專利名稱：一種常壓下微熱管真空注液封裝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微熱管的封裝技術(shù)，具體涉及一種硅微熱管常壓下真空注液封裝的方法。(二) 背景技術(shù)隨著IC制造技術(shù)的快速發(fā)展，目前單個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)上億，功耗及芯片 連線密度越來(lái)越高，可用散熱面積小，使得熱流密度急劇增加，芯片溫度顯著上升，嚴(yán)重影 響其工作可靠性和使用壽命。傳統(tǒng)冷卻技術(shù)如風(fēng)扇結(jié)合熱沉的強(qiáng)制對(duì)流制冷，半導(dǎo)體熱電制 冷技術(shù)因?yàn)閭鳠崮芰蛘呒庸こ杀镜纫蛩氐闹萍s，己不能滿足集成電路進(jìn)一步發(fā)展的散熱需 求。熱管技術(shù)是一種無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)，靠自身吸熱作為動(dòng)力進(jìn)行散熱的技術(shù)，己在大尺度散熱 方面有著廣泛成熟的應(yīng)用，隨著MEMS工藝及微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，微熱管(Microheat pipe, MHP)冷卻技術(shù)成為最有吸引力的集成電路和電子芯片散熱技術(shù)之一。微型熱管是利用工作介質(zhì)在微小空間中的相變過(guò)程進(jìn)行熱量傳遞的一種高效傳熱元件。 理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均證明其具有非常好的傳熱性能，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的微型熱管能成功地解 決諸如微電子芯片等微小電子器件的散熱問(wèn)題，為其提供穩(wěn)定的工作環(huán)境。特別是采用蒸汽 空間互相連通結(jié)構(gòu)的微型平板熱管，有效降低了汽液高速反向運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的界面摩擦剪切力， 使熱管傳熱性能顯著提高，而且具有良好的啟動(dòng)性和均溫性，而MEMS工藝的發(fā)展以及與硅 基集成電路良好的兼容性，使基于硅的微型平板熱管受到了極大的關(guān)注。硅微型多槽道平板 熱管可采用體微機(jī)械加工工藝及靜電鍵合方法制作，材料選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的硅，可集成到 微電子芯片上。對(duì)基于MEMS工藝的硅微型多槽道平板熱管進(jìn)行研究制作，不僅對(duì)理論分析 有重要意義，而且在工程應(yīng)用上(特別是微電子、航空航天等領(lǐng)域)也有著廣闊的前景。在微熱管的制作過(guò)程中，注液和封裝是兩大技術(shù)難點(diǎn)。目前有兩種方式，第一種方式如 圖1所示，該熱管以去離子水作為工作液體。注液過(guò)程先將空氣從熱管腔體中抽出，然后 在封口前注入工質(zhì)。在抽真空的過(guò)程中，把一個(gè)6mm厚的硅樹(shù)脂間隔器緊密地貼在微熱管上。 為了防止抽真空和注液時(shí)漏液或漏氣，在硅樹(shù)膠間隔器和微熱管接觸的縫隙部分涂上一層高 真空酯。在硅樹(shù)膠上打出一個(gè)2mm的通孔作為抽真空的通路。當(dāng)氣壓低于一定數(shù)值時(shí)，將硅 樹(shù)膠垂直向下移動(dòng)，從而將連通的抽氣通道隔斷，然后注入工質(zhì)。充液所用工具為 EFD1500XL-C壓縮型液體分配器，用微型電腦對(duì)充液速度和時(shí)間進(jìn)行控制。第二種方式如圖2所示。由于熱管陣列和充液設(shè)備之間閥門的存在，可對(duì)熱管進(jìn)行定量充液。排除工質(zhì)中不可壓縮氣體的方法是基于液體在真空下冷凝排氣原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)除氣的過(guò)程包括以下三個(gè)步驟首先，使工質(zhì)在加熱容器5中蒸發(fā)，釋放出不可壓縮氣體；其次，將蒸發(fā)的工質(zhì)通入用液態(tài)氮冷卻的冷卻管6，使工質(zhì)冷卻成液休；最后，用真空泵抽走 不可壓縮氣體。通過(guò)真空泵把熱管抽成1(^mbar，然后對(duì)管6進(jìn)行加熱，使工質(zhì)蒸發(fā)，蒸氣通 過(guò)閥門進(jìn)入熱管并在其中冷凝成液體。充液量通過(guò)裝置9計(jì)算得出。以上是目前微熱管制作中常用的兩種注液封裝方式。第一種方式中，硅樹(shù)膠間隔器和微 熱管接觸的縫隙部分涂抹的高真空酯并不能完全使之與空氣隔離，2mm的通孔中仍含有少量 空氣，因此在注液時(shí)會(huì)有空氣混入微熱管中，導(dǎo)致微熱管性能下降。第二種方式中，所用到 的裝置繁多、復(fù)雜、不利于實(shí)際操作，而且增加了實(shí)驗(yàn)成本。