一种散热基板及其制作方法与流程

本发明属于大功率器件用散热基板制造领域，具体涉及一种散热基板及其制作方法。

背景技术：

随着大功率器件（大功率激光器芯片、大功率半导体模块、大规模集成电路、超高功率led）电流密度的进一步增加，对器件的散热能力提出更高的要求，常规的通过高热导率基板被动散热已经不能满足要求，需要寻求更高散热效率的新兴方案。叶片式风冷散热也是一种常规的散热结构，是采用机械加工制作出叶片式结构，并焊接（粘接）在散热基板表面，通过空气对流将热量带出，这种散热基板已经普遍应用于大功率led等的散热，但是散热效率有局限性。微通道散热结构是在散热基板内制作具有一定轨迹的微通道，采用液体物质按照特定轨迹将热量快速带出，散热效率高。微通道结构的基材可有陶瓷基和金属基，陶瓷基材微通道稳定性好，但是制备难度大，内部通道不够平滑，难以制备出复杂微通道结构。

技术实现要素：

基于此，本发明提供了一种散热基板的制作方法，采用直接覆铜工艺将多层铜片堆叠在一起制备出结构复杂的微通道结构，覆铜过程中各层铜片保持原有结构，且各层铜片间结合紧密、强度高，满足高压液体压强要求（≥0.5mpa）；同时，选择铜材制备的微通道具有超高热导率（铜热导率仅次于银），散热效率极高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种散热基板的制作方法，主要包括以下步骤：

a、清洗铜片表面，设计每层铜片图形同时设定定位孔，以便堆叠时各层镂空部分能够准确贯通；

b、刻蚀步骤a中的铜片，制得带有目标镂空图形的铜片；

c、清洗所述带有目标镂空图形的铜片，对清洗后的铜片的两面进行预氧化，使铜片两面均形成氧化层；

d、将预氧化后的铜片堆叠后平铺于承烧板上并对铜片定位后，烧结；

e、将烧结后的基板进行表面及内部镀金处理，制得散热基板。

本发明的制作方法是利用铜-氧共晶反应实现多层铜片中铜片与铜片之间的结合，在铜即将融化时将相邻两层结合在一起。本发明选择热导率极高的高纯无氧铜，采用直接覆铜工艺将铜片多层堆叠烧结在一起，形成内部含有微通道的散热基板，该散热基板为微通道水冷散热基板，该散热基板性能优异，加工难度低，易于实现批产。

进一步的，步骤a中，所述铜片的厚度为0.1~0.4mm。铜片的厚度可以选择不同的厚度进行自由的搭配。

进一步的，步骤a中和步骤c中的清洗过程相同，均为先碱洗后酸洗。本发明中采用碱洗去除铜片表面的油污，再采用酸洗去除铜片表面的氧化层。

优选的，所述碱洗所用的碱液中氢氧根浓度为0.002mol/l~0.5mol/l，碱液温度为30~60℃，所述碱洗采用喷淋清洗，清洗时间为1~10min。

优选的，所述酸洗所用的酸液中氢离子浓度为0.002mol/l~0.5mol/l，酸液温度为30~60℃，所述酸洗采用喷淋清洗，清洗时间为1~10min。

进一步的，步骤b中，所述刻蚀采用湿法刻蚀，所述湿法刻蚀采用酸液对铜片进行刻蚀，刻蚀药水体系可选用盐酸、氯酸钠体系和盐酸、双氧水体系进行。根据多层微通道流通结果设计每层铜片的图形，采用湿法刻蚀在每层铜片上形成目标镂空图形。不同铜层镂空结构根据需要自由选择组合，从而得到不同的微通道结构的散热基板，这里不做具体的限定。

进一步的，所述预氧化为热氧化在铜片的两面同时形成氧化层，所述热氧化的温度为300~900℃，氧含量为50ppm~1000ppm。在铜片的两面同时形成氧化层时，确保铜片两面氧化层的厚度均匀一致。

进一步的，步骤d中，所述定位通过定位销插入所述铜片上的定位孔实现铜片在所述承烧板上的定位，其中，所述定位销和所述承烧板均采用碳化硅陶瓷、氮化硅或氮化铝陶瓷制成，所述承烧板的厚度为0.5~3mm。定位销和承烧板的材料应当是使用稳定、耐高温且与铜和铜氧化物润湿性能差的材料，因此，本发明优选了碳化硅陶瓷、氮化硅或氮化铝陶瓷制成的定位销和承烧板，从而确保在高温烧结过程中，铜片的氧化层与承烧板不会反应烧结在一起，解决了烧结键合过程中铜片与承烧板出现粘连或粘合的问题。优选的所述承烧板的厚度为0.5~3mm。

进一步的，步骤d中，所述烧结的工艺参数为：温度1055~1075℃，保温时间1~15min，氧含量为0ppm~200ppm。

本发明的另一个目的在于提供采用上述制作方法制得的散热基板，堆叠形成所述散热基板的铜片为2~20片。

与现有技术相比，本发明的制作方法可以制作出内部含有复杂微通道的三维基板，通道可实现三维贯穿互联，多层铜片键合界面结合紧密。通过本发明的制作方法制得的散热基板能够承受高压水压（≥0.5mpa）、气密性好（漏气率＜1×10^-8atm·cm³sec^-1），超高热导率的无氧铜可以将产生的局部热量快速传导到微通道液体中，实现优良的散热效果。

