具有近表面沟槽的平面多层陶瓷构件的制作方法

专利名称：具有近表面沟槽的平面多层陶瓷构件的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及陶瓷构件，特别涉及具有电子器件用的近表面沟槽的多层陶瓷构件及其制造方法。
背景技术：
过去，电热、机电、和热机械构件都是使用未经烧制，即“未焙烧的”或“生坯的”陶瓷和玻璃制造的，先加工，后烧制。之所以采用这些材料，是由于它们具有机械整体性和能与电路结合的能力。在某些情况下，使用它们是因为它们具有耐高温特性。这些器件中，某些过去是由多层陶瓷结构制成的。
多层陶瓷制造方法是众所周知的。一般来说，该方法包括形成陶瓷和玻璃粉末与热塑性有机粘合剂和溶剂混合而成的膏状生料。将这种生料用刮刀刮到一个支架上。在高蒸气压力溶剂挥发和从支架上取下后，可以将如此形成的陶瓷带进行机械冲压以制成粘土状的、未烧制的陶瓷层。使用机械冲压或激光冲压操作在未烧制陶瓷层中形成多个通孔，接着用金属膏填充这些通孔。还采用丝网印刷方法用金属膏在未烧制陶瓷层的表面上形成一定的图案。
将许多这样的未烧制陶瓷层堆叠在一个定位夹具中并压缩。在这些条件下未烧制陶瓷层中的热塑成分可以流动并将各层结合在一起以形成一个未烧制叠层。将未烧制叠层进行高温烧制使得其中的有机成分挥发，陶瓷/金属组分密度增高，继而形成烧制的叠层。精确地控制未烧制叠层的增密以在最终的多层陶瓷器件中获得所需的烧制尺寸。
在多层陶瓷中需要通道或沟槽的地方，可以通过在将占据叠层内部位置的未烧制层中机械冲压孔或激光加工孔来制造通道或沟槽。Dubuisson等人(U.S.P.N.4,859,520，1998年8月22日授权)公开了在大功率器件用单片衬底中使用这种通道循环冷却流体。Crawford等人(U.S.P.N.5,199,165，1993年4月6日授权)公开了一种具有与热管一体的多个内部通道的多层陶瓷件。如果需要保持表面的平整度，在这两个专利中的这种通道必须深埋在陶瓷封装内。这是由于在压缩过程中层压步骤的特性和未烧制层中热塑性成分的流动特性而使然。
在层压过程中，在大约75℃的升高温度下在未烧制叠层上施加500psi至2000psi量级的压缩应力。在这些条件下未烧制层中的热塑性聚合物(例如聚乙烯醇缩丁醛)会流动，使得各个未烧制层相互粘结，并使未烧制层形成在在金属膏图案周围。除了将各个未烧制层结合成相互粘结的未烧制叠层之外，层压步骤还决定了未烧制叠层的密度，进而决定了在烧制过程中的收缩量和烧制后叠层的尺寸精度。未烧制叠层的密度应当均匀以防止在烧制中产生不同的收缩。
多层陶瓷模块中的垂直空腔可以利用插入物分层以将层压作用力传递到空腔的下表面。这种技术无法与通道一起使用，因为未烧制层的各层必须在烧制之前对准和压缩。这意味着这些通道是完全封闭的，因此无法使用插入物。压缩力和重力一起对在烧制之前呈柔软状态的无支撑未烧制层施加内部应力。在通道接近顶层和底层表面的地方这个效应最为明显。在层压中作用在外面未烧制层上的压缩力和重力在近表面通道上面的烧制使叠层外部产生弯曲变形，表现为凹陷和非平面区域，或不利的非平面性。随着通道接近表面，这些不利的非平面性变得尤其明显；例如，当通道的宽度超过通道上面的层的厚度时。
随着使多层陶瓷器件体积缩小以应用在需要较宽的通道和较薄的层厚的地方，以及在需要这些器件支承需要粘结到更平直和更平整的表面上的集成电路的地方，这个问题变得更加严重。
