硕士论文范文——LED模组硅基板与散热微器件集成制造

硕 士 学 位 论 文LED模组硅基板与散热微器件集成制造Design and Fabrication of Silicon Based Micro Radiator for Light-emitting Diode Modules 作 者 姓 名： 学科、 专业： 机械电子工程 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学Dalian University of Technology大连理工大学硕士学位论文摘 要制定实验步骤，利用搭建的测试系统对制作的微平板热管进行测试实验。对得到的实验数据进行处理得到微平板热管的温升曲线和当量导热系数，对相同尺寸的硅片进行测试作为对比实验。利用测试系统中的图像采集功能记录微平板热管工作时工质的运动图像。根据测试数据和采集的图像讨论微平板热管的沟道形状、沟道长度、蒸汽腔深度对微平板热管导热性能的影响。实验和测试结果验证了所研制微平板热管的有效性，采用硅-玻璃制作的热管的当量导热系数最大可以达到硅的当量导热系数的10.7倍。关键词：LED散热；平板槽道微热管；均热板；表面改性；测温实验- I -Design and Fabrication of Silicon Based Micro Radiator for Light-emitting Diode ModulesAbstractLED lighting technology is also known as the fourth-generation lighting technology, and it is known as energy-saving, environmental, long-life and small size, which is widely used in lighting, backlight, signal indication, decoration and screen display and other fields, having broad prospects for development. A lot of countries which are powerful in science and technology take a research in LED technology and start a drastic technology race. Chinese national planning has list LED lighting technology into Twelfth Five Year Plan and Mid-to-Long Term Plan. There is 70% input power of LED chip transformed into heat, so, it will increase the temperature and destroy the LED chip. Therefore, we need to design a simple and efficient cooling method to promote the development of the LED technology. Heat pipe is an efficient passive thermal conduction component based on the mechanism of phase change heat transfer, so it has higher thermal conductivity compared with the normal thermal conduction material. Micro flat heat pipe is a new heat pipe, it was created under the technology development of integrated circuit, and it can decrease the high temperature which will shorten the useful life of LED. Key Words：LED Cooling; Micro Flat Heat Pipes; Vapor Chamber; Surface Modified; Thermal Testing- 58 -目 录LED模组硅基板与散热微器件集成制造1摘 要IAbstractII1 绪论11.1 LED 散热技术11.2 微热管散热技术及发展现状11.2.1 微热管散热技术发展11.2.2 微热管性能提升方法11.3 均热板散热技术及发展现状51.4 课题研究背景及来源51.5 论文主要研究工作62 LED模组硅基板与平板槽道微热管的集成制造72.1 