硅-銅微熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝研究.pdf

1、功率器件的散熱問題成為制約該類產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸，熱積聚會改變元器件的工作條件，影響其產(chǎn)品性能，降低可靠性，縮短使用壽命。以大功率 LED為例，它作為第四代固態(tài)光源，目前的光效率能達(dá)到40%，在照明和顯示領(lǐng)域嶄露頭角，是國家節(jié)能減排重點推廣的產(chǎn)品。針對 LED芯片和器件的基礎(chǔ)研究在各高校及企業(yè)研究機構(gòu)開展，散熱是其中重要的研究內(nèi)容。目前主流的散熱方法主要有風(fēng)冷、水冷等，還有應(yīng)用氣液二相轉(zhuǎn)換的相變制冷方法和熱電制冷，其中微熱管技術(shù)是一種融合相

2、變制冷和材料導(dǎo)熱特性，散熱功率超過100W/cm2的高效被動散熱方法，無需額外能量的輸入，外形可根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)計成平面或圓柱面等形式，傳熱方向可設(shè)計為水平和垂直方向，因此結(jié)構(gòu)簡單且適用性廣，本論文擬將金屬微熱管與LED芯片集成，將硅基板同時作為LED的固晶基板和熱管的吸液芯基板制備模組，實現(xiàn)LED器件使用過程中的有效散熱。
　　但是在微熱管應(yīng)用中需要考慮其與 LED的集成，因此將熱管結(jié)構(gòu)進(jìn)行微型化和平板化設(shè)計，從熱管結(jié)構(gòu)、真空度和

3、工質(zhì)灌注比等方面提高熱管的傳熱性能是本論文的重點研究內(nèi)容。
　　首先基于表面張力和毛細(xì)力對微熱管中起吸液芯作用的銅微溝道進(jìn)行數(shù)值計算和仿真分析，結(jié)果表明，較小結(jié)構(gòu)線寬能夠提供較大的工質(zhì)回流拖拽力，因此在工藝允許的范圍內(nèi)，設(shè)計盡可能窄的溝道；壁面邊界層對工質(zhì)的吸附作用不可忽視。開展了微熱管制作工藝研究結(jié)合光刻和電鑄工藝以及微熱管中工質(zhì)的灌注量，確定微溝道的寬度50μm，溝道間隔從50μm到200μm。根據(jù)熱流方向差異分為兩類：橫向傳

4、熱的微熱管（MHP），設(shè)計硅基板結(jié)構(gòu)形式包括均勻的平行溝道和非均勻的梯形溝道；縱向傳熱的微熱管，也稱為微均熱板（MVC），硅基板結(jié)構(gòu)形式包括平行溝道、同心圓溝道和放射形溝道。硅-銅微熱管的基板的制作工藝采用光刻SU-8膠制作電鑄型模并在其中微電鑄銅制作吸液芯結(jié)構(gòu)，提供工質(zhì)循環(huán)的拖曳力。銅蓋板具有蒸汽腔和導(dǎo)流槽，采用套刻和濕法腐蝕工藝制作。之后不同結(jié)構(gòu)的基板與銅蓋板封接并灌封工質(zhì)完成熱管制作。在工藝上，從型模深寬比、電流密度、鑄液成分、添

5、加劑等方面控制電鑄參數(shù)，得到高度為120μm，片內(nèi)誤差小于10μm的致密銅結(jié)構(gòu)。蓋板與基板采用膠接的形式進(jìn)行封裝，封裝空氣腔容積在100~200μL范圍內(nèi)，為了控制微小量灌注精度，針對不同微熱管分別采用真空冷焊法和蠕動泵灌注法，工質(zhì)的灌注精度高，誤差低于5%。
　　對研制的微熱管傳熱性能進(jìn)行測試，采用溫度測試平臺采集微熱管在真空環(huán)境的受熱參數(shù)，得到溫度隨時間的變化曲線，通過對不同微熱管的時-溫曲線分析可以得到微熱管的熱性能狀態(tài)。測

6、試結(jié)果顯示，占空比小的結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的傳熱效果，銅材料本身的導(dǎo)熱性能低于相變傳熱的效率；梯形溝道提供了不均衡的毛細(xì)壓力，采用合適的布置方式可以增強蒸發(fā)段與冷凝段壓差，有利于工質(zhì)回流；平行溝道微均熱板的均溫效果優(yōu)于同心圓和放射形溝道均熱板；充液率30%時散熱效果最穩(wěn)定，降溫效果最好；封裝蓋板對于微均熱板的性能也有影響，平行溝道蓋板結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流效果好于矩陣和點陣結(jié)構(gòu)，而平行蓋板與同心圓基板的配合產(chǎn)生極其優(yōu)異的降溫效果，7W輸入功率時的平衡溫度不