專利名稱：一種低溫共燒陶瓷基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及LTCC(低溫共燒陶瓷)基板內(nèi)嵌微流管道接口方法。
背景技術(shù)：
MEMS (Micro-electro-mechanical System)通常稱為微機(jī)電系統(tǒng)，是集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理電路、控制電路、各種接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。電子機(jī)械系統(tǒng)的一體化集成，可從根本上解決信息系統(tǒng)的微型化問題，實現(xiàn)許多以前無法實現(xiàn)的功能，將推進(jìn)信息獲取、信息處理、信息操作等的協(xié)調(diào)發(fā)展。MEMS封裝為MEMS器件集成提供一個互連和支撐的平臺和工作環(huán)境，是MEMS產(chǎn)品功能實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 MEMS產(chǎn)品的應(yīng)用范圍廣泛，涉及各個領(lǐng)域，其中有一類涉微流體的MEMS產(chǎn)品，如化學(xué)MEMS、生物MEMS、醫(yī)學(xué)MEMS等，這類MEMS器件中有各種微流試劑作為檢測和分析的對象(如化學(xué)溶液或血液樣品等)或工作物質(zhì)(如燃料或油墨等)。還有就是微電子芯片和器件，如三維疊層芯片、大功率電子器件等，由于集成密度不斷提高和功率不斷增加，熱流密度亦不斷增加。特別是高密度封裝體的中心部位，由于離邊界遠(yuǎn)，熱阻較高，容易形成高溫?zé)狳c，導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效甚至損壞。利用傳統(tǒng)的散熱方式如散熱片和風(fēng)冷等對高密度大功率微系統(tǒng)封裝體的散熱效果并不理想，需要用到液冷的散熱方式。微管道液冷散熱是目前高密度大功率的高端微系統(tǒng)比較普遍采用的散熱解決方案。LTCC(低溫共燒陶瓷)基板由多層生瓷片堆疊共燒而成。由于共燒溫度低(900°C左右)，可以與低電阻率導(dǎo)體布線材料(如Au、Ag、Cu等)共燒，實現(xiàn)精細(xì)化布線和多層立體互連。LTCC基板具有聞頻聞Q特性，適用于聞頻電路和微波電路；基板可內(nèi)嵌電阻、電容、電感等無源元件，提高集成密度；LTCC基板還具有良好的溫度特性，導(dǎo)熱良好；并具有良好的機(jī)械特性和化學(xué)特性，可耐高溫腐蝕等惡劣環(huán)境。另外很重要的一點是，LTCC基板是先在生瓷片上機(jī)械加工，后疊壓并燒結(jié)而成的，由于生瓷片質(zhì)地柔軟，方便機(jī)械切割和沖孔，所以可以在基板內(nèi)加工出微腔體和微管道，為MEMS封裝帶來便利。由于LTCC基板的上述優(yōu)良特性，其不僅在基板級系統(tǒng)的電路封裝方面有很大優(yōu)勢，而且在微流體封裝方面也有廣泛的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用LTCC技術(shù)制作內(nèi)嵌于基板的微流管道的方法和技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但針對基板與基板之間、基板與外部系統(tǒng)之間的微流管道接口的方法和技術(shù)還不夠完善和成熟，離標(biāo)準(zhǔn)化還有很大的差距。目前已有的文獻(xiàn)中針對LTCC基板微流管道與外部的接口方法，主要有以下兩種一種是使用環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇膠等粘合劑將金屬微管或有機(jī)塑料微管與LTCC基板粘接。這種方法雖然簡單，但是由于基板微流管道尺寸較小(O. Imm量級)，在粘接過程中難以定位和固定，而且微管道口容易堵塞，導(dǎo)致加工的操作難度大，甚至因微管道堵塞而使基板廢棄，不適合大規(guī)模加工生產(chǎn)。