的目的。
[0004]該概念的提出為進(jìn)一步降低熱沉熱阻奠定了理論基礎(chǔ)，它的優(yōu)點(diǎn)在于擴(kuò)大固液之間的接觸面積的同時(shí)，利用非常小的水流溝道寬度最大限度的減小了熱邊界層的厚度，因此大大提高了熱傳導(dǎo)效率，有源熱沉設(shè)計(jì)的基本原理就是要盡可能的使熱沉的熱導(dǎo)率高，以便達(dá)到最好的散熱效果，同時(shí)兼顧制造的可行性及制作成本等問(wèn)題。
[0005]作為高能固態(tài)半導(dǎo)體器件的核心部件，半導(dǎo)體芯片內(nèi)部有源區(qū)的熱管理水平直接影響器件的性能和壽命，所以微通道熱沉散熱技術(shù)是支撐高能固態(tài)半導(dǎo)體器件高性能工作的關(guān)鍵。根據(jù)散熱需求不同，微通道熱沉包含多個(gè)尺寸為數(shù)十至數(shù)百微米的微細(xì)水流通道，通過(guò)擴(kuò)大固液接觸面積和壓縮冷卻液熱邊界層厚度獲得高熱傳導(dǎo)效率。傳統(tǒng)微通道熱沉多用銅或鋁作為基底材料，通過(guò)機(jī)械加工、等離子刻蝕、化學(xué)腐蝕等方法制備出多層內(nèi)部鏤空?qǐng)D形各異的矩形薄片，而后將其焊接起來(lái)制成微通道熱沉。由于制備工藝水平的限制，這種傳統(tǒng)的微通道熱沉在散熱能力、使用壽命與體積重量等方面存在一定的局限性，已經(jīng)越來(lái)越難滿足高能固態(tài)半導(dǎo)體器件對(duì)高功率、長(zhǎng)壽命、體積小的要求。
[0006]在傳統(tǒng)的制造方法中，單片式微通道熱沉由五層形態(tài)各異的薄片組合而成，激光bar位于上蓋層的前端，冷卻液從入水口進(jìn)入微通道層的微通道區(qū)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)水層的狹縫再次進(jìn)入微通道區(qū)，再由出水口進(jìn)入下蓋層，對(duì)bar條完成一次循環(huán)制冷。
[0007]制備微通道熱沉的關(guān)鍵是微通道結(jié)構(gòu)的制備，因?yàn)槲⑼ǖ赖膶挾群腿~片的寬度約為幾百甚至幾十個(gè)微米，屬于微細(xì)加工【技術(shù)領(lǐng)域】。目前制備微通道熱沉的技術(shù)有好多種，包括化學(xué)腐蝕，激光切割，數(shù)控電火花加工(微機(jī)械加工)，反應(yīng)離子刻蝕，電化學(xué)加工，化學(xué)輔助離子切割，熱模壓加工等，對(duì)于不同材料不同規(guī)模的微通道熱沉的制備可以采用不同的技術(shù)。
[0008]現(xiàn)在最常用的就是深層光刻分離曝光化學(xué)腐蝕技術(shù)制備微通道熱沉。主要原理就是將光刻膠均勻的旋轉(zhuǎn)涂覆在加工材料表面上，在一定溫度下前烘，去除溶劑，而后將樣品進(jìn)行第一次完全曝光，完全曝光后的樣品再次用光刻膠溶液旋轉(zhuǎn)涂覆烘干，選用所需圖形的掩膜版進(jìn)行掩膜光刻，曝光結(jié)束后馬上采用一定濃度的稀堿液顯影，而后堅(jiān)膜固化，最后腐蝕，控制時(shí)間得到通道，然后將用化學(xué)腐蝕加工得到的無(wú)氧銅冷卻液密封層，微通道層，冷卻液導(dǎo)引層進(jìn)行表面處理后按設(shè)計(jì)順序疊放在一起通過(guò)擴(kuò)散焊連接在一起，最后進(jìn)行表面拋光和鍍金等表面處理。首先在腐蝕過(guò)程中，時(shí)間決定了通道的深度，時(shí)間的控制決定了通道的尺寸質(zhì)量，控制不好就容易引起側(cè)向腐蝕，側(cè)腐蝕效應(yīng)導(dǎo)致微通道深寬比較低；同時(shí)很難獲得平整的通道壁。制備過(guò)程的“失真”使得微通道熱沉的實(shí)際散熱性能低于理論設(shè)計(jì)的性能。在各層焊接過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接界面，從而引入大量的界面熱阻，導(dǎo)致了微通道熱沉散熱效率的下降。這是制造過(guò)程中存在的弊端。