附图说明

图1为本发明散热基板烧结时的剖面结构示意图。

图中：1.承烧板，2.铜片，3.定位销。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

采用氢氧根浓度为0.2mol/l的氢氧化钠溶液喷淋清洗铜片，去除铜片表面的油，清洗时间为3min，氢氧化钠溶液温度为45℃；采用氢离子溶度为0.2mol/l的盐酸喷淋清洗除油后的铜片表面，去除表面的氧化层，清洗时间为3min，溶液温度45℃；

根据多层微通道流通结果设计每层铜片图形，采用组成为hcl和h2o2的刻蚀液对酸洗后的铜片进行刻蚀，在每层铜片形成目标镂空图形，刻蚀后褪除铜片表面感光保护膜；

对蚀刻好镂空图形的铜片采用氢氧根浓度为0.2mol/l的氢氧化钠溶液喷淋清洗铜片，去除铜片表面的油，清洗时间为3min，氢氧化钠溶液温度为45℃；采用氢离子溶度为0.2mol/l的盐酸喷淋清洗除油后的铜片表面，去除表面的氧化层，清洗时间为3min，溶液温度45℃；

将清洗后的铜片插入工装治具中，置入炉内进行热氧化，铜片两面接触含氧气氛，温度为800℃，炉内氧含量为150ppm，在铜片两侧形成均匀、致密氧化层；

将氧化好的铜片按照顺序依次堆叠，放置在氮化铝陶瓷承烧板上，采用氮化铝陶瓷定位销对多层铜片进行对位固定，相邻铜片的氧化层依次紧密贴合，经过网带烧结炉高温烧结，烧结炉温度为1055℃，保温时间5min，烧结炉内氧含量为10~50ppm；

烧结好的内部微通道散热基板外围切割，去除对位孔及毛刺，采用电镀工艺对其表面及内部微通道进行镀金，完成内部微通道散热基板的制备。

实施例2

采用氢氧根浓度为0.002mol/l的氢氧化钠溶液喷淋清洗铜片，去除铜片表面的油，清洗时间为10min，氢氧化钠溶液温度为30℃；采用氢离子溶度为0.002mol/l的盐酸喷淋清洗除油后的铜片表面，去除表面的氧化层，清洗时间为10min，溶液温度30℃；

根据多层微通道流通结果设计每层铜片图形，采用组成为hcl和h2o2的刻蚀液对酸洗后的铜片进行刻蚀，在每层铜片形成目标镂空图形，刻蚀后褪除铜片表面感光保护膜；

对蚀刻好镂空图形的铜片采用氢氧根浓度为0.002mol/l的氢氧化钠溶液喷淋清洗铜片，去除铜片表面的油，清洗时间为10min，氢氧化钠溶液温度为30℃；采用氢离子溶度为0.002mol/l的盐酸喷淋清洗除油后的铜片表面，去除表面的氧化层，清洗时间为10min，溶液温度30℃；

将清洗后的铜片插入工装治具中，置入炉内进行热氧化，铜片两面接触含氧气氛，温度为300℃，炉内氧含量为1000ppm，在铜片两侧形成均匀、致密氧化层；

将氧化好的铜片按照顺序依次堆叠，放置在氮化铝陶瓷承烧板上，采用氮化铝陶瓷定位销对多层铜片进行对位固定，相邻铜片的氧化层依次紧密贴合，经过网带烧结炉高温烧结，烧结炉温度为1065℃，保温时间15min，烧结炉内氧含量为0~20ppm；

烧结好的内部微通道散热基板外围切割，去除对位孔及毛刺，采用电镀工艺对其表面及内部微通道进行镀金，完成内部微通道散热基板的制备。

实施例3

采用氢氧根浓度为0.5mol/l的氢氧化钠溶液喷淋清洗铜片，去除铜片表面的油，清洗时间为1min，氢氧化钠溶液温度为50℃；采用氢离子溶度为0.5mol/l的盐酸喷淋清洗除油后的铜片表面，去除表面的氧化层，清洗时间为1min，溶液温度50℃；

根据多层微通道流通结果设计每层铜片图形，采用组成为hcl和h2o2的刻蚀液对酸洗后的铜片进行刻蚀，在每层铜片形成目标镂空图形，刻蚀后褪除铜片表面感光保护膜；

对蚀刻好镂空图形的铜片采用氢氧根浓度为0.5mol/l的氢氧化钠溶液喷淋清洗铜片，去除铜片表面的油，清洗时间为1min，氢氧化钠溶液温度为50℃；采用氢离子溶度为0.5mol/l的盐酸喷淋清洗除油后的铜片表面，去除表面的氧化层，清洗时间为1min，溶液温度50℃；

将清洗后的铜片插入工装治具中，置入炉内进行热氧化，铜片两面接触含氧气氛，温度为900℃，炉内氧含量为50ppm，在铜片两侧形成均匀、致密氧化层；

将氧化好的铜片按照顺序依次堆叠，放置在氮化铝陶瓷承烧板上，采用氮化铝陶瓷定位销对多层铜片进行对位固定，相邻铜片的氧化层依次紧密贴合，经过网带烧结炉高温烧结，烧结炉温度为1075℃，保温时间1min，烧结炉内氧含量为100~200ppm；

烧结好的内部微通道散热基板外围切割，去除对位孔及毛刺，采用电镀工艺对其表面及内部微通道进行镀金，完成内部微通道散热基板的制备。

将实施例1~3中制备的散热基板进行水压测试和气密性测试，其中，水压测试方法测试散热基板进出口压差变化，监控散热基板进水压力与出水压力，经过测试，散热基板能够承受高压水压＜（≥0.5mpa）；其气密性测试标准按照gjb548b方法1014.2，测得本发明中散热基板的漏气率＜1×10^-8atm·cm³sec^-1。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。