本发明提供内置微流道的高散热LTCC基板及其制造方法，包括上层部分、中层部分和下层部分；上层部分设有金属柱阵列，中层部分设有由两微流道和中空腔体连通成的腔体，中空腔体内设有金属柱阵列，上层部分的金属柱与中层部分的金属柱一一对应；下层部分设有冷却液出入。制备带金属柱阵列的碳带生坯样品和纯碳带生坯样品；制备与上层部分、中层部分和下层部分分别对应的上层生瓷片、中层生瓷片和下层生瓷片；碳带生坯样品与生瓷片对应叠层，烧结。本发明基板存在金属柱阵列、腔体和微通道，上层中金属柱阵列将芯片产生的热量传递到中层金属柱阵列；中层金属柱阵列通过增大的表面积将热量传递到腔体内部散热媒质中，提高基板散热性能。
1.内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，所述内置微流道的高散热LTCC基板包括上层部分、中层部分和下层部分；上层部分设有金属柱阵列，中层部分设有由两微流道和中空腔体连通而成的腔体，中空腔体内设有金属柱阵列，上层部分的金属柱与中层部分的金属柱一一对应；下层部分设有冷却液入孔和冷却液出孔，冷却液入孔和冷却液出孔与中层部分的两微流道分别对应；其特征在于，包括如下步骤，第一步，将碳带片按照预设厚度进行整理叠片、等静压层压形成碳带生坯粗品，将碳带生坯粗品分别制备两种碳带生坯样品，一种是带金属柱阵列的碳带生坯样品，另一种是纯碳带生坯样品；
第二步，对生瓷片进行预烘干，将生瓷片分为上层生瓷片、中层生瓷片和下层生瓷片；
在上层生瓷片上打通孔阵列并进行金属填充，形成金属柱阵列，该金属柱阵列与带金属柱阵列的碳带生坯样品的金属柱阵列对应配合；在中层生瓷片上开腔，腔体由两微流道和中空腔体连通而成；在下层生瓷片上打冷却液入孔和冷却液出孔，冷却液入孔和冷却液出孔与两微流道分别对应；
第三步，先将多个下层生瓷片叠片，然后将多个中层生瓷片进行叠片，使下层生瓷片的冷却液入孔和冷却液出孔与中层生瓷片上的两个微流道分别连通，在所有中层生瓷片叠完后，将带金属柱阵列的碳带生坯样品放入中层生瓷片中空腔体中，纯碳带生坯样品放入微流道内部，再将上层生瓷片进行叠片，使得上层生瓷片上的金属柱与带金属柱阵列的碳带生坯样品中的金属柱一一对应，叠片完成后得到生坯；
2.根据权利要求1所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，第一步中，带金属柱阵列的碳带生坯样品的制备方法为：在碳带生坯粗品上进行激光冲孔，再使用金浆料进行通孔填充，然后对其进行通孔平坦化处理，最后进行激光划片。
3.根据权利要求2所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，激光打孔采用皮秒激光。
4.根据权利要求1所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，纯碳带生坯样品通过激光划片得到。
5.根据权利要求1所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，第二步中，纯碳带生坯样品放置在微流道内部与带金属柱阵列的碳带生坯样品形成的衔接缝隙小于等于200μm。
6.根据权利要求1所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，第四步具体操作为：用保鲜膜将生坯整个包裹，然后将带金属柱阵列的生坯背面放在承压板上，正面上放置一个能覆盖生坯有效图形且小于生坯的承压板，再使用软硅胶片将正面包裹，然后将其铺平放入包封带内，进行真空包封；将包封好的生坯整体进行等静压层压。
7.根据权利要求6所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，真空包封条件为：压力小于等于-0.1MPa，包封层数为大于等于2层。
8.根据权利要求1所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，第五步具体操作为：将完成层压的生坯通过热切切出需要的图形及尺寸，将完成切割的生坯低温烧结，低温烧结时，生坯带金属柱阵列的一面置于承烧板上。
