专利名称：一种低温共烧陶瓷基板内嵌微流管道的接口方法
技术领域：
本发明属于MEMS(微机电系统)封装技术领域，特别涉及LTCC(低温共烧陶瓷)基板内嵌微流管道接口方法。
背景技术：
MEMS (Micro-electro-mechanical System)通常称为微机电系统，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理电路、控制电路、各种接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。电子机械系统的一体化集成，可从根本上解决信息系统的微型化问题，实现许多以前无法实现的功能，将推进信息获取、信息处理、信息操作等的协调发展。MEMS封装为MEMS器件集成提供一个互连和支撑的平台和工作环境，是MEMS产品功能实现的关键环节之一。 MEMS产品的应用范围广泛，涉及各个领域，其中有一类涉微流体的MEMS产品，如化学MEMS、生物MEMS、医学MEMS等，这类MEMS器件中有各种微流试剂作为检测和分析的对象(如化学溶液或血液样品等)或工作物质(如燃料或油墨等)。还有就是微电子芯片和器件，如三维叠层芯片、大功率电子器件等，由于集成密度不断提高和功率不断增加，热流密度亦不断增加。特别是高密度封装体的中心部位，由于离边界远，热阻较高，容易形成高温热点，导致系统功能失效甚至损坏。利用传统的散热方式如散热片和风冷等对高密度大功率微系统封装体的散热效果并不理想，需要用到液冷的散热方式。微管道液冷散热是目前高密度大功率的高端微系统比较普遍采用的散热解决方案。LTCC(低温共烧陶瓷)基板由多层生瓷片堆叠共烧而成。由于共烧温度低(900°C左右)，可以与低电阻率导体布线材料(如Au、Ag、Cu等)共烧，实现精细化布线和多层立体互连。LTCC基板具有闻频闻Q特性，适用于闻频电路和微波电路；基板可内嵌电阻、电容、电感等无源元件，提高集成密度；LTCC基板还具有良好的温度特性，导热良好；并具有良好的机械特性和化学特性，可耐高温腐蚀等恶劣环境。另外很重要的一点是，LTCC基板是先在生瓷片上机械加工，后叠压并烧结而成的，由于生瓷片质地柔软，方便机械切割和冲孔，所以可以在基板内加工出微腔体和微管道，为MEMS封装带来便利。由于LTCC基板的上述优良特性，其不仅在基板级系统的电路封装方面有很大优势，而且在微流体封装方面也有广泛的应用前景。目前应用LTCC技术制作内嵌于基板的微流管道的方法和技术已经较为成熟，但针对基板与基板之间、基板与外部系统之间的微流管道接口的方法和技术还不够完善和成熟，离标准化还有很大的差距。目前已有的文献中针对LTCC基板微流管道与外部的接口方法，主要有以下两种一种是使用环氧树脂、聚乙烯醇胶等粘合剂将金属微管或有机塑料微管与LTCC基板粘接。这种方法虽然简单，但是由于基板微流管道尺寸较小(O. Imm量级)，在粘接过程中难以定位和固定，而且微管道口容易堵塞，导致加工的操作难度大，甚至因微管道堵塞而使基板废弃，不适合大规模加工生产。另一种方法是在LTCC基板上焊接金属微管，首先在基板表面制作金属焊盘，然后用焊料将金属焊盘与金属微管进行焊接。这种方法同样是定位难，操作不方便，而且由于金属微管与基板的接触面小，焊接处应力大，机械可靠性差。上述两种接口方法还有一个共同的问题是，接口的连接是固定的、永久的连接，不能方便地插拔和拆卸，不适用于需要频繁更换微管的系统(如医学检测用一次性微管)。
发明内容