LED模组硅基板与平板槽道微热管设计和掩膜制作72.1.1 硅基LED基座设计和掩膜制作72.1.2 平板槽道微热管设计和掩膜制作82.2 平板槽道微热管管体加工工艺92.2.1 微槽道硅基板加工92.2.2 蒸汽腔盖片加工122.2.3 平板槽道微热管静电键合132.3 LED模组硅基板加工工艺132.4 硅-玻璃平板槽道微热管灌封152.4.1 二次抽真空灌封技术152.4.2 抽真空灌注冷焊封接方法162.4.3 气相温控灌封方法172.5 本章小结183 硅基微槽道表面改性微纳结构的研制193.1 微槽道结构和尺寸优化193.1.1 微槽道纵向结构和尺寸193.1.2 微槽道截面形状223.2 铜材料表面改性微槽道233.2.1 微槽道表面电铸铜柱233.2.2 硅片表面电铸铜微槽道253.3 石墨烯表面改性对毛细牵引力影响273.3.1 石墨烯纳米悬浮液制备273.3.2 硅微槽道沉积石墨烯实验273.3.3 硅微槽道石墨烯结合力测试303.3.4 硅微槽道石墨烯接触角测量303.4 本章小结314 LED模组硅基板与均热板的集成制造324.1 LED模组硅基板与均热板设计和掩膜制作324.1.1 硅基LED基座设计和掩膜制作324.1.2 平板槽道微热管设计和掩膜制作334.2 LED模组硅基板与均热板的集成制造工艺334.3 本章小结345 微热管和均热板的测试及结果分析355.1 测试设备355.1.1 面向微热管和均热板的测试结构设计355.1.2 测试平台组成及工作原理375.1.3 测试精度分析415.2 平板槽道微热管测试475.2.1 不同微槽道结构和尺寸47（1）梯形结构47（2）侧壁二级结构48（3）微槽道截面形状485.2.2 微槽道不同表面微结构49（1）微槽道电铸铜柱49（2）硅片上电铸铜微槽道515.2.3 微槽道石墨烯改性525.2.4 蒸汽腔高度545.3 均热板性能测试575.4 本章小结58结 论59参 考 文 献60攻读硕士学位期间发表学术论文情况61致 谢63大连理工大学学位论文版权使用授权书641 绪论1.1 LED 散热技术（将LED散热技术分类阐述）1.2 微热管散热技术及发展现状1.2.1 微热管散热技术发展1.2.2 微热管性能提升方法灌封随着现代科技的高速发展，电子器件变得功能更多，更小，且具有高功率。然而，电子设备。如大功率发光二极管（LED）和高密度集成电路（IC）的热流密度已经达到100W/cm2 1。因而热管理已经成为电子工业中一个最重要的问题之一。先进，影响这些器件发展的最重要限制是缺乏一个有效的设备讲狭小空间内的热量散出。采用MEMS加工的微热管从原理上可以解决这个问题2。自从1984年Cotter3提出了微热管的概念，很多学者致力于微热管理论和实验的研究，并将其应用很多领域。现在，由于工作空间比较固定，通常用由于工作区域有限，微热管通常采用MEMS工艺进行加工4。在加工过程中，如何在小空间中灌注工质非常重要。如何控制工质灌注率并且不损坏微热管真空度已经成为微热管加工过程的瓶颈。现有的灌注方法主要适用于金属微热管。陆龙生5在抽真空后灌注微热管。然而，在真空环境中工质很快蒸发而不能精确控制工质灌注率。Xiaowei Liu 4在灌注工质后将工质加热蒸发出多余蒸汽，而陆龙生5是在抽真空后将多余工质抽出。这两种方法能够实现微热管中的真空度，但也会被环境所影响，工质也会有损失。本文提出了两次抽真空灌注技术。第一次抽真空过程使得微热管空腔中完全灌注工质，第二次抽真空过程保证最终灌注比和真空度。实验与一个具有相同尺寸的硅片进行对比，来证明这种方法是可行的。微热管现今大功率发光二极管（LED）已经代替传统光源被广泛应用在发光领域。但只有30%LED输入功率用于发光，其余转变成热量。由热量形成的高热流密度，造成在一个热点上热量高度集中，这是LED产生故障和缩短寿命的主要原因1。同样的问题也发生在紧凑的电子系统中2-4。相变传热设备，例如热管和蒸汽腔可以为高密度热源提供一个高冷却效果，并且不会被移动。同时，作为一种积极的热交换器件，热管和蒸汽腔也可以提供最小温降。一些研究学者开始研究热管的制造方法。Xiaowei Liu 等人5采用硅湿法腐蚀工艺制造了两个不同长度的SOG微热管。Mahmood R. S. Shirazy et al.6研究了铜金属泡沫的毛细力和亲疏水性，这些特性可以被用于平板热管的毛细结构。Chan Byon et al.7 研究了非均匀和均匀的微柱毛细结构的毛细牵引力。和非均匀的毛细结构对比发现，沟道型的毛细结构和方形阵列的毛细结构分别提升了35%和31%的毛细牵引力。对微热管灌封后，需要进行测温实验来验证微热管是否能够实现理想的散热效果。B. Mathew et al.8发表了基于MEMS毛细结构换热器的传热情况。进行了传热实验，实验结果表明基于MEMS相变结构的毛细牵引力要比单相沟道热沉效果更好。Chen Wang et al.9在不同热流密度下测得了微热管的温度特性和热阻。