[0009]在傳統(tǒng)的微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，更多的是采用平行通道，原因是采用腐蝕這種制作通道通過(guò)控制時(shí)間在單個(gè)面上大部分情況下只能得到平行通道，另外根據(jù)Riddle人們的研究:在一定的流量下，矩形通道中的流體總熱傳導(dǎo)系數(shù)和通道水力的直徑成反比。所以，通道直徑的不斷減小，換熱系數(shù)會(huì)隨著增加。由于系統(tǒng)散熱面積和體積比的顯著的增加，在減小體積時(shí)散熱量而得到了極大提高。若依據(jù)兩相流的散熱機(jī)理做些相應(yīng)的改進(jìn)，將還能提高系統(tǒng)的散熱能力。一般對(duì)于微通道而言，流體特性可由水力直徑與深度的比等幾何特征來(lái)決定，而傳熱特性則會(huì)受到幾何條件、溫度差與流量所控制。因流體的熱傳導(dǎo)的系數(shù)遠(yuǎn)低于固體，因此系統(tǒng)的熱阻主要存于流體。雖然縮小了微通道尺寸可以增加散熱能力，但是同時(shí)會(huì)引起壓差的升高，會(huì)增加微通道壓力負(fù)載和泵的功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述熱沉制作方式的缺陷，提出了本發(fā)明----一種熱沉的制作方法，區(qū)別于現(xiàn)有制備技術(shù)成型原理，在結(jié)構(gòu)上能夠制作更為復(fù)雜的內(nèi)微通道，本發(fā)明通過(guò)增材制作技術(shù)避免了傳統(tǒng)多層焊接導(dǎo)致的熱阻及難以加工或者加工結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
本發(fā)明提了一種熱沉的制作方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟1:使用三維作圖軟件設(shè)計(jì)熱沉的整體三維形貌；
步驟2:將3D打印金屬粉末材料填充到增材制造設(shè)備鋪粉缸中；
步驟3:將熱沉三維圖形進(jìn)行切片分層處理，得到的一系列二維層片數(shù)據(jù)，根據(jù)二維層片數(shù)據(jù)設(shè)定熱沉模型的打印位置與角度，并規(guī)劃激光的掃描路徑；
步驟4、向工作倉(cāng)內(nèi)通入保護(hù)氣氛,使工作倉(cāng)內(nèi)的氧氣濃度低于20000ppm ；
步驟5、通過(guò)加熱系統(tǒng)對(duì)成型缸上表面金屬粉末預(yù)熱至80度，向工作倉(cāng)內(nèi)的基板上表面鋪設(shè)金屬粉末；
步驟6:采用高能激光束按照生成的掃描路徑掃描鋪設(shè)好的金屬粉末，受所述高能激光束掃描后的金屬粉末材料熔化后固結(jié)于工作倉(cāng)內(nèi)的基板上； 步驟7:在已經(jīng)燒結(jié)了一層圖形的基板上表面鋪設(shè)下一層金屬粉末；
步驟8:依次重復(fù)步驟6至步驟7，直至熱沉三維模型整體燒結(jié)完成。
[0011]步驟3中建立激光的掃描路徑具體為如下步驟:使用軟件RP-Tools對(duì)熱沉三維圖形進(jìn)行切片分層處理:將該熱沉三維圖形沿Z軸方向切割成層厚為20um的一系列二維圖形片層；將得到的一系列二維層片數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)備軟件EOS PSW3.5，該軟件根據(jù)圖像自動(dòng)計(jì)算出每層二維圖形激光掃描路徑及使用參數(shù)；由于熱沉結(jié)構(gòu)中存在平行于xy平面的孔，生長(zhǎng)到孔閉合時(shí)容易與刮刀相撞產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，在設(shè)備軟件EOS PSff 3.5中設(shè)定熱沉合適的擺放角度，該角度為在XY平面內(nèi)與Y軸的夾角范圍為0-45。
[0012]上述技術(shù)方案中，步驟5中所述工作倉(cāng)內(nèi)基板為與熱沉的材料相同的水平基板。