9.根据权利要求1所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，其特征在于，低温烧结时，25-120℃升温时间为60±5min，120-500℃升温时间为800±100min，500℃保持300±100min，500-850℃升温时间为250±50min，850℃保持35±5min，850-500℃降温时间为
200+30min，500-25℃降温时间为60±5min。
一种内置微流道的高散热LTCC基板及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于半导体混合集成电路技术领域，涉及一种内置微流道的高散热LTCC基板及其制造方法。
背景技术
[0002] 现代电子设备不断面临高密度集成、高功率的发展要求，LTCC基板虽然具有高密度集成的特点，但是其散热功率较低，不能满足发展需求，而在LTCC基板内埋置微流道，利用导热流体提高基板导热效率，是实现高密度、高导热LTCC基板的关键技术。
[0003] 通常情况下，LTCC基板作为一种高密度集成的陶瓷基板，其热导率一般在2～3W/m-k，很难满足高功率电路的散热要求，尤其是高度集成的SiP产品及LTCC射频/微波电路，其对电路本身散热要求极高，甚至有的要求热导率在10～20W/m-k以上，而目前的LTCC基板不能满足使用要求。
发明内容
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种内置微流道的高散热LTCC基板及其制造方法，实现电路基板高散热。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006] 一种内置微流道的高散热LTCC基板，包括上层部分、中层部分和下层部分；上层部分设有金属柱阵列，中层部分设有由两微流道和中空腔体连通而成的腔体，中空腔体内设有金属柱阵列，上层部分的金属柱与中层部分的金属柱一一对应；下层部分设有冷却液入孔和冷却液出孔，冷却液入孔和冷却液出孔与中层部分的两微流道分别对应。
[0007] 所述的内置微流道的高散热LTCC基板的制造方法，包括如下步骤，[0008] 第一步，将碳带片按照预设厚度进行整理叠片、等静压层压形成碳带生坯粗品，将碳带生坯粗品分别制备两种碳带生坯样品，一种是带金属柱阵列的碳带生坯样品，另一种是纯碳带生坯样品；
[0009] 第二步，对生瓷片进行预烘干，将生瓷片分为上层生瓷片、中层生瓷片和下层生瓷片；在上层生瓷片上打通孔阵列并进行金属填充，形成金属柱阵列，该金属柱阵列与带金属柱阵列的碳带生坯样品的金属柱阵列对应配合；在中层生瓷片上开腔，腔体由两微流道和中空腔体连通而成；在下层生瓷片上打冷却液入孔和冷却液出孔，冷却液入孔和冷却液出孔与两微流道分别对应；
[0010] 第三步，先将多个下层生瓷片叠片，然后将多个中层生瓷片进行叠片，使下层生瓷片的冷却液入孔和冷却液出孔与中层生瓷片上的两个微流道分别连通，在所有中层生瓷片叠完后，将带金属柱阵列的碳带生坯样品放入中层生瓷片中空腔体中，纯碳带生坯样品放入微流道内部，再将上层生瓷片进行叠片，使得上层生瓷片上的金属柱与带金属柱阵列的碳带生坯样品中的金属柱一一对应，叠片完成后得到生坯；
[0011] 第四步，将生坯进行真空包封与等静压层压；
[0012] 第五步，热切、低温烧结。
[0013] 优选的，第一步中，带金属柱阵列的碳带生坯样品的制备方法为：在碳带生坯粗品上进行激光冲孔，再使用金浆料进行通孔填充，然后对其进行通孔平坦化处理，最后进行激光划片。
[0014] 优选的，激光打孔采用皮秒激光。
[0015] 优选的，纯碳带生坯样品通过激光划片得到。
[0016] 优选的，第二步中，纯碳带生坯样品放置在微流道内部与带金属柱阵列的碳带生坯样品形成的衔接缝隙小于等于200μm。
[0017] 优选的，第四步具体操作为：用保鲜膜将生坯整个包裹，然后将带金属柱阵列的生坯背面放在承压板上，正面上放置一个能覆盖生坯有效图形且小于生坯的承压板，再使用软硅胶片将正面包裹，然后将其铺平放入包封带内，进行真空包封；将包封好的生坯整体进行等静压层压。