此外，工质灌注率的影响也进行了测试。Yaohua Zhao et al.10进行实验研究了不同工质和灌注因素条件下微热管的启动时间、温度分布和热流密度情况。Zhonghai Hu et al.11搭建了微热管性能测试平台，研究了微热管的启动特性和均温性。但是空气对流对微热管散热影响在这两种方法里都被忽视了。Xiandong Liu et al.12 对工质和三角形微热管的传热进行了理论分析。Bin Du et al.13 搭建了太阳能热管集热器测试平台。M.E. Rojas et al.14在水平管内刻蚀了微槽道，对管内工质加热，从理论和实验两方面研究了工质两相流动情况。进行了水力热力开放微通道蚀刻在水平管外加热含理论和实验研究两相流内表面的流体的研究。MEMS微热管和以上热管不同，工质总体积较小且热载较低。因此MEMS微热管更适用于高热流密度、低功率的微小器件，例如LED和IC芯片。现今研究应该着眼于MEMS微热管的传热机理，因为MEMS微热管会体现出自身独特性能。另外，如果不在真空环境中测试微热管，外界散热情况会影响测试结果的准确度。本文为10WLED模组设计并制作硅-玻璃微热管。测温系统包括数据采集单元、真空腔、电源、冷却单元和微热管测试单元。真空腔用于减小热损失，微热管冷却段被放入恒温冷却水中。热流密度传感器用于检测蒸发段的输入功率。热电偶用于检测蒸发段和冷凝段温度。通过以上数据，可以计算出微热管的当量导热系数。石墨烯：为了快速减少碳排放，发光二极管（LED）代替白炽灯和卤素灯泡，越来越多的应用在灯泡领域。然而，大功率LED仍有很多问题，这些问题会影响LED的稳定性、可靠性和寿命。大约70-85%LED输入功率转化为热1，而LED这种冷光源似的问题更加严重。如果不能有效散热，LED的结温会高，将会改变LED峰值波长。此外，随着结温的升高，LED的寿命也会以指数形式降低。因此，热问题对LED的设计至关重要。Shen S. C. 3 用含有30%宝石粉末作为绝缘层填充，并将PCB和没有金属基板的平板微热管结合（PCB-FPHP）后可以提高有效导热性。实验结果表明，PCB-FPHP的热阻要比MCPCB-FPHP低36%。Zheng H. 4 采用高密度TiO2纳米颗粒和硅的混合物作为辅助封装层，这层材料在COB封装的LED主要封装层下面，来优化LED芯片的光学性能。同时，这层材料还减弱了热集中现象。Luo X. B. 5 研究了荧光体自发热现象对LED封装的影响。Chen I. Y. 6 研究了离子风冷对1W LED的散热，进行实验研究了角度、距离和电极布局对LED芯片热阻的影响。上述研究表明，热管和蒸汽腔具有高导电性、良好的散热能力和结构的灵活性，成为用于LED散热的较好选择之一。Ma J. et al. 7 测试了小尺寸蒸汽腔倾斜情况下的温度特性，以此来减小LED的热点现象。随着蒸汽腔倾斜角度从0到50变化，热阻和均温性最大变化了9.1%和4.5%。Ye H. 8 设计制作了具有温度传感器的硅基底和以聚合物为基底的环路热管 (LHP)。Tang Y. 9 设计了一种新型柱状微热管（CHP）用于大功率LED器件，42个大功率LED芯片直接贴在热管表面。实验结果表明，当电流是2800 mA时，CHP的Rj-a（从LED芯片到环境中）是1.65 oC/W。CHP上LED芯片的发光效率是66.23 lm/W，比传统铜管上的LED芯片高19.2%。然而，热管的性能还可以通过采用MEMS加工微阵列结构来提升。有选择性的改变热管表面能来提高毛细力，从而提升传热性能。铜柱近些年，如何采用主动和被动冷却方式减小大功率发光二极管（HP LED）的热阻、结温和热点影响已经被不同学者广泛研究，如封装设计1-4，热界面材料5，低热阻热沉材料6-9和冷却系统10-14。有效且热阻最低的散热和传热设备是具有蒸汽腔的热管，热管是一种两相传热设备，有着极好的散热和传热特性15, 16。微热管(MHP)广泛用于大功率电子设备的散热，这是因为它的体积可以与HP LED匹配。针对微热管做了许多相关工作。蒸汽腔的工作原理和传统微热管不同。当在蒸发段加热时，工质蒸发并移向没有加热的冷凝段。随后蒸汽冷凝并通过毛细结构和毛细阵列牵引流回蒸发段，以此循环。Wang J. C. 20采用铜、铝和内含纯水的青铜蒸汽腔分别用于4个LED芯片的散热，并进行了实验分析。结果表明，当输入功率为5W时，LED蒸汽腔的性能比LED铜板要好。当输入功率为6W时，LED铜板和LED蒸汽腔的实验热阻分别是0.41 C/W 和 0.38 C/W。Tsai M. C. 21设计了蒸汽腔散热器的原型，并测试了其性能。蒸汽腔的尺寸是90 mm 90 mm 3.5 mm，被插在加热块和水冷却板中间。在蒸汽腔散热器底部通过铝块中的筒形加热器加热，有效加热面积是12.7 mm 8.9 mm。散热器上表面贴合一个铝块，铝块和一个铜制冷却板贴合。