一種低溫共燒陶瓷基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法

一種低溫共燒陶瓷基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法專利名稱: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:本創(chuàng)造屬于微機(jī)電系統(tǒng)封裝技術(shù)領(lǐng)域,低溫共燒陶瓷基板內(nèi)嵌微流管道接口方法。

背景技術(shù):--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、掌握電路、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(shí)現(xiàn)很多以前無法實(shí)現(xiàn)的功能,將推動(dòng)信息獵取、信息處理、信息操作等的協(xié)調(diào)進(jìn)展。

封裝為器件集成供應(yīng)一個(gè)互連和支撐的平臺和工作環(huán)境,是產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

產(chǎn)品的應(yīng)用范圍廣泛,涉及各個(gè)領(lǐng)域,其中有一類涉微流體的產(chǎn)品,如化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等,這類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。

特殊是高密度封裝體的中心部位,由于離邊界遠(yuǎn),熱阻較高,簡單形成高溫?zé)狳c(diǎn),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抱負(fù),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)比較普遍采納的散熱解決方案。

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左右,可以與低電阻率導(dǎo)體布線材料如、、等共燒,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化布線和多層立體互連。

基板具有聞?lì)l聞特性,適用于聞?lì)l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;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(diǎn)是,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)地松軟,便利機(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,為封裝帶來便利。

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。

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。

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、基板粘接。

這種方法雖然簡潔,但是由于基板微流管道尺寸較小,在粘接過程中難以定位和固定,而且微管道口簡單堵塞,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)。

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,操作不便利,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)械牢靠性差。

上述兩種接口方法還有一個(gè)共同的問題是,接口的連接是固定的、永久的連接,不能便利地插拔和拆卸,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。

創(chuàng)造內(nèi)容基板內(nèi)嵌微流管道接口方法的缺陷,基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法,基板微流體系統(tǒng)與外部便利牢靠連接。

基板內(nèi)嵌微流管道的接口方法,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(shí)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(shí)現(xiàn)基板內(nèi)嵌微流管道與外部的便利牢靠連接。

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,依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谏善嫌∷⒑衲そ饘贊{料,然后與生瓷片一起共燒,在基板燒結(jié)的同時(shí)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四周印刷厚膜金屬漿料,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)壁制作密封螺紋要依據(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,基板的金屬化環(huán)形焊盤上可以采納焊料焊、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。

基板接口方法的優(yōu)點(diǎn)在于由于金屬套環(huán)的尺寸相對連接管大些,與基板焊接便利,而且可以改善微流管道接口處的應(yīng)力承受力量,提高接口的機(jī)械強(qiáng)度和牢靠性;由于采納了密封螺紋,既可以實(shí)現(xiàn)連接的密封性,又可以使連接管的安裝、拆卸和更換簡潔便利;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。

基板微流管道與外部連接微管連接結(jié)構(gòu)示意圖。

基板液冷散熱系統(tǒng)剖面示意圖。

壓力傳感器剖面示意圖。

其中——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——微腔體詳細(xì)實(shí)施例方式依據(jù)本創(chuàng)造的接口方法中,基板微流管道與外部連接微管連接后的結(jié)構(gòu)如圖所示,基板內(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(shí)例進(jìn)一步具體說明本創(chuàng)造,但不以任何方式限制本創(chuàng)造。

基板微流管道液冷散熱系統(tǒng)的外部連接。

參見圖2,基板表面貼裝的發(fā)熱電子元器件6進(jìn)行散熱致冷,微流管道4內(nèi)流淌的散熱劑通過連接管3輸入和輸出。

依據(jù)下述方法完成該結(jié)構(gòu)的制備、采納疊層共燒的方法加工出內(nèi)嵌微流管道4的封裝基板1,包括下述步驟基板封裝系統(tǒng),繪制出各層的設(shè)計(jì)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)形焊盤等的制作采納印刷漿料方法,微流管道的制作采納機(jī)密機(jī)床微機(jī)械切割或激光切割的方法;3采納等靜態(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)過程中變形或倒塌。

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)形焊盤可以在根據(jù)步驟的共燒工藝制作,也可以在步驟之后,再印刷金屬漿料圖形,采納后燒工藝制作;焊接采納低溫焊料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中流淌循環(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。

壓力傳感器與被測流體系統(tǒng)連接。

參見圖3,基板內(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,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。

依據(jù)下述方法制備該結(jié)構(gòu)、先采納疊層共燒的方法加工出內(nèi)嵌微流管道4的封裝基板1,包括下述步驟基板封裝系統(tǒng),繪制出各層的設(shè)計(jì)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生瓷片,其中,金屬布線、垂直過孔、焊盤等的制作采納印刷漿料方法,微流管道和微腔體的制作采納機(jī)密機(jī)床微機(jī)械切割或激光切割的方法;3采納等靜態(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)過程中變形或倒塌。

2、在基板上制作應(yīng)變電阻7。

采納絲網(wǎng)印刷的方法印刷應(yīng)變金屬漿料,在步驟中共燒或步驟之后采納后燒工藝制成。

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)形焊盤可以在根據(jù)步驟的共燒工藝制作,也可以在步驟之后,再印刷金屬漿料圖形,采納后燒工藝制作;焊接采納低溫焊料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膜層發(fā)生應(yīng)變,進(jìn)而轉(zhuǎn)變應(yīng)變電阻7的阻值,使之成為一個(gè)壓力傳感器。

另外,基板與基板之間的互連,基板的流體封裝微系統(tǒng)連通,形成微流體系統(tǒng)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)中將有很大的應(yīng)用價(jià)值。

雖然本創(chuàng)造的描述參考了有限的實(shí)施例,但是本事域一般技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)從中熟悉到各種修改和變化,并應(yīng)當(dāng)理解所附權(quán)利要求掩蓋了全部這些修改和變化,它們都位于本創(chuàng)造的實(shí)際精神和范圍之內(nèi)。

,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(shí)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,最終將連接管與金屬套環(huán)通過密封螺紋旋擰連接。

,其特征在于,采納共燒工藝制作金屬化環(huán)形焊盤依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诘蜏毓矡沾缮善嫌∷⒔饘贊{料,與生瓷片一起共燒,在基板燒結(jié)的同時(shí)形成金屬化環(huán)形焊盤。

,其特征在于,采納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四周印刷