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、操作簡(jiǎn)便、充液量可控、微熱管腔體真空度較高 的常壓下微熱管真空注液封裝的方法。本發(fā)明主要包括注液和封裝兩個(gè)部分。由于在注液的過(guò)程中易出現(xiàn)空氣混入微熱管腔體 的現(xiàn)象，因此本發(fā)明采用首先將熱管整個(gè)腔體注滿工質(zhì)，而后加熱排多余工質(zhì)的方法，所述 的工質(zhì)為甲醇，乙醇，水或電子冷卻劑FC-72。具體步驟如下首先將微熱管完全浸沒(méi)在裝 有乙醇的玻璃皿中(為了便于封裝，微熱管的注液孔在0.5mm lmm之間。)，然后把玻璃皿 置于帶有振動(dòng)裝置的真空室中。當(dāng)真空度達(dá)到0.09MPa左右時(shí)，持續(xù)振動(dòng)2 5分鐘，此時(shí)在 微熱管腔體內(nèi)完全充滿乙醇。根據(jù)微熱管的工作原理，在微熱管腔體內(nèi)有一部分工質(zhì)，剩余部分為真空。為了保證微 熱管腔體內(nèi)的真空度，本發(fā)明采用加熱-冷卻的方式，使腔體內(nèi)部達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。封裝具體步 驟如下將注滿工質(zhì)的微熱管的無(wú)孔端固定在加熱裝置上，在注液孔端加一冷卻裝置。調(diào)節(jié) 加熱裝置使腔體內(nèi)的工質(zhì)氣化，繼續(xù)升高溫度使氣體膨脹，推動(dòng)工質(zhì)向下移動(dòng)并從注液孔流 出，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱裝置和冷卻裝置，能夠精確地控制工質(zhì)的注液量。當(dāng)達(dá)到所需的注液量時(shí)， 繼續(xù)保持熱平衡狀態(tài)，膠封注液孔，即完成了微熱管的封裝過(guò)程。本發(fā)明所述微熱管注液封裝方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)采用完全注液方式，在 這一過(guò)程中不必考慮注液量，同時(shí)能有效地控制空氣混入；通過(guò)加熱-冷卻的方式，可方便地控制工質(zhì)在腔體內(nèi)的量，而在此過(guò)程中亦不會(huì)有空氣混入。整個(gè)過(guò)程所需設(shè)備較少，簡(jiǎn)便易行。(四)


圖l為微熱管注液示意圖；圖2為微熱管除氣、注液及定量注入設(shè)備不意圖；圖3為注液過(guò)程示意圖；圖4為封裝過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖，結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖1為微熱管注液示意圖。其中l(wèi).微熱管溝道；2.硅樹(shù)膠；3.注液孔；4.真空泵；5.注 射器；6.液體分配器。圖2為微熱管除氣、注液及定量注入設(shè)備示意圖。其中l(wèi).旋轉(zhuǎn)葉片式抽氣泵；2.汽水閥 裝置；3.渦輪分子泵；4.流量計(jì)；5.加熱管；6.液氮冷卻管；7.K型熱電偶；8.薄膜壓力計(jì)；9. 質(zhì)量測(cè)量裝置；IO.注液閥；ll.微熱管陣列。圖3為注液過(guò)程示意圖。其中l(wèi).盛水的大玻璃皿；2.振動(dòng)設(shè)備；3.盛一定量乙醇的小玻 璃皿；4.微熱管；5.注液孔；6.干電池電源；7.真空泵。圖4為封裝過(guò)程示意圖。其中l(wèi).直流變壓器；2.支架；3.貼片加熱電阻；4.熱管內(nèi)蒸汽 部分；5.熱管內(nèi)液體部分；6熱管內(nèi)部氣液分界線；7.注液孔；8.盛有乙醇的玻璃皿。以下參照?qǐng)D3至圖4，對(duì)本發(fā)明微熱管制造方法中的注液封裝方法及實(shí)施過(guò)程予以進(jìn)一 歩詳細(xì)說(shuō)明。圖3為注液過(guò)程示意圖。所用設(shè)備包括盛水的大玻璃皿，盛一定量乙醇的小玻璃皿， 振動(dòng)設(shè)備，真空泵。具體操作過(guò)程如下將若干微熱管分散置于盛有一定量乙醇的小玻璃皿 中，不要疊放且注液孔朝上，在小玻璃皿中倒入的乙醇量以剛好淹沒(méi)微熱管為宜。把小玻璃 皿放在盛有適量水的大玻璃皿，其中的水量低于小玻璃皿外沿。為了便于封裝，注液孔的直徑較小，在0.5mm lmm之間，同時(shí)又要保證將微熱管內(nèi)的空氣排出，完全注滿乙醇，這使 注液的難度增加。本發(fā)明采用抽真空配合超聲的方式。由于真空泵是封閉的，因此使用獨(dú)立 電源的小型振動(dòng)設(shè)備。如圖中所示，1， 2， 6組成類似超聲設(shè)備。將小玻璃皿和小型振動(dòng)設(shè) 備都放入盛有適量水的大玻璃皿中，同時(shí)開(kāi)啟振動(dòng)設(shè)備，把整體放入真空泵中。接通真空泵 電源，真空度從0Pa均勻升至0.09MPa左右，在0.09MPa左右時(shí)持續(xù)2~5分鐘。關(guān)閉真空泵 電源，微熱管完全被注滿。圖4為封裝過(guò)程示意圖。所用設(shè)備包括直流變壓器，支架，貼片加熱電阻，盛有乙醇 的玻璃皿。