当输入功率从5 W到50 W变化时，测试结果显示扩散电阻占总热阻比例最大。Meng K. 22证明了金属表面具有高表面自由能，是亲水的，可通过提升亲疏水性来提高微热管性能。铜具有很好的导热性，被广泛用作传热材料，并且可以部分或全面地改善表明性能。文献和实验表明铜可以提高硅微槽道的表明亲水性。本文采用电铸的方法在微热管的硅微槽道上加工铜柱，并对经过铜柱改性的微热管和为改性的微热管进行了性能测试。铜沟道近些年，很多科学家致力于研究采用主动和被动散热期间减小热阻、结温和热点对大功率LED的影响。在散热方面已有几点成果，包括封装设计1-4，热界面材料5，低热阻的热沉材料6-9和冷却系统10-14。现已知最有效且热阻最低的散热和传热设备是有蒸汽腔的热管，热管是一个两相传热设备，具有显著的散热和传热特性15, 16。选硅作为制造微热管的理想材料，为了提升微热管性能，很多学者设计了一系列的方法。Ye H 17采用湿法刻蚀和静电键合加工了一簇工质槽道。当LED功率为2.8W时，冷却液的相变保证封装温度在115 oC以下。Dean R. N 18提出一种由微型机械基底和盖板构成的微热管，并对微热管灌注工质。基底和盖板是在不同的硅片上采用MEMS工艺加工而成。硅基板有22条微槽道，每个微槽道宽100 m，长9.5mm。采用水作为工质的微热管的导热系数约为290 W/mK，采用汞作为工质导热系数约为790 W/ mK。然而，由于汞有毒，处于安全考虑，这种工质应妥善应用。Liu X. W 19提出一种两层微热管。底层材料是硅，采用体硅技术加工V型槽道。采用玻璃作为顶层，作为连通所有槽道的蒸汽腔。微热管的尺寸是14 mm 34 mm和14 mm24 mm。对于5W的输入功率，当工质灌注率是35%时，长的微热管蒸发界面温度最低，是90 oC。对于较短的微热管，理想的工质灌注率的情况下，蒸发界面温度最低是86 oC。Liu W. T 20在硅片上制造了含有17个平行的三角形沟道的微热管。其中9个沟道宽是371 m，长是20 mm；其他8个沟道的宽是268m，长是20 mm，于9个沟道分别相邻。采用酒精作为工质，微热管工作温度范围是37.3 oC -44.1 oC。尽管硅广泛应用在微热管制作中，但与铜材料相比，其表面亲水性较差，其被认为是会影响相变传热的重要因素之一21。Mahmood R. S. Shirazy et al. 22研究了铜金属泡沫的毛细力和亲水性，并将其应用于平板热管的毛细结构中。Lim H. T, et al. 23制作了一个铜微热管，其可以在反重力条件下工作。这种平板为入关的毛细结构由翅片形微槽道构成，微槽道宽度是100 m，深度是200 m。采用激光加工技术加工微槽道，用水作为微热管工质。实验发现，翅片形微槽道比同尺寸的三角形微槽道具有更高的毛细力。后续实验结果显示，尽管平板微热管尺寸较小，是56 8 1.5 mm3，但它具有较高的传热能力。测试结果表明翅片形微槽道平板热管在反重力环境下具有较好的冷却能力。Paiva K. V. 24采用焊接扩散工艺加工出铜微热管，这种微热管含有一个相互连接的平板和圆通，二者之间有一个非常锋利的边缘，可以作为沟道。这种热管尺寸是100 30 2 mm3，是由10根平行铜圆柱结构在两片厚度为0.3mm的铜板上焊接而成。用水作为工质，能传热的最大功率是1.25W。Meng K. 25 认为高表面自由能的金属表面是非常亲水的，而微热管的性能得益于结构的亲水性。铜具有很好的导热能力，经常作为热交换材料。但是铜表面是不亲水的，这会影响传热效果。暴露在空气中铜对水的静态接触角超过70o。由于亲疏水性可以由接触角(WCA)衡量，受表面几何结构和化学组成影响26，很多学者致力于改善痛的亲水性。Zhang Q. Y. 27利用二氧化硅的亲水性并保持其湿润性。由于二氧化硅无法从铜表面长出，因而采用有机树脂作为粘合剂，粘合后的表面体现出亲水特性。Min J.28将铜翅片蒸发器浸入到NaOH 和K2S2O8的混合溶液中一段时间。相比未处理的蒸发器，经过亲水处理的蒸发器表现出更好的冷却性能。Min J.C. 29研究经过热水处理的铝翅片和铜翅片的湿润性和腐蚀性，结果表明经过热水浸泡的铝翅片和铜翅片表面都变得亲水。Nam Y. 30在薄硅基底表面采用电化学沉积方式加工超亲水铜材料的毛细结构，并验证其传热性能。结果表明，基底表面的铜氧化物纳米结构能够显著提高临时热流，并且不损耗传热效果。以上研究表明，铜沟道硅片比硅沟道硅片的传热性更好。本文采用电铸工艺制造了一个铜沟道微热管。对铜沟道和硅沟道微热管分别进行接触角测量和测温实验。1.3 均热板散热技术及发展现状（均热板工作原理、分类、应用于LED芯片）1.4 课题研究背景及来源LED作为一种固态冷光源，具有广泛的应用。但研究数据表明，假如LED芯片结温为25时的发光为100%；那么结温上升至60时，其发光量就只有90%；结温为100时就下降到80%；140就只有70%。