本发明的目的在于针对现有LTCC基板内嵌微流管道接口方法的缺陷，提出一种适用于LTCC基板内嵌微流管道的接口方法，以实现LTCC基板微流体系统与外部方便可靠连接。本发明的LTCC基板内嵌微流管道的接口方法，在LTCC基板表面制作金属化环形焊盘环绕微流管道口，然后将内壁具有密封螺纹的金属套环焊接在金属化环形焊盘上，同时选择合适外径的连接管，在其管头外壁加工出与金属套环内壁密封螺纹相匹配的密封外螺纹，将该连接管与金属套环通过密封螺纹旋拧连接，即可实现基板内嵌微流管道与外部的方便可靠连接。上述接口方法中，金属化环形焊盘的制作方法有如下两种一种是共烧工艺，根据设计图纸在生瓷片上印刷厚膜金属浆料，然后与生瓷片一起共烧，在基板烧结的同时形成金属化环形焊盘；另一种是后烧工艺，在烧结后的基板的微流管道口周围印刷厚膜金属浆料，然后再烧结成金属化环形焊盘。其中，制作环形焊盘的浆料可以是金、银、铜、锌等金属浆料或它们的混合浆料。制作环形焊盘的金属浆料印刷方法可以是丝网印刷、掩模印刷或流延型印刷等方法。上述接口方法中，在金属套环内壁制作密封螺纹要根据需要达到液体密封或气体密封的效果，制作金属套环的金属材料可以为铜、铝、铝合金、可伐合金等。上述接口方法中，将金属套环焊接在LTCC基板的金属化环形焊盘上可以采用焊料焊、熔焊或钎焊等焊接方法。 上述接口方法中，所述连接管可以是金属管或有机塑料管等。本发明中内嵌微流管道的LTCC基板接口方法的优点在于A)由于金属套环的尺寸相对连接管大些，与基板焊接方便，而且可以改善微流管道接口处的应力承受能力，提高接口的机械强度和可靠性；B)由于采用了密封螺纹，既可以实现连接的密封性，又可以使连接管的安装、拆卸和更换简单方便；C)该连接方法只需金属套环的内螺纹和连接管的外螺纹机械咬合即可，对连接管的材料属性要求小，既可以是金属材料，也可以是有机塑料或者其它材料。
图I是本发明LTCC基板微流管道与外部连接微管连接结构示意图。图2是本发明实施例ILTCC基板液冷散热系统剖面示意图。图3是本发明实施例2LTCC压力传感器剖面示意图。其中I——LTCC基板 2——带内螺纹的金属套环 3——带外螺纹的连接微管4—微流管道 5—焊料6—发热电子元器件
7——应变电阻 8——微腔体
具体实施例方式根据本发明的接口方法中，将LTCC基板微流管道与外部连接微管连接后的结构如图I所示，LTCC基板I内嵌微流管道4，带内螺纹的金属套环2焊接在微流管道口的金属化环形焊盘上，该金属套环2再与带外螺纹的连接微管3旋拧在一起。下面结合附图，通过不同的微流管道应用实例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。实施例I采用本发明中的接口方法实现LTCC基板微流管道液冷散热系统的外部连接。参见图2，LTCC基板I内的微流管道4输运散热剂对LTCC基板I表面贴装的发热电子元器件6进行散热致冷，微流管道4内流动的散热剂通过连接管3输入和输出。根据下述方法完成该结构的制备I、采用叠层共烧的方法加工出内嵌微流管道4的封装基板1，包括下述步骤 I)整体设计LTCC基板I封装系统，绘制出各层的设计图纸，图纸中包括各层布线、过孔、金属化环形焊盘、微流管道、内埋器件的位置布局等；2)根据图纸加工各层LTCC生瓷片，其中，金属布线、垂直过孔、金属化环形焊盘等的制作采用印刷浆料方法，微流管道的制作采用机密机床微机械切割或激光切割的方法；3)采用等静态叠压的方法将各层加工好的生瓷片堆叠在一起，然后在烧结炉中共烧成一体化的基板，微流管道4内嵌于基板体内。在基板叠压和烧结的过程中可填充石墨、石蜡、松香等牺牲层材料，以防止内嵌微流管道在基板叠压和烧结过程中变形或崩塌。2、制作带密封内螺纹的金属套环2。3、将金属套环2焊接在基板微流管道口的环形焊盘上，微流管道口的环形焊盘可以在按照步骤I的共烧工艺制作，也可以在步骤I之后，再印刷金属浆料图形，采用后烧工艺制作；焊接采用低温焊料5焊接。4、表面贴装电子元器件6。5、在连接微管3上加工出与金属套环2匹配的外密封外螺纹。6、将连接微管3与金属套环2旋拧连接，连接微管3又与输运散热剂的微泵相连。通过散热剂在基板微流管道4中流动循环，对表面贴装的发热电子元器件6起到散热致冷的效果。实施例2采用本发明中的接口方法实现LTCC压力传感器与被测流体系统连接。参见图3，LTCC基板I内具有微腔体8，微腔体8内的流体通过微流管道4和连接微管3与外界的被测流体系统连通，在微腔体8上的LTCC膜表面具有应变电阻7，用以感知微腔体8内的流体压力。根据下述方法制备该结构I、先采用叠层共烧的方法加工出内嵌微流管道4的封装基板1，包括下述步骤I)整体设计LTCC基板I封装系统，绘制出各层的设计图纸，图纸中包括各层布线、过孔、金属化环形焊盘、微流管道、微腔体、内埋器件的位置布局等；2)根据图纸加工各层LTCC生瓷片，其中，金属布线、垂直过孔、焊盘等的制作采用印刷浆料方法，微流管道和微腔体的制作采用机密机床微机械切割或激光切割的方法；