与此同时，为了满足在要求耐高温性以运送熔融焊料和薄层以增大磁效应的多层陶瓷器件中具有近表面通道的需要，已经开发出新的技术，如Tsung Pan等人(USPN-5,779,971，1998年7月14日授权)所公开的。
在这些情形下，通道的尺寸继续收缩，这意味着顶层和底层的变形会使通道中流体的流动减弱到使所附着器件的性能受到不利影响并且该器件可能变成不能工作的程度。
长期以来人们一直在寻找解决这些问题的方法，但是本领域技术人员在相当长的时间里没有如愿。同样，长期以来人们也深知随着技术的进步这个问题将变得更加严重，因此，长期以来人们一直在苦苦寻求解决办法。
本发明公开本发明提供一种具有加工和烧制的上下生坯陶瓷层的多层陶瓷器件及其制造方法。将中间的生坯陶瓷层加工，层压，并烧制以形成一个封闭层。将相互接触的层的区域涂上粘结剂。将这些层对准并粘结在一起以形成一种具有任意形状的、与顶层和底层相邻的内部通道的结构，该顶层和底层不易产生不利的不平整性。
本发明还提供使用替换材料，例如玻璃、硅和硅石构成顶层、底层和中间层的一种方法。对于本发明来说，对顶、底和中间陶瓷层的提及包括这些替换材料。
本发明还提供包含内部近表面通道的一种多层陶瓷器件，其中预烧制的顶层和底层在最终组装之后保持平直。这种多层陶瓷器件的中间层可以采用常规的多层陶瓷技术或常规的复合/厚膜技术以及本领域技术人员熟知的其它技术来制造。
本发明还提供具有不会由于陶瓷顶层和底层变形而易发生尺寸收缩的通道的一种多层陶瓷器件。
本发明还提供一种熔融合金用喷射器，其中喷射器由许多烧制的陶瓷层构成，这些陶瓷层限定用于运送合金的通道，所述合金通过顶层和底层的小孔喷出。这种喷射器是经过以下步骤制成的，即形成多个生坯陶瓷层并覆盖一层导电材料层，层压和烧制这些陶瓷层以构成一个中间子组件，最后将预烧制的顶层和底层与所述子组件粘结在一起。
本发明还提供一种导电流体用喷射器，其中所述喷射器由许多烧制的陶瓷层构成，这些陶瓷层限定了用于运送所述流体的通道，所述流体从顶层和底层的小孔中喷出。
本发明还提供用于循环冷却流体的一种排热器，或抽取器，其中抽取器由许多烧制的陶瓷层构成，所述陶瓷层限定了用于运送热抽取流体的通道，所述流体从顶层和底层的小孔流出。
通过阅读以下结合附图所作的详细描述，本领域技术人员可以清楚地理解本发明的上述和其它优点。


图1(现有技术)表示放置在压缩夹具中的一个多层陶瓷器件的横截面；图2表示在共同烧制之后的现有技术多层陶瓷器件的横截面视图；图3表示在粘结和构成本发明的最终多层陶瓷器件之前的陶瓷部件的横截面视图；和图4表示在将单个部件连接到一起之后的本发明多层陶瓷器件的横截面视图。
实现本发明的最好的方式现在参见图1(现有技术)，其中表示了处于水压机上下夹具12和14之间的装配状态的一个多层陶瓷构件或器件10。
多层陶瓷器件10具有宽陶瓷顶层16和底层18，以及宽陶瓷中间层19和20。应当理解，所示为多层陶瓷器件10的水平宽度，陶瓷层16、18、19和20可具有比所示宽度和厚度更大的长度。
所述多层陶瓷器件10具有将陶瓷顶层16与陶瓷中间层19分隔开的陶瓷中间层22和24。陶瓷中间层26和28将陶瓷中间层20与陶瓷底层18分隔开。陶瓷中间层中通常备有正方形或长方形开口，尽管蛇形开口也是可能的。在所示构造中，多层陶瓷器件10具有由各种陶瓷层构成的通道32、34、36和37。图中表示了这些通道的宽度和高度。