具體操作過(guò)程如下將貼片加熱電阻固定在支架上，直流變壓器為貼片加熱電阻 提供直流電壓，通過(guò)導(dǎo)線與之相連。直流變壓器和貼片加熱電阻組成加熱裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)直 流變壓器的電壓可控制貼片加熱電阻的溫度。如圖中所示，將注滿乙醇的微熱管的無(wú)孔端置 于貼片加熱電阻上，通過(guò)調(diào)節(jié)直流變壓器的電壓，使貼片加熱電阻的溫度逐漸升高，到達(dá)一 定溫度時(shí)，在微熱管的無(wú)孔端形成恒溫區(qū)，此恒溫區(qū)的乙醇為汽液混合體，即此時(shí)溫度為乙 醇汽液混合體的臨界溫度。繼續(xù)升高溫度，使乙醇?xì)饣蛎泴⒍嘤嗟囊掖紨D壓出微熱管腔體。 調(diào)整加熱區(qū)尺寸，可控制所產(chǎn)生氣體的體積，從而得到所需的液體與腔體的比例。為了防止乙醇全部氣化，在靠近注液孔附近加一冷卻裝置，由于乙醇?xì)怏w的比重小于空氣，因此將注 液孔置于底部。本發(fā)明采用盛有乙醇的玻璃皿作為冷卻裝置，當(dāng)微熱管內(nèi)部氣液分界線接近 注液孔時(shí)，可將微熱管注液孔浸沒(méi)在乙醇中，可防止空氣混入。當(dāng)微熱管腔體內(nèi)乙醇處于汽 液平衡狀態(tài)時(shí)，注液孔將不會(huì)再有乙醇液體排出，膠封注液孔，此時(shí)要保持恒溫區(qū)正常工作， 避免產(chǎn)生負(fù)壓將膠體抽入腔體內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種微熱管常壓下真空注液封裝的方法，其特征在于包括以下內(nèi)容注液時(shí)首先將微熱管注液孔朝上，剛好浸沒(méi)在工質(zhì)中，放置在帶有振動(dòng)器的真空泵中，在真空度均勻升高的同時(shí)，開(kāi)啟振動(dòng)設(shè)備，在真空度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，振動(dòng)設(shè)備持續(xù)振動(dòng)一段時(shí)間；然后進(jìn)行封裝，利用加熱裝置在注滿工質(zhì)的微熱管無(wú)孔端形成一個(gè)恒溫區(qū)，加熱升溫，使微熱管腔體內(nèi)的工質(zhì)汽化膨脹，將多余工質(zhì)從注液孔排出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微熱管常壓下真空注液封裝的方法，其特征在于所述的注 液孔的直徑在0.5mm lmm之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微熱管常壓下真空注液封裝的方法，其特征在于所述的振 動(dòng)設(shè)備為具有獨(dú)立電源的小型振動(dòng)設(shè)備。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微熱管常壓下真空注液封裝的方法，其特征在于所述的真 空度為0.09MPa，在0.09MPa時(shí)持續(xù)2~5分鐘。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微熱管常壓下真空注液封裝的方法，其特征在于所述的在 靠近注液孔附近加一冷卻裝置，冷卻裝置盛有乙醇的玻璃器具。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微熱管常壓下真空注液封裝的方法，其特征在于所述的加 熱裝置由直流變壓器和貼片加熱電阻組成，貼片加熱電阻固定在支架上，直流變壓器通過(guò)導(dǎo) 線與貼片加熱電阻相連，微熱管的無(wú)孔端置于貼片加熱電阻上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微熱管常壓下真空注液封裝的方法，其特征在于所述的工 質(zhì)為甲醇，乙醇，水或電子冷卻劑FC-72。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種常壓下微熱管真空注液封裝的方法，包括注液和封裝兩個(gè)過(guò)程，由于微熱管腔體及工作液體中殘留的空氣會(huì)嚴(yán)重影響微熱管的性能，因此本發(fā)明首先采用抽真空與超聲振動(dòng)相結(jié)合的方式，將微熱管工質(zhì)注滿整個(gè)腔體，在封裝過(guò)程中，采用加熱-冷卻的方式，使微熱管內(nèi)部達(dá)到汽液動(dòng)態(tài)平衡，可實(shí)現(xiàn)注液量可控，最后膠封注液孔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該發(fā)明成本低廉、操作簡(jiǎn)便、并能保證微熱管腔體的高真空度。
文檔編號(hào)F28D15/02GK101266111SQ200810064210
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者劉曉為, 磊 徐, 超 王, 王喜蓮, 霍明學(xué) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)