另一種方法是在LTCC基板上焊接金屬微管，首先在基板表面制作金屬焊盤，然后用焊料將金屬焊盤與金屬微管進(jìn)行焊接。這種方法同樣是定位難，操作不方便，而且由于金屬微管與基板的接觸面小，焊接處應(yīng)力大，機(jī)械可靠性差。上述兩種接口方法還有一個共同的問題是，接口的連接是固定的、永久的連接，不能方便地插拔和拆卸，不適用于需要頻繁更換微管的系統(tǒng)(如醫(yī)學(xué)檢測用一次性微管)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有LTCC基板內(nèi)嵌微流管道接口方法的缺陷，提出一種適用于LTCC基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法，以實現(xiàn)LTCC基板微流體系統(tǒng)與外部方便可靠連接。本發(fā)明的LTCC基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法，在LTCC基板表面制作金屬化環(huán)形焊盤環(huán)繞微流管道口，然后將內(nèi)壁具有密封螺紋的金屬套環(huán)焊接在金屬化環(huán)形焊盤上，同時選擇合適外徑的連接管，在其管頭外壁加工出與金屬套環(huán)內(nèi)壁密封螺紋相匹配的密封外螺紋，將該連接管與金屬套環(huán)通過密封螺紋旋擰連接，即可實現(xiàn)基板內(nèi)嵌微流管道與外部的方便可靠連接。上述接口方法中，金屬化環(huán)形焊盤的制作方法有如下兩種一種是共燒工藝，根據(jù)設(shè)計圖紙在生瓷片上印刷厚膜金屬漿料，然后與生瓷片一起共燒，在基板燒結(jié)的同時形成金屬化環(huán)形焊盤；另一種是后燒工藝，在燒結(jié)后的基板的微流管道口周圍印刷厚膜金屬漿料，然后再燒結(jié)成金屬化環(huán)形焊盤。其中，制作環(huán)形焊盤的漿料可以是金、銀、銅、鋅等金屬漿料或它們的混合漿料。制作環(huán)形焊盤的金屬漿料印刷方法可以是絲網(wǎng)印刷、掩模印刷或流延型印刷等方法。上述接口方法中，在金屬套環(huán)內(nèi)壁制作密封螺紋要根據(jù)需要達(dá)到液體密封或氣體密封的效果，制作金屬套環(huán)的金屬材料可以為銅、鋁、鋁合金、可伐合金等。上述接口方法中，將金屬套環(huán)焊接在LTCC基板的金屬化環(huán)形焊盤上可以采用焊料焊、熔焊或釬焊等焊接方法。 上述接口方法中，所述連接管可以是金屬管或有機(jī)塑料管等。本發(fā)明中內(nèi)嵌微流管道的LTCC基板接口方法的優(yōu)點在于A)由于金屬套環(huán)的尺寸相對連接管大些，與基板焊接方便，而且可以改善微流管道接口處的應(yīng)力承受能力，提高接口的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性；B)由于采用了密封螺紋，既可以實現(xiàn)連接的密封性，又可以使連接管的安裝、拆卸和更換簡單方便；C)該連接方法只需金屬套環(huán)的內(nèi)螺紋和連接管的外螺紋機(jī)械咬合即可，對連接管的材料屬性要求小，既可以是金屬材料，也可以是有機(jī)塑料或者其它材料。


圖I是本發(fā)明LTCC基板微流管道與外部連接微管連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例ILTCC基板液冷散熱系統(tǒng)剖面示意圖。圖3是本發(fā)明實施例2LTCC壓力傳感器剖面示意圖。其中I——LTCC基板 2——帶內(nèi)螺紋的金屬套環(huán) 3——帶外螺紋的連接微管4—微流管道 5—焊料6—發(fā)熱電子元器件
7——應(yīng)變電阻 8——微腔體