[0018] 进一步的，真空包封条件为：压力小于等于-0.1MPa，包封层数为大于等于2层。
[0019] 优选的，第五步具体操作为：将完成层压的生坯通过热切切出需要的图形及尺寸，将完成切割的生坯低温烧结，低温烧结时，生坯带金属柱阵列的一面置于承烧板上。
[0020] 优选的，低温烧结时，25-120℃升温时间为60±5min，120-500℃升温时间为800±100min，500℃保持300±100min，500-850℃升温时间为250±50min，850℃保持35±5min，
850-500℃降温时间为200+30min，500-25℃降温时间为60±5min。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0022] 本发明LTCC基板存在金属柱阵列、腔体和微通道，上层中金属柱阵列用于将芯片产生的热量传递到中层的金属柱阵列；中层的金属柱阵列通过增大的表面积将热量传递到腔体内部散热媒质(冷却液)中；散热媒质通过微流道将热量带到基板外部实现高散热，有效地提高了LTCC基板的散热性能。
[0023] 本发明所述的制造方法，将带金属柱阵列的碳带生坯样品置于生瓷片的中空腔体中，将未带金属的纯碳带生坯样品置于生瓷片的微流道中，碳带生坯的作用：一是填充生瓷片内部腔体、微流道，避免层压时基板表面塌陷；二是该材料为95％碳以及5％的有机物，在高温下烧结后完全被氧化，形成CO2、CO1和气体H2O(850℃)挥发掉，基板内部形成微流道、腔体以及金属柱阵列。本发明还在上层生瓷片中制造金属柱阵列，该金属柱阵列用于将芯片产生的热量通过金属柱阵列传递到中层生瓷片中空腔体内的金属柱阵列；中层生瓷片中空腔体内的金属柱阵列通过增大的表面积将热量传递到腔体内部散热媒质(冷却液)中；散热媒质通过微流道将热量带到基板外部实现高散热，有效地提高了LTCC基板的散热性能，为大功率电路提供一种主动散热的方法，具有重要的社会效益和经济价值。本发明可用于高功率的LTCC电路基板制造，例如LTCC一体化集成类SiP基板及LTCC射频/微波基板散热结构。
[0024] 进一步的，激光打孔采用皮秒激光，基本无热效应，防止碳带材料内部有机物挥发。
[0025] 进一步的，纯碳带生坯样品放置在微流道内部与带金属柱阵列的碳带生坯样品形成的衔接缝隙不能大于200μm，可以防止层压时塌陷。
[0026] 进一步的，采用保鲜膜包裹生坯，可以防止其在层压时粘接承压板。
附图说明
[0027] 图1为内置微流道的高散热LTCC基板结构示意图；
[0028] 图2为内置微流道的高散热LTCC基板制作流程图；
[0029] 图3为内置微流道的高散热LTCC基板叠片样品图；
[0030] 图4为内置微流道的高散热LTCC基板烧结曲线图；
[0031] 图5为内置微流道的高散热LTCC基板烧结样品截面图，(a)为中空腔体内部金属柱阵列，(b)为微流道截面。
具体实施方式
[0032] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0033] 本发明所述的内置微流道的LTCC基板的结构示意图如图1所示，包括上层部分、中层部分和下层部分；上层部分设有金属柱阵列，中层部分设有由两微流道和中空腔体连通而成的腔体，中空腔体内设有金属柱阵列，上层部分的金属柱与中层部分的金属柱一一对应；下层部分设有冷却液入孔和冷却液出孔，冷却液入孔和冷却液出孔与中层部分的两微流道分别对应。
[0034] 对其结构及散热原理进行如下详细说明：
[0035] (1)上层的金属柱阵列用于将芯片产生的热量通过金属柱阵列传递到中层的金属柱阵列；
[0036] (2)中层的金属柱阵列通过增大的表面积将热量传递到腔体内部散热媒质(冷却液)中；
[0037] (3)散热媒质通过微流道将热量带到基板外部实现高散热。
[0038] 本发明基于LTCC逐层加工的工艺特点，通过以下步骤实现了内置微流道的LTCC基板制造，流程图如图2所示。