3)采用等静态叠压的方法将各层加工好的生瓷片堆叠在一起，然后在烧结炉中共烧成一体化的基板，微流管道4和微腔体8内嵌于基板体内。在基板叠压和烧结的过程中可填充石墨、石蜡、松香等牺牲层材料，以防止内嵌微流管道和微腔体在基板叠压和烧结过程中变形或崩塌。2、在基板I上制作应变电阻7。采用丝网印刷的方法印刷应变金属浆料，在步骤I中共烧或步骤I之后采用后烧工艺制成。3、制作带密封内螺纹的金属套环2。4、将金属套环2焊接在基板微流管道口的金属化环形焊盘上。微流管道口的金属化环形焊盘可以在按照步骤I的共烧工艺制作，也可以在步骤I之后，再印刷金属浆料图形，采用后烧工艺制作；焊接采用低温焊料5焊接。5、在连接微管3上加工出与金属套环2匹配的外密封外螺纹。
6、将连接微管3与金属套环2旋拧连接，连接微管3与被测流体系统连通，微腔体8中的流体(液体或气体)压力使腔体上表面LTCC膜层发生应变，进而改变应变电阻7的阻值，使之成为一个压力传感器。另外，本发明的接口方法还可以用于LTCC基板与基板之间的互连，使多块基于LTCC基板的流体封装微系统连通,形成微流体系统PoP (Package on Package)结构。这种接口方法基于微流体系统的传感器和生物、医学、化学MEMS中将有很大的应用价值。虽然本发明的描述参考了有限的实施例，但是本领域普通技术人员应该从中认识到各种修改和变化，并应该理解所附权利要求覆盖了所有这些修改和变化，它们都位于本发明的实际精神和范围之内。
权利要求
1.一种低温共烧陶瓷基板内嵌微流管道的接口方法，在低温共烧陶瓷基板表面制作金属化环形焊盘环绕微流管道口，然后将内壁具有密封螺纹的金属套环焊接在环形焊盘上，同时在连接管管头外壁加工出与金属套环内壁密封螺纹相匹配的外螺纹，最后将连接管与金属套环通过密封螺纹旋拧连接。
2.如权利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用共烧工艺制作金属化环形焊盘根据设计图纸在低温共烧陶瓷生瓷片上印刷金属浆料，与生瓷片一起共烧，在基板烧结的同时形成金属化环形焊盘。
3.如权利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用后烧工艺制作金属化环形焊盘在烧结后的低温共烧陶瓷基板的微流管道口周围印刷金属浆料，然后再烧结成金属化环形焊盘。
4.如权利要求2或3所述的接口方法，其特征在于，所述金属浆料是金、银、铜或锌的浆料或是它们的混合浆料。
5.如权利要求4所述的接口方法，其特征在于，制作金属化环形焊盘时采用丝网印刷、掩模印刷或流延型印刷方法印刷金属浆料。
6.如权利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用焊料焊、熔焊或钎焊的方法将金属套环焊接在环形焊盘上。
7.如权利要求I所述的接口方法，其特征在于，采用铜、铝、铝合金或可伐合金制作金属套环。
8.如权利要求I所述的接口方法，其特征在于，所述连接管是金属管或有机塑料管。
全文摘要
本发明公开了一种低温共烧陶瓷基板内嵌微流管道的接口方法，在基板表面制作金属化环形焊盘环绕微流管道口，然后将内壁具有密封螺纹的金属套环焊接在环形焊盘上，同时选择合适外径的连接管，在其管头外壁加工出与金属套环内壁密封螺纹相匹配的密封外螺纹，将该连接管与金属套环通过密封螺纹旋拧连接，即可实现基板内嵌微流管道与外部的方便可靠连接。
文档编号B81C3/00GK102815665SQ20111015105
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者曹瑞, 淦华, 金玉丰, 缪旻 申请人:北京大学