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的接口方法中，將LTCC基板微流管道與外部連接微管連接后的結(jié)構(gòu)如圖I所示，LTCC基板I內(nèi)嵌微流管道4，帶內(nèi)螺紋的金屬套環(huán)2焊接在微流管道口的金屬化環(huán)形焊盤上，該金屬套環(huán)2再與帶外螺紋的連接微管3旋擰在一起。下面結(jié)合附圖，通過不同的微流管道應(yīng)用實例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實施例I采用本發(fā)明中的接口方法實現(xiàn)LTCC基板微流管道液冷散熱系統(tǒng)的外部連接。參見圖2，LTCC基板I內(nèi)的微流管道4輸運(yùn)散熱劑對LTCC基板I表面貼裝的發(fā)熱電子元器件6進(jìn)行散熱致冷，微流管道4內(nèi)流動的散熱劑通過連接管3輸入和輸出。根據(jù)下述方法完成該結(jié)構(gòu)的制備I、采用疊層共燒的方法加工出內(nèi)嵌微流管道4的封裝基板1，包括下述步驟 I)整體設(shè)計LTCC基板I封裝系統(tǒng)，繪制出各層的設(shè)計圖紙，圖紙中包括各層布線、過孔、金屬化環(huán)形焊盤、微流管道、內(nèi)埋器件的位置布局等；2)根據(jù)圖紙加工各層LTCC生瓷片，其中，金屬布線、垂直過孔、金屬化環(huán)形焊盤等的制作采用印刷漿料方法，微流管道的制作采用機(jī)密機(jī)床微機(jī)械切割或激光切割的方法；3)采用等靜態(tài)疊壓的方法將各層加工好的生瓷片堆疊在一起，然后在燒結(jié)爐中共燒成一體化的基板，微流管道4內(nèi)嵌于基板體內(nèi)。在基板疊壓和燒結(jié)的過程中可填充石墨、石蠟、松香等犧牲層材料，以防止內(nèi)嵌微流管道在基板疊壓和燒結(jié)過程中變形或崩塌。2、制作帶密封內(nèi)螺紋的金屬套環(huán)2。3、將金屬套環(huán)2焊接在基板微流管道口的環(huán)形焊盤上，微流管道口的環(huán)形焊盤可以在按照步驟I的共燒工藝制作，也可以在步驟I之后，再印刷金屬漿料圖形，采用后燒工藝制作；焊接采用低溫焊料5焊接。4、表面貼裝電子元器件6。5、在連接微管3上加工出與金屬套環(huán)2匹配的外密封外螺紋。6、將連接微管3與金屬套環(huán)2旋擰連接，連接微管3又與輸運(yùn)散熱劑的微泵相連。通過散熱劑在基板微流管道4中流動循環(huán)，對表面貼裝的發(fā)熱電子元器件6起到散熱致冷的效果。實施例2采用本發(fā)明中的接口方法實現(xiàn)LTCC壓力傳感器與被測流體系統(tǒng)連接。參見圖3，LTCC基板I內(nèi)具有微腔體8，微腔體8內(nèi)的流體通過微流管道4和連接微管3與外界的被測流體系統(tǒng)連通，在微腔體8上的LTCC膜表面具有應(yīng)變電阻7，用以感知微腔體8內(nèi)的流體壓力。根據(jù)下述方法制備該結(jié)構(gòu)I、先采用疊層共燒的方法加工出內(nèi)嵌微流管道4的封裝基板1，包括下述步驟I)整體設(shè)計LTCC基板I封裝系統(tǒng)，繪制出各層的設(shè)計圖紙，圖紙中包括各層布線、過孔、金屬化環(huán)形焊盤、微流管道、微腔體、內(nèi)埋器件的位置布局等；2)根據(jù)圖紙加工各層LTCC生瓷片，其中，金屬布線、垂直過孔、焊盤等的制作采用印刷漿料方法，微流管道和微腔體的制作采用機(jī)密機(jī)床微機(jī)械切割或激光切割的方法；
3)采用等靜態(tài)疊壓的方法將各層加工好的生瓷片堆疊在一起，然后在燒結(jié)爐中共燒成一體化的基板，微流管道4和微腔體8內(nèi)嵌于基板體內(nèi)。在基板疊壓和燒結(jié)的過程中可填充石墨、石蠟、松香等犧牲層材料，以防止內(nèi)嵌微流管道和微腔體在基板疊壓和燒結(jié)過程中變形或崩塌。2、在基板I上制作應(yīng)變電阻7。采用絲網(wǎng)印刷的方法印刷應(yīng)變金屬漿料，在步驟I中共燒或步驟I之后采用后燒工藝制成。3、制作帶密封內(nèi)螺紋的金屬套環(huán)2。4、將金屬套環(huán)2焊接在基板微流管道口的金屬化環(huán)形焊盤上。微流管道口的金屬化環(huán)形焊盤可以在按照步驟I的共燒工藝制作，也可以在步驟I之后，再印刷金屬漿料圖形，采用后燒工藝制作；焊接采用低溫焊料5焊接。5、在連接微管3上加工出與金屬套環(huán)2匹配的外密封外螺紋。