此外LED的发热还会使得其光谱移动、色温升高、热应力增高、荧光粉环氧树脂老化加速等问题，因此LED器件的散热是其应用中的瓶颈问题。近年来，LED制造领域的一个趋势是采用硅基板制作LED。从导热能力而言，硅材料不及铜等金属，但是硅是IC工艺的基础材料，加工设备以及工艺相对成熟；另一方面，采用硅基板的LED与热导和热沉材料结合时，可采用直接键合工艺，省去了由于导热胶的引入而产生的热阻增加和可靠性下降等问题，因此基于硅材料的LED导热结构与装置研究对于LED的散热具有重要的意义。（LED微热管散热的可行性和重要性）因此本文开展了基于硅基微热管的LED基板的设计与制造工艺研究。1.5 论文主要研究工作本文基于MEMS工艺提出将LED固晶在硅基板上，并对硅基板开展导热或散热结构的集成制造研究，取得良好效果。传统的LED固晶在金属基板上之后需要附加热沉进行散热，虽然金属有较高的导热能力，室温下，纯铜的导热系数为400 ，不同型号的铝在200 左右，但是这种制约导热能力的热界面材料，通常导热系数小于20 。而本文提出的新型硅基板，实现了从芯片固晶后到环境的热通道上再无热界面的设计制造，虽然硅材料本身的导热系数略逊于铝，188 ，但是整体设计后的导热能力大大提高。另一方面，硅是一种MEMS常用材料，借鉴IC工艺与LED芯片配合，可以制造出现有金属基板无法实现的微细结构提高导热与散热能力，实现LED器件的高密度封装。热特性测试结构表明，该基板的均热时间由金属+热沉式基板的8分钟缩短到2分钟，温度由120oC以上下降到60oC。随着工艺和结构改进，上述基板有望实现大功率LED器件的低热阻封装。2 LED模组硅基板与平板槽道微热管的集成制造2.1 LED模组硅基板与平板槽道微热管设计和掩膜制作目前LED模组的发展趋势是在硅基板集成LED芯片，优点在于硅的导热系数较高，微制造工艺成熟，可以与MEMS工艺兼容，制造出结构可控的散热微器件。针对目前市场上的LED照明灯具多为3-10 W的情况，以9 W模组为散热目标器件开展硅基板与微热管的集成制造研究，结构如图2.1所示。图2.1 集成LED模组硅基板与平板槽道微热管结构示意图Fig.2.1 The structure of silicon based LED module and micro flat heat pipe硅基集成平板槽道微热管的结构主要包括硅基LED基座结构和硅基平板槽道微热管结构。2.1.1 硅基LED基座设计和掩膜制作为了使绝缘层上贴合的芯片有较好的可靠性，在贴芯片的位置镀上1-2 m厚的金或者银，然后通过焊料将芯片贴合在绝缘层上，此方法相对简易，且结构也会更可靠。芯片通过中间H型的电极相连通，最后整个封装阵列通过两个大的正负极电极串起来。电极处需镀上1-2 m的金。在镀金电极制备好之后，通过金线键合，将贴好的芯片与电极连接起来。设计LED模组为33 LED芯片阵列，每个LED芯片尺寸为1.143 mm1.143 mm，根据LED芯片尺寸和芯片间引线实际情况设计硅基集成微热管整体尺寸为45 mm16 mm，工作区域尺寸为35 mm10 mm，根据此两个尺寸确定硅基微槽道和硅基LED基座尺寸。硅基LED基座及电极结构示意图如图2.2所示，图2.3为硅片背面的LED芯片基座及电极掩膜。图2.2 硅基LED基座及电极结构示意图Fig.2.2 The structure of silicon based LED module and micro flat heat pipe图2.3 微热管背面LED芯片基座及电极掩膜Fig.2.3 The mask of LED module and electrodes on micro flat heat pipe2.1.2 平板槽道微热管设计和掩膜制作平板槽道微热管不仅拥有普通热管的良好特性，还对离散的局部热源热区的温度控制能力强；外表面平整光滑，可以与LED芯片等电子器件直接接触，产生一个整体的等温面，有效地扩大了散热面积，提高了散热效率。平板槽道微热管是在硅基板上开出一簇微细槽道，并且进一步设计出蒸汽槽道相互连通的结构，大大提高了热管的传热能力，有效地降低了热管内反向流动所产生的界面摩擦力。为便于观察工作过程中微热管内工质流动情况，选用含有蒸汽腔的Pyrex 7740玻璃作为盖板，图2.4是平板槽道微热管掩膜设计图。 （a） （b）图2.4 平板槽道微热管掩膜设计（a）硅微槽道（平行）（b）Pyrex7740玻璃蒸汽腔Fig.2.4 The mask design of micro flat heat pipe (a) silicon parallel microgrooves (b) Pyrex 7740 glass vapor chamber2.2 平板槽道微热管管体加工工艺2.2.1 微槽道硅基板加工在厚度为1mm的N型（100）晶向的双抛硅片（天津半导体技术研究所）上采用各向异性湿法腐蚀方法或硅片等离子体刻蚀工艺制作微通道。工艺流程图如图2.5所示。