[0013]上述技術(shù)方案中，步驟5和步驟7中所述金屬粉末厚度為0.0lmm-0.1mm。
[0014]上述技術(shù)方案中，金屬粉末為鉻或鎳材料。
[0015]因?yàn)楸景l(fā)明采用以上技術(shù)方案，因此本發(fā)明具備以下有益效果:
A、采用增材制造技術(shù)(3D打印)實(shí)現(xiàn)熱沉的整體化制備，避免了傳統(tǒng)方式因多層焊接而引入焊接界面熱阻，從而提升熱沉散熱性；
B、3D激光打印制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了熱沉實(shí)體無(wú)失真化制備，從而可獲得結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化的微通道熱沉；
C、3D打印制備技術(shù)在材料選擇性上優(yōu)于傳統(tǒng)加工方式的材料:可采用與半導(dǎo)體芯片襯底熱膨脹系數(shù)相匹配的材料，配置出能直接與不同合金焊料搭配使用的微通道熱沉；可采用傳統(tǒng)加工方式難以加工耐腐蝕性材料制備熱沉，從而延遲使用壽命；
D、另外，本發(fā)明提供的技術(shù)方案有效縮短結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)品制造的時(shí)間，能制造出模擬優(yōu)化的一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)從而進(jìn)一步提高熱沉的散熱性能。提高研發(fā)和生產(chǎn)效率，拓寬材料加工范圍，提升熱沉散熱性能，對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器向更高功率發(fā)展奠定基礎(chǔ)，對(duì)激光器穩(wěn)定性提聞和效率提聞具有重要意義。
[0016]在此制造工藝優(yōu)勢(shì)下，根據(jù)研究結(jié)果可以再結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做一些優(yōu)化的改變，力口入可變截面通道結(jié)構(gòu)，增加通道之間脊的數(shù)量等，通過(guò)這樣的變化可以進(jìn)一步增加微通道熱沉的換熱效率，降低熱阻，減小壓降等。
[0017]熱沉結(jié)構(gòu)采用下層進(jìn)水道，上層出水道結(jié)構(gòu)方式分布，水流方向是沿所貼的半導(dǎo)體芯片熱場(chǎng)梯度的反方向，相較于背景結(jié)構(gòu)中流向與梯度同向方式，此方式采用逆流替代之前的并流，增加熱交換時(shí)間，增加壁面與流體之間的平均溫度差，加大熱量傳遞，強(qiáng)化傳熱，提高熱交換效率。水道采用變截面結(jié)構(gòu)，在熱沉厚度方向上入水通道入水口高度到反水孔處通道高度沿直線呈減小趨勢(shì)，相對(duì)于背景結(jié)構(gòu)中增大的方式，截面的減小水力半徑減小，水流的速度增加，反水孔處的流速增加，水流中湍流層的比例增加，傳熱效率增加。出水通道反水孔通道高度到出水口處通道高度呈直線減小，沿芯片溫度梯度反向減小，增加流體的量滿足熱交換量，有利于優(yōu)化獲得高性能微通道，一定程度節(jié)省熱沉空間這種結(jié)構(gòu)，以及使用適用于增材制造技術(shù)的耐腐性能以及和易加工都優(yōu)于無(wú)氧銅的材料是創(chuàng)新技術(shù)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是熱沉制備流程圖；
圖2是增材制造設(shè)備簡(jiǎn)易圖； 圖3是窄通道熱沉進(jìn)水層與分水層流道截面；
圖4是窄通道熱沉出水層與分水層截面圖；
圖5是內(nèi)微通道冷卻熱沉側(cè)截面進(jìn)水層圖；
圖6是內(nèi)微通道冷卻熱沉側(cè)截面出水層圖；