6、將連接微管3與金屬套環(huán)2旋擰連接，連接微管3與被測流體系統(tǒng)連通，微腔體8中的流體(液體或氣體)壓力使腔體上表面LTCC膜層發(fā)生應(yīng)變，進(jìn)而改變應(yīng)變電阻7的阻值，使之成為一個壓力傳感器。另外，本發(fā)明的接口方法還可以用于LTCC基板與基板之間的互連，使多塊基于LTCC基板的流體封裝微系統(tǒng)連通,形成微流體系統(tǒng)PoP (Package on Package)結(jié)構(gòu)。這種接口方法基于微流體系統(tǒng)的傳感器和生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)MEMS中將有很大的應(yīng)用價值。雖然本發(fā)明的描述參考了有限的實施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該從中認(rèn)識到各種修改和變化，并應(yīng)該理解所附權(quán)利要求覆蓋了所有這些修改和變化，它們都位于本發(fā)明的實際精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低溫共燒陶瓷基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法，在低溫共燒陶瓷基板表面制作金屬化環(huán)形焊盤環(huán)繞微流管道口，然后將內(nèi)壁具有密封螺紋的金屬套環(huán)焊接在環(huán)形焊盤上，同時在連接管管頭外壁加工出與金屬套環(huán)內(nèi)壁密封螺紋相匹配的外螺紋，最后將連接管與金屬套環(huán)通過密封螺紋旋擰連接。
2.如權(quán)利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用共燒工藝制作金屬化環(huán)形焊盤根據(jù)設(shè)計圖紙在低溫共燒陶瓷生瓷片上印刷金屬漿料，與生瓷片一起共燒，在基板燒結(jié)的同時形成金屬化環(huán)形焊盤。
3.如權(quán)利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用后燒工藝制作金屬化環(huán)形焊盤在燒結(jié)后的低溫共燒陶瓷基板的微流管道口周圍印刷金屬漿料，然后再燒結(jié)成金屬化環(huán)形焊盤。
4.如權(quán)利要求2或3所述的接口方法，其特征在于，所述金屬漿料是金、銀、銅或鋅的漿料或是它們的混合漿料。
5.如權(quán)利要求4所述的接口方法，其特征在于，制作金屬化環(huán)形焊盤時采用絲網(wǎng)印刷、掩模印刷或流延型印刷方法印刷金屬漿料。
6.如權(quán)利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用焊料焊、熔焊或釬焊的方法將金屬套環(huán)焊接在環(huán)形焊盤上。
7.如權(quán)利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用銅、鋁、鋁合金或可伐合金制作金屬套環(huán)。
8.如權(quán)利要求I所述的接口方法，其特征在于，所述連接管是金屬管或有機(jī)塑料管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫共燒陶瓷基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法，在基板表面制作金屬化環(huán)形焊盤環(huán)繞微流管道口，然后將內(nèi)壁具有密封螺紋的金屬套環(huán)焊接在環(huán)形焊盤上，同時選擇合適外徑的連接管，在其管頭外壁加工出與金屬套環(huán)內(nèi)壁密封螺紋相匹配的密封外螺紋，將該連接管與金屬套環(huán)通過密封螺紋旋擰連接，即可實現(xiàn)基板內(nèi)嵌微流管道與外部的方便可靠連接。
文檔編號B81C3/00GK102815665SQ20111015105
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者曹瑞, 淦華, 金玉豐, 繆旻 申請人:北京大學(xué)