图2.5 硅微槽道刻蚀工艺流程Fig.2.5 Process of silicon microgrooves etching(1) 硅的各向异性湿法腐蚀工艺硅的各项异性湿法腐蚀工艺是指腐蚀剂对某一晶相的腐蚀速率高于其他晶相的腐蚀速率。可以用来在硅衬底上加工多种结构，如凹槽结构、凸起结构等，是MEMS加工最主要的技术之一。首先采用RCA标准工艺清洗硅片，之后氧化，获得1 m厚的SiO2作为后续腐蚀工艺的硬质掩模，在其上涂覆BP212光刻胶（北京化学试剂所），光刻显影后，采用KOH : IPA : H2O=40 g : 30 ml : 100 ml的腐蚀液在73C恒温下进行湿法腐蚀，获得深度为150 m的微通道后，取出硅片并用DI水冲洗5 min。切分后的硅片尺寸为45 mm16 mm。具体工艺过程如下：（1）采用RCA工艺清洗硅片。浓硫酸煮冒烟10 min后，采用1号和2号溶液分别清洗，后用去离子水冲洗干净。（2）氧化硅片。采用热氧化法在硅片表面获得足够厚度且致密的SiO2层用于后续湿法刻蚀中作为硬质掩模。在1180 C氧化12小时。（3）涂胶。600 r/min，3 s低速匀胶后再以2600 r/min，30 s涂覆BP212光刻胶。KW-5型台式匀胶机。（4）前烘。温度85 C，时间30min。（5）光刻。Suss光刻机，曝光时间40 s，光强11 mcd。（6）显影。0.5%（wt）NaOH水溶液，显影30 s。（7）后烘。85 C，时间10 min。（8）腐蚀SiO2。采用氟化铵和氢氟酸混合溶液腐蚀。40 C恒温水浴，腐蚀11 min。（9）去胶。采用丙酮-乙醇-DI water去除光刻胶。（10）湿法腐蚀Si。40 % KOH溶液，水浴78 。C。腐蚀深度自停止深度或150 m。（11）切片。（12）去SiO2。用氢氟酸去氧化层，并用浓硫酸和1、2号溶液分别清洗。(2) 硅的等离子体刻蚀工艺首先采用RCA标准工艺清洗硅片，之后氧化，获得1 m厚的SiO2作为后续腐蚀工艺的硬质掩模，在其上涂覆BP212光刻胶（北京化学试剂所），光刻显影后，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀SiO2和Si，获得深度为150 m的微通道后，取出硅片并用DI水冲洗5 min。切分后的硅片尺寸为45 mm16 mm。具体工艺过程如下：（1）采用RCA工艺清洗硅片。浓硫酸煮冒烟10min后，采用1号和2号溶液分别清洗，后用去离子水冲洗干净。（2）氧化硅片。采用热氧化法在硅片表面获得足够厚度且致密的SiO2层用于后续湿法刻蚀中作为硬质掩模。在1180 C氧化12小时。（3）涂胶。600 r/min，3 s低速匀胶后再以2600 r/min，30 s涂覆BP212光刻胶。KW-5型台式匀胶机。（4）前烘。温度85 C，时间30 min，光强11 mcd。（5）光刻。Suss光刻机，曝光时间40 s。（6）显影。0.5 %（wt）NaOH水溶液，显影30 s。（7）后烘。85 C，时间10 min。（8）干刻SiO2，共计10 min。机器型号adixen AMS 100 I-SPEEDER。参数：刻蚀气体为C4F8（八氟环丁烷），流量为50 sccm，上电极功率为2800 W，下电极功率为300 W， 刻蚀温度为-10 C。每刻3.5 min后，冷却3.5 min，依此循环。（9）干刻Si，时间18 min，刻蚀深度是150 m。机器型号adixen AMS 100 I-SPEEDER。参数：刻蚀气SF6，流量为7000 sccm（6 s），保护气C4F8，流量为220 sccm（2 s），分子泵阀门开20 %，每刻3 min，冷却2 min，上电极功率2000 W，下电极功率40 W；冷却时，上电极功率3 W，下电极功率0 W，分子泵阀门开100 %；刻蚀温度为-10 C。（10）切片。硅的等离子刻蚀工艺在刻蚀过程中，由于所选等离子气体为氟卤素的化合物。从等离子体区域引出大量的氟离子（F+），高能的氟离子易与硅表面发生反应，生成易挥发的化合物，随后由真空系统抽除。但与此同时，碳氟聚合物不易挥发，也不会与反应离子反应，若不及时去除，就会沉积微槽底部形成一层难以刻蚀的聚合物薄膜，阻止刻蚀过程的进行，甚至导致刻蚀中止。硅片刻蚀前光刻工艺过程、掩膜类型和刻蚀线宽对硅微槽道刻蚀长草现象影响较大，不同情况下硅微槽道长草程度不同，因而刻蚀深度也略有差异。理论上，在其他条件相同的情况下，铬版掩膜的硅微槽道刻蚀深度要深于胶片掩膜，较宽硅微槽道刻蚀深度要深于较窄硅微槽道。因此，不同硅微槽道实际刻蚀深度由刻蚀后测量仪器测得。图2.6为采用硅等离子刻蚀工艺刻蚀不同宽度硅微槽道的SEM截面图。图2.7为硅微槽道刻蚀后实物图。 (a) (b)图2.6 不同宽度硅微槽道截面SEM图（a）微槽道宽度100 m （b）微槽道宽度200 mFig.2.6 SEM figure of silicon microgrooves cross section with different dimension (a) microgrooves with dimension of 100 m (b) microgrooves with dimension of 200 m图2.7 硅微槽道实物图Fig.2.7 Silicon microgrooves2.2.2 蒸汽腔盖片加工为了达到可视化的目的，使用1 mm厚的Pyrex 7740玻璃作为上盖板。刻蚀Pyrex 7740 玻璃至深度200 m，蒸汽腔减小了气液摩擦力，提高了热传导效率。随后，在Pyrex 7740玻璃上采用超声波钻孔的方式钻出1个直径为1的通孔。具体工艺如下：（1）采用RCA工艺清洗硅片。浓硫酸煮冒烟10 min后，采用1号和2号溶液分别清洗，后用去离子水冲洗干净。（2）溅射铬保护层。采用JS3X-808溅射机溅射，50 nm钛和200 nm铬。溅射参数：功率300 W，电压0.346 V，电流0.872 A，真空度2.4610-3 torr。（3）涂胶。600 r/min，3 s低速匀胶后再以2600 r/min，30 s涂覆BP212光刻胶。KW-5型台式匀胶机。（4）前烘。温度85 C，时间30 min，光强11 mcd。（5）光刻。Suss光刻机，曝光时间40 s。（6）显影。0.5%（wt）NaOH水溶液，显影30 s。（7）后烘。85 C，时间40 min。（8）去铬。采用铬腐蚀液，2 min。（9）腐蚀玻璃。将用玻璃纸保护好的Pyrex 7740玻璃放入腐蚀液中。腐蚀液是HF：HNO3：H2O=20:40:40。腐蚀时间5 h，深度200 m。（10）切片。（11）打孔。超声波钻孔机，孔径0.8 mm。（12）去胶。采用丙酮-乙醇-DI water去除光刻胶。（13）去铬。采用铬腐蚀液，2 min。（14）清洗。用浓硫酸和1、2号溶液分别清洗，然后放到烘箱中烘干等待键合。工艺流程如图2.8所示。图2.9为Pyrex 7740玻璃蒸汽腔实物图。图2.8 Pyrex 7740玻璃蒸汽腔工艺流程图Fig.2.8 Process of Pyrex 7740 glass vapor chamber etching图2.9 Pyrex 7740玻璃蒸汽腔实物图Fig.2.9 Pyrex 7740 glass vapor chamber2.2.3 平板槽道微热管静电键合将具有一定深度蒸汽腔的Pyrex 7740玻璃盖板与具有微通道的硅片采用阳极键合的方式封接，形成微沟道群。静电键合过程中需将硅片和Pyrex 7740玻璃对准，工艺参数为，真空度310-2 Pa，键合温度450 C，保温10 min，键合电压1.2 KV，保持35 min。键合时间约5 h，后降温至100 C后取出。2.3 LED模组硅基板加工工艺在N型（100）晶向的双抛硅片上采用光刻和刻蚀方法制作微槽道后，在切片清洗后在加工好的微槽道背面光刻LED电极及引线电极图案，溅射200 nm的Au后用丙酮剥离得到。具体工艺过程如下：（1）采用RCA工艺清洗硅片。浓硫酸煮冒烟10 min后，采用1号和2号溶液分别清洗，后用去离子水冲洗干净。（2）涂胶。600 r/min，3 s低速匀胶后再以2600 r/min，30 s涂覆BP212光刻胶。KW-5型台式匀胶机。（3）前烘。温度85 C，时间30 min，光强11 mcd。（4）光刻。Suss光刻机，曝光时间40 s。（5）显影。0.5 %（wt）NaOH水溶液，显影30 s。（6）后烘。85 C，时间10 min。（7）溅射。30 nm 铬和200 nm Au。（8）剥离。采用丙酮浸泡剥离，并用乙醇-DI water清洗。图2.10是LED基座及电极加工工艺示意图。图2.10 LED基座及电极加工工艺Fig.2.10 Process of LED module and electrode 加工LED基座和电极后，用固晶膏固晶LED芯片，并放入165 C的烘箱中1 h，使LED芯片与LED基座牢靠粘接，随后引线，点亮测试表明固晶引线过程没有问题。然后在LED模组表面涂覆荧光胶，在温度为85 C的热板上加热10 min，然后送于灌封。 （a） （b）图2.11 硅基LED集成平板槽道微热管（a）微热管（b）LED基座及电极Fig.2.11 Silicon based LED module and micro flat heat pipe (a) Micro heat pipe (b) LED module and electrode 2.4 硅-玻璃平板槽道微热管灌封微热管是依靠管内工质相变进行传热，因此微热管灌封过程中工质灌注比和管内真空度的保护对微热管性能至关重要。选用DI water作为工质。DI water和乙醇的熔点、沸点、临界点温度范围大致在-100 C 300 C范围，可以很好地适应热管工作温度区。微热管材料采用硅-玻璃（Pyrex7740玻璃）材料制造，DI water和乙醇针对以上两种材料有很好的相容性，不容易产生不凝性气体。