A-工作倉(cāng)、B-成型缸、C-基板、D-鋪粉缸、E-激光束發(fā)射器、F-鋪粉輥、1-進(jìn)水孔、2-出水孔、3-進(jìn)水通道孔、4-進(jìn)水通道、4-1為進(jìn)水分流通道、5-通道壁、6-反水孔、7-定位孔、8-出水通道孔、9-出水通道、9-1出水分流通道、10-匯流通道、h1-進(jìn)水通道孔高度、h2-進(jìn)水通道中反水孔高度、h3-出水窄通道反水孔高度、h4-出水窄通道與出水寬通道相接處高度。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】及熱沉結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明:
實(shí)施例一:
一種熱沉的3D打印制造方法，其增材制造設(shè)備采用E0SM270，配套軟件為PSW3.5，客戶需求制備窄通道熱沉，材料采用鉻。
[0020]步驟1.使用proE、solidworks、UG、CATIA等三維作圖軟件設(shè)計(jì)熱沉的整體三維形貌，包括熱沉內(nèi)部的微通道結(jié)構(gòu)與外部定位孔等，內(nèi)部通道成型后不能去除支撐，所以設(shè)計(jì)合適的形狀與尺寸避免增加內(nèi)部難以去除的支撐；
步驟2.將鉻粉填充到增材制造設(shè)備鋪粉缸；
步驟3.使用軟件RP-Tools對(duì)熱沉三維圖形進(jìn)行切片分層處理:將該熱沉三維圖形沿z軸方向切割成層厚為20um的一系列二維圖形片層；將得到的一系列二維層片數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件EOS PSW3.5，該軟件根據(jù)圖像自動(dòng)計(jì)算出每層二維圖形激光掃描路徑及使用參數(shù)；由于熱沉結(jié)構(gòu)中存在平行于xy平面的孔，生長(zhǎng)到孔閉合時(shí)容易與刮刀相撞產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，因此在PSW中設(shè)定熱沉合適的擺放角度，該角度范圍在0-45度；
步驟4.通過(guò)氣氛保護(hù)系統(tǒng)向工作倉(cāng)內(nèi)通入保護(hù)氣氛，使工作倉(cāng)內(nèi)的氧氣濃度低于20000ppm ；
步驟5.通過(guò)加熱系統(tǒng)對(duì)成型缸上表面金屬粉末預(yù)熱至80度，通過(guò)鋪粉系統(tǒng)向工作倉(cāng)內(nèi)基板上表面鋪設(shè)第一層鉻粉；
步驟6.高能激光束按照生成的掃描路線掃描鋪設(shè)好的粉末，受所述高能激光束掃描后的鉻粉熔化后固結(jié)于所述的基板上；
步驟7.工作平臺(tái)下降一層粉末厚度，鋪粉缸上升一層粉末厚度，鋪粉輥在已經(jīng)燒結(jié)了一層圖形的基板上表面鋪設(shè)下一層鉻粉；
步驟8.依次重復(fù)步驟6-7，直至熱沉整體成形；
步驟9.再將燒結(jié)于基板上的熱沉連同基板一起從加工平臺(tái)上移開(kāi)，清理熱沉表面與內(nèi)部浮粉，采用線切割方式將熱沉從基板上表面分離。
[0021]實(shí)施例二:
本實(shí)例結(jié)構(gòu)的制造方法為增材制造技術(shù)一體成型的窄通道熱沉，冷卻水從進(jìn)水孔I通過(guò)進(jìn)水通道孔3依次進(jìn)入通道壁5之間的進(jìn)水通道4，進(jìn)水通道，然后進(jìn)入熱沉芯片貼合前端通過(guò)反水孔6進(jìn)入出水通道9中，經(jīng)過(guò)匯總最后進(jìn)入兩個(gè)出水寬通道中，經(jīng)出水通道孔8進(jìn)入出水孔2，由此完成一次循環(huán)制冷。進(jìn)出水窄通道的增加和通道壁盡可能長(zhǎng)的原因是盡量增大換熱面積，減小液體運(yùn)動(dòng)速度，提高換熱效率。出水通道9的反水孔6處的通道高度h3要大于出水寬通道10處的通道寬度h4。利用通道面的變化來(lái)控制流體的某些特性，液體流量公式是:Q=P S V，其中Q為流量，P為流體的密度，S為通道水力半徑，V是流體的速度。在一定流量的條件下，通道水力半徑及通道截面尺寸S減小，則流體的速度V會(huì)增力口，高度減小一倍左右使截面面積減小一倍，則流體流速增加一倍。進(jìn)水通道4的進(jìn)水孔3高度hi要大于反水孔6處通道高度h2，高度減小一倍左右使截面面積減小一倍，則流速增加一倍。通道壁5的高度不變，始終起支撐作用。