例如，尽管由于多层陶瓷器件10可以用于许多不同位置，所以顶层和底层是相对的，但是陶瓷层16限定了室32和34的顶部，而陶瓷中间层19限定了室32和34的底部。如果只形成单通道结构，则陶瓷中间层19可以形成结构的底部。中间层22和24有效地限定了通道32和34的侧壁及其高度。当装配到一起作为一个子组件时，中间层19和中间层22和24可以形成一个封闭层。该封闭层和陶瓷顶层16限定了室32和34。应当指出，给定的陶瓷中间层，例如中间层22，可以作为其中带有细长封闭垂直开口的单件来构成，该开口可以作为短通道或通孔。
陶瓷底层18备有分别与通道36和37相连的小孔38和39。当多层陶瓷器件10是熔融合金喷射器时，因为受控的熔融金属滴将通过小孔38和39喷射出去，所以这些小孔38和39是极其重要的。
现在参见图2所示的现有技术，图中表示了分别在水压机(未示出)的上和下夹具12和14之间在500psi至2000psi之间的压力和约75℃温度下压缩之后的现有技术多层陶瓷器件10A。图中表示出陶瓷顶层16A和底层18A向内弯曲变形造成了外表面上不利的非平面性。图中还表示了变形的小孔38A和39B，这是现有技术的另一个缺点。当顶层16A或底层18A的厚度与直接相邻的通道的宽度的高宽比小于1∶1时，即如果顶层或底层比通道的宽度薄时，这个问题更加严重。
图中还表示了导电材料填充的孔或通孔40、42、44、46和48，它们把多层陶瓷器件10A的各个平面相互连通。这些导电材料通孔的开口通常是通过机械冲压或激光烧蚀在各种生坯陶瓷层中打孔而形成的。如在下文中所解释的，接着用一种可熔金属膏填充这些孔洞，在共同烧制过程中这些金属膏将与其它通孔内的可熔性膏体一起熔化。而且利用印刷方法在生坯层上覆盖导体52、54、56和58形式的可熔性金属膏，在层压和共同烧制过程中这些金属膏又与导电通孔40、42、44、46和48中的导体一起熔化形成固体导体。虽然没有与其它导体或通孔导电连通，导体58也熔化到通孔46中。
应当理解，利用各种机加工步骤处理各种陶瓷层以实现导电材料的厚膜覆盖，压缩操作有助于熔化导电材料和将需要隔离的区域隔离开来。一个示例就是将通孔46和导体58与通孔44和导体56隔离开来。
现在参见图3，图中表示本发明的多层陶瓷器件10B，其具有陶瓷顶层16B、陶瓷底层18B、和一个子组件或封闭层66。陶瓷顶层16B、陶瓷底层18B、和封闭层66已经作为单件烧制好了。在组装它们时将要接触的区域涂有粘结剂70。这种粘结剂可以是陶瓷烧结材料、环氧树脂、铜焊材料、或用于将表面粘结在一起的其它材料。与图2中所示相同的其它部件具有相同的部件编号。
现在参见图4，图中表示了本发明的多层陶瓷器件10B，其中陶瓷顶层16B和陶瓷底层18B已经与封闭层66粘结在一起。通孔40、42、46、和48与导体52、54、56、和58已经进行了烧制以使它们在需要的地方都是电连接和机械连接的。
在图2(现有技术)所示的现有技术多层陶瓷器件10A的制造过程中，使用了生坯陶瓷层。这些生坯陶瓷层一般具有足以自支承的刚度。这里之所以使用生坯陶瓷是因为它比烧制的陶瓷软，因而易于采用常规的制造工具进行加工。例如，可以比较容易地钻或冲压通孔，并且可以使用厚膜印刷技术覆盖导电材料。类似地，在生坯陶瓷上也易于进行其它加工方法例如激光烧蚀和研磨。