2.4.1 二次抽真空灌封技术为保证灌封过程中微热管内真空度和工质灌注比，提出了一种二次抽真空灌封技术，灌封系统如图2.12所示。这套系统由真空泵、真空计、工质源、阀和管组成。真空泵用来对微热管进行抽真空，管内真空度由真空计读取。工质源是一个注射器，里面灌满除气的DI water。阀实现了真空泵、工质源和微热管的连通和截止。首先，连通真空泵和微热管，对微热管抽真空至真空计示数为0.1 Pa，然后通过阀连通微热管和DI water工质源。然后，利用压强差使微热管灌满去离子水。随后改变阀组方向，再一次连通微热管和真空泵，进行二次抽真空。在此阶段，工质被抽出至管内工质达到理想工质灌注率。与此同时，管内真空度也能得到保护。最后，用酒精喷灯封接灌封管。这种方法，灌注孔被很好封死，其强度可以满足微热管的正常工作。（a）（b）图2.12 灌封系统 (a) 系统实物图 (b) 系统设计图Fig.2.12 Filling and sealing system (a) Photograph of the system (b) Schematic of the system2.4.2 抽真空灌注冷焊封接方法此方法因其灌封系统简便，操作方便，更易于控制而广泛应用于现有微热管灌封。图2.13是此套灌封系统示意图。图2.13 灌封系统示意图Fig.2.13 Schematic of filling and sealing system 这套系统由一块热板、灌注一定量工质的注射器、机械泵和夹钳组成。热板用于控制微热管温度恒定，注射器用于给微热管灌注工质，机械泵用于给微热管抽真空，夹钳用于冷焊微热管灌注和抽真空的紫铜管。具体操作方法如下：（1）将2个直径为2 mm的紫铜管粘在微热管玻璃盖片打孔处，一根接灌注一定量工质的注射器，用于灌注工质，另一根接机械泵，用于抽真空。（2）首先将注射工质处铜管用硅胶密封，开启机械泵，对微热管抽真空，当真空度低至3 Pa 时，用夹钳冷焊工艺将铜管封死。（3）将注射器针头插入被硅胶封死的铜管内，向微热管内注射一定量工质，后抽出，并采用夹钳冷焊工艺将此根铜管封死。至此，完成微热管灌封。图2.14为采用此方法灌封后的微热管。图2.14 灌封后的微热管Fig. 2.14 Filled and sealed micro heat pipe2.4.3 气相温控灌封方法为了进一步精确控制灌注率和保证真空度，我们提出了一种微平板热管在真空环境中气相温控灌注工质的方法，应用于高热流密度器件的散热。图2.15是气相温控灌注装置结构示意图。图2.15 微平板热管气相温控灌注装置的结构示意图。Fig.2.15 Schematic of vapor phase filling and sealing system of micro heat pipe图2.14中，1是第一恒温水浴，2是工质，3是第一温度传感器，4是电磁阀，5是工质密封腔，6是第一真空阀，7是第二真空阀，8是三通换向阀，9是第二温度传感器，10是真空计，11是第三真空阀，12是微平板热管，13是第二恒温水浴，14是真空泵。该方法分别控制微平板热管和工质容器的温度。在将微平板热管和工质容器分别抽真空后，将工质容器与工质源相连，在工质容器中获得工质蒸汽；连通微平板热管与工质容器，利用两者的温度差实现气相工质灌注，通过时间控制工质的灌注量，封接微平板热管的灌注口，实现微平板热管的工质灌注。灌注系统中的工质以气相存在，因此灌注率和重复性可控性好；微平板热管和工质分别温控提高了工质灌注效率，提高了微平板热管性能。2.5 本章小结本章针对LED模组散热提出了一种LED模组硅基板和平板槽道微热管的集成制造方法。这种硅基集成微热管结构主要包括硅基LED基座结构和硅基平板槽道微热管结构。采用MEMS工艺在厚度为1mm的N型（100）晶向的双抛硅片一侧加工LED及电极基座，固晶LED芯片并引线，另一侧加工微槽道，并与带有蒸汽腔的Pyrex 7740玻璃盖片采用阳极键合工艺形成蒸汽和槽道互联的结构。设计并搭建灌封系统实现微热管灌封，保证了微热管工质灌注率和灌封后管内真空度。3 硅基微槽道表面改性微纳结构的研制本文采用MEMS工艺制作微热管对LED模组传热进行研究，微热管中的微结构以及表面特性对于工质的输运，尤其是毛细牵引力具有重要影响。自Cotter在1984年首次提出微热管的概念以来，微热管的设计与应用得到了长足的发展。热管的驱动形式也从重力型向毛细驱动型或两者的结合发展。本文中的面向LED热输运的热管属于微热管类型，由于受限于空间结构，通常采用微槽道平板热管或均热板形式，制造方式基于硅工艺，因此毛细力对于该种热管的传热性能影响很大，提高毛细驱动力有利于提高热管的传热效率，同时也有助于提高热管的工作极限，使得热输运系统可以在更广的温度下稳定工作。在MEMS设计领域，随着结构尺寸的不断减小，尺度效应开始显现，与长度的二次方相关的面力的影响逐渐增大，因此