[0022]雖然這里結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很多其它的變化、改進(jìn)以及應(yīng)用將是很明顯的。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)受此處特定公開(kāi)的限制，而應(yīng)由附加的權(quán)利要求來(lái)限定。
【權(quán)利要求】
1.一種熱沉的制作方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1:使用三維作圖軟件設(shè)計(jì)熱沉的整體三維形貌； 步驟2:將3D打印金屬粉末材料填充到增材制造設(shè)備鋪粉缸中； 步驟3:將熱沉三維圖形進(jìn)行切片分層處理，得到的一系列二維層片數(shù)據(jù)，根據(jù)二維層片數(shù)據(jù)設(shè)定熱沉模型的打印位置與角度，并規(guī)劃激光的掃描路徑； 步驟4:向工作倉(cāng)內(nèi)通入保護(hù)氣氛,使工作倉(cāng)內(nèi)的氧氣濃度低于20000ppm ； 步驟5:通過(guò)加熱系統(tǒng)對(duì)成型缸上表面金屬粉末預(yù)熱至80度，向工作倉(cāng)內(nèi)的基板上表面鋪設(shè)金屬粉末； 步驟6:采用高能激光束按照生成的掃描路徑掃描鋪設(shè)好的金屬粉末，受所述高能激光束掃描后的金屬粉末材料熔化后固結(jié)于工作倉(cāng)內(nèi)的基板上； 步驟7:在已經(jīng)燒結(jié)了一層圖形的基板上表面鋪設(shè)下一層金屬粉末； 步驟8:依次重復(fù)步驟6至步驟7，直至熱沉三維模型整體燒結(jié)完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱沉的制作方法，其特征在于，步驟3中建立激光的掃描路徑具體為如下步驟:使用軟件RP-Tools對(duì)熱沉三維圖形進(jìn)行切片分層處理:將該熱沉三維圖形沿Z軸方向切割成層厚為20um的一系列二維圖形片層；將得到的一系列二維層片數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)備軟件，該軟件根據(jù)圖像自動(dòng)計(jì)算出每層二維圖形激光掃描路徑及使用參數(shù)；由于熱沉結(jié)構(gòu)中存在平行于xy平面的孔，生長(zhǎng)到孔閉合時(shí)容易與刮刀相撞產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，在設(shè)備軟件中設(shè)定熱沉合適的擺放角度，該角度為在xy平面內(nèi)與I軸的夾角，其范圍為0-45度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱沉的制作方法，其特征在于，步驟5中所述工作倉(cāng)內(nèi)基板為與熱沉的材料相同的水平基板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述一種熱沉的制作方法，其特征在于，步驟5和步驟7中所述金屬粉末厚度為0.0lmm-0.1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種熱沉的制作方法,其特征在于,金屬粉末為鎳材料,粉末為球形粉末，其含氧量在200ppm-500ppm,顆粒大小在20-80微米之間。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK104028758SQ201410316032
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】王智勇, 閆岸茹, 李從洋, 張冬云 申請(qǐng)人:成都三鼎日新激光科技有限公司