[0039] 第一步，进行碳带片加工(碳带片纯度高达95％，片状，以下均称其为碳带片)，将碳带片剪裁成100mm×100mm大小(尺寸可根据设计版图而定)；通过需要碳带生坯厚度计算张数，比如需要碳带生坯厚度0.5mm，碳带单片厚度为0.1mm，则需要准备碳带片的张数为0.5÷0.1＝5张。将裁剪好的碳带片依照需要的厚度进行整理叠片、等静压层压形成碳带生坯粗品，再分别制备两种碳带生坯样品，一种是带金属柱阵列的碳带生坯样品，另一种是纯碳带生坯样品；带金属柱阵列的碳带生坯样品的制备方法为：在碳带生坯粗品上进行激光冲孔，再使用金浆料进行通孔填充，然后对其进行通孔平坦化处理，最后进行激光划片取得想要的尺寸；纯碳带生坯样品通过激光划片取得想要的尺寸，纯碳带生坯样品制备两个，均为长条形；如图3中，碳带生坯1为带金属柱阵列的碳带生坯样品，碳带生坯2为纯碳带生坯样品。
[0040] 第二步，进行生瓷片加工，对所有生瓷片进行预烘干，将生瓷片分为上层生瓷片、中层生瓷片和下层生瓷片，在上层生瓷片上打通孔阵列并进行金属填充，形成金属柱阵列，该金属柱阵列与带金属柱阵列的碳带生坯样品的金属柱阵列对应配合；在中层生瓷片上开腔，腔体由两侧的微流道和中部的中空腔体连通而成，开腔后，为实现其他功能，在中层生瓷片其他部分进行开孔、导体通孔填充、通孔平坦化以及导体印刷；在下层生瓷片上打冷却液入孔和冷却液出孔，冷却液入孔和冷却液出孔与两微流道分别对应。
[0041] 第三步，进行整理叠片，通过采用叠片模具对生瓷片及碳带生坯样品按顺序进行叠片，具体步骤为：先将多个下层生瓷片叠片，然后将多个中层生瓷片按方向进行叠片，使下层生瓷片的两个通孔与中层生瓷片上的两个微流道分别连通，在所有中层生瓷片叠完后，将带金属柱阵列的碳带生坯样品放入中部的腔体中，纯碳带生坯样品放入微流道内部，再按顺序将上层生瓷片进行叠片，使得上层生瓷片上的金属柱与带金属柱阵列的碳带生坯样品中的金属柱一一对应，所有生瓷片完成叠片后称生坯。
[0042] 第四步，真空包封与等静压层压
[0043] 将完成叠片的生坯整体从叠片模具上取下，用保鲜膜将生坯整个包裹，防止其在层压时粘接承压板，然后背面向下放在承压板上，正面放置一个尺寸较小(大于有效图形面积，小于背面承压板)的承压板，再使用软硅胶片将其正面包裹，然后将其铺平放入包封带内，进行真空包封，真空包封条件：-0.1MPa，包封层数为2层；将包封好的生坯整体进行等静压层压。
[0044] 第五步，热切、低温烧结
[0045] 将完成层压的生坯通过热切切出需要的图形及尺寸，去除多余的角料。将完成切割的生坯放入低温烧结炉烧结，25-120℃升温时间为60±5min，120-500℃升温时间为800±100min，500℃保持300±100min，500-850℃升温时间为250±50min，850℃保持35±5min，850-500℃降温时间为200+30min，500-25℃降温时间为60±5min，烧结曲线见附图4；
形成陶瓷基板，该基板具有内置微流道、金属孔阵列以及金属柱阵列，可以有效提高基板散热能力，LTCC基板截面图如图5所示。
[0046] 上述制备流程应该注意的事项：
[0047] (1)上述流程中碳带材料的制作过程中均应在常温下进行，禁止进行加热处理，防止碳带材料内部有机物挥发；激光打孔采用皮秒激光，基本无热效应。
[0048] (2)碳带生坯样品和生瓷片一起进行整理叠片时应按一定顺序、一定方位进行；由于带金属柱阵列的碳带生坯样品中制作了金属柱阵列，放置时应注意方向和位置，纯碳带生坯样品放置在流道内部与带金属柱阵列的碳带生坯样品形成的衔接缝隙不能大于200μm，防止层压时塌陷。
[0049] (3)低温烧结时碳带生坯样品挥发的温区时间应尽量加长，避免碳带生坯样品不能完全挥发。
[0050] 综合以上工艺，可制作出内置微流道的LTCC基板，再通过在微流道内填充可循环流动的散热媒质，使基板热量通过散热媒质扩散到基板外部，从而提高LTCC基板散热能力。
[0051] 碳带生坯的作用：一是填充内部腔体、流道，避免层压时基板表面塌陷；二是该材料为95％碳以及5％的有机物，在高温下烧结后完全被氧化，形成CO2、CO1和气体H2O(850℃)挥发掉，基板内部形成微流道、腔体以及金属柱阵列。