如图1(现有技术)所示，在导电金属放入各个通孔和将导体放入各个通道中之后，将各种陶瓷层对准，然后利用水压机中的夹具12和14对其进行压缩，并烧制。生坯陶在层压过程中瓷层中的有机粘结剂在压力作用下流到一起。在烧制过程中有机粘结剂燃烧掉，陶瓷层烧结成一体的陶瓷器件。与此同时，烧制使可熔金属膏熔化以在需要之处电连接和机械连接。
在图2所示的现有技术的多层陶瓷器件10A中，在压缩过程中来自水压机的夹具12和14的压力以及重力产生了内应力。只要层厚度与通道宽度的高宽比小于1∶1，在陶瓷顶层16A和底层18A中的内应力就通过使陶瓷顶层16A和18A发生弯曲变形表现出来。于是这些层是非平面的，并且在顶表面和底表面具有不规则的凹陷。
多层陶瓷器件10A中的这种弯曲变形可以达到这样的程度，使得该器件无法用于在陶瓷顶层16安装某些类型的集成电路，该顶层要求的平整度在每英寸0.002英寸以内。此外，通道32、34、36、和37的尺寸可能缩小到这种程度，即使经过这些通道的流体受到阻塞，进而使得陶瓷器件10A不能执行应有的功能。例如，用于冷却安装在陶瓷层16A和18A表面上的集成电路的冷却流体会减少到使集成电路(未示出)可能发生过早出现故障的程度。类似地，熔融合金喷射器(未示出)用的熔融合金无法向印刷电路板的某些位置提供焊料。
同样，如果使用现有技术构件，通道32、34、36和37的孔径可能减小到这样的程度，即使得其中熔融金属的摩擦可能增加到使上述Tsung Pan等人专利的磁场可能不足以提供必要的流量以提供适当计量体积的熔融金属的程度。
如图4所示，在本发明的多层陶瓷器件10B的制造过程中，生坯陶瓷层16B、18B、19和20以及中间层22、24、26和28的形状是冲压成形的，其中冲压出通孔。然后用金属膏填充这些通孔，并在层上印刷同样的金属膏。然后分别压缩各个生坯层以使金属膏与各层表面齐平。
由于层薄，所以在垂直表面附近印刷的金属膏会粘连到这些表面上。因此，在需要熔融合金喷射器的地方，有可能在通道32、34、36和37的顶部、侧壁和底部放置金属层以减少摩擦效应或促进通道表面的湿润。
在准备好生坯陶瓷层后，将陶瓷层16B和18B平放在焙烧炉内的表面上进行烧制，使得不会由层压工艺或重力产生内应力。这样就消除了不利的非平面性，使得烧制的陶瓷层16B、18B都是完全平面的，或者平整度在每英寸0.002英寸之内。
在优选实施例中，制成内生坯层和中间层，例如中间层22、24、26和28以及层19和20，并利用插入物，将各层组装、对齐、压缩和烧制以构成子组件或封闭层66。在形成封闭层66的同时，可通过将插入物放在合适位置以支撑陶瓷中间层19和20来将通道32、34、36和37压缩。可以控制所需的子组件生坯密度，使得单层和多个叠层能够在较低压力下结合和层压。这个压力应当足以实现所需各层的粘结，但是没有大到足以改变承受负荷的那些区域的密度。
然后，利用粘结剂70将封闭层66与陶瓷顶层16B和底层18B粘结在一起。可以使用上面刚刚描述的这种多层压技术制造由多个多层陶瓷构件组成的复杂的、多层陶瓷器件。这些构件可以具有多个近表面通道，并仍然具有极其平整的外表面。
关于粘结，可以使用许多种不同的技术。粘结剂70包括例如黄铜、青铜的铜焊材料、或助熔剂中的银合金、真空固化胶、环氧树脂或陶瓷烧制材料。在优选实施例中，已经烧制的陶瓷层的接触区域可以用镀镍的共烧制钨进行金属喷镀。然后用铜焊材料例如Cusil，一种铜银合金涂在封闭层的接触区域。这样使得每一层都可以单独烧制和组装，或将各个部分烧制、层压和作为子组件进行烧制，然后组装成一个完整的构件或器件。这些铜焊技术对于本领域技术人员来说是熟知的。
由于陶瓷层16B和18B已经在先烧制，所以它们能够非常薄，而且当组装到最终的多层陶瓷器件10中时仍是平直的。
虽然已经结合具体的最佳模式介绍了本发明，但是应当理解，根据前面的描述，本领域普通技术人员显然可以作出许多替换、变型和变化。因此，本发明应当包括所有符合后附权利要求的精神和范围的这种替换、变型和变化。这里所述的和在附图中所示的所有内容都应当解释为说明性的和非限定性的。
权利要求
1.一种陶瓷构件(10B)，其由多个烧制的生坯陶瓷层(16B，66)构成，并具有形成在其中的通道(34)，所述陶瓷构件包括限定所述通道(34)顶部的顶层(16B)和限定所述通道(34)其余部分的封闭层(66)，所述顶层(16B)在所述陶瓷构件(10B)组装过程中和在组装之后易产生不利的非平面性，所述构件包括所述顶层(16B)，其由在组装前在无应力平面位置烧制的生坯陶瓷制成，其消除了不利的非平面性；所述封闭层(66)，其由在组装前在无应力平面位置烧制的生坯陶瓷制成；和一种粘结剂(70)，其施用在所述烧制的顶层(16B)和所述烧制的封闭层(66)的接触区域上，在所述组装过程中所述粘结剂(70)将所述烧制的顶层(16)和所述烧制的封闭层(66)的所述接触区域粘结在一起，从而所述陶瓷构件(10B)的所述顶层(16B)在所述组装过程中和之后都是平整的。
2.如权利要求1所述的陶瓷构件(10B)，其特征在于所述通道(34)具有预定宽度；和所述顶层(16B)具有小于所述通道(34)的所述预定宽度的厚度。
3.如权利要求2所述的陶瓷构件(10B)，包括限定所述通道(36)的侧面的中间层(24)，该中间层由生坯陶瓷制成；和限定所述通道(34)底部的底层(19)，该底层由生坯陶瓷制成，所述底层(18B)通过压力和烧制与所述中间层(24)粘结在一起以构成所述封闭层(66)。
4.如权利要求3所述的陶瓷构件(10B)，其特征在于所述顶层(16B)具有形成在其中的开口，所述开口在烧制之前形成在所述生坯陶瓷中。
5.如权利要求4所述的陶瓷构件(10B)，包括在烧制之前布置在所述顶层(16B)的所述开口中的金属材料(40、42、46)，所述金属材料与所述顶层(16B)一起进行烧制。
6.如权利要求5所述的陶瓷构件(10B)，包括在烧制之前布置在所述各层(16B、66、18B)之一上的金属层，所述金属层与所述陶瓷层一起烧制。
7.如权利要求6所述的陶瓷构件(10B)，其特征在于所述金属材料和所述金属层一起烧制，从而使所述金属材料(40、42、46)与所述金属层(54、58)熔合在一起。
全文摘要
一种多层陶瓷构件(10B),其具有加工和烧制的上和下生坯陶瓷层(16B、18B)。中间生坯陶瓷层(66)经过机加工,在加工区域上布置有导体(52、54、56),并经过层压和烧制以形成一封闭层(66)。各层(16B、66、18B)中彼此相互接触的区域都涂有一种粘结剂(70)。将各层(16B、66、18B)对准并粘结以构成具有与顶层(16B)和底层(18B)相邻的任意形状的内通道(32、34、36、37)的一个构件(10B),所述顶层和底层不易产生不利的非平面性。
文档编号H05K1/03GK1261026SQ99117990
公开日2000年7月26日 申请日期1999年8月20日 优先权日1998年11月20日
发明者C·C·查奥, D·J·米勒, H·A·范德普拉斯 申请人:惠普公司