硕士论文范文——LED模组硅基板与散热微器件集成制造.doc

1、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- I -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

2、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；测温实验大连理工大学硕士学位论文- II -Design and Fabrication of Silicon Based Micro Radiator for Light-emitting Diode ModulesAbstractLED li

3、ghting 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 develo

4、pment. 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 transfo

5、rmed 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 he

6、at 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.

7、 Key Words：LED Cooling; Micro Flat Heat Pipes; Vapor Chamber; Surface Modified; Thermal Testing大连理工大学硕士学位论文- III -目 录LED 模组硅基板与散热微器件集成制造 .1摘 要 .IAbstract .II1 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

8、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.1

9、93.1.1 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.27大连理工大学硕士学位论文- IV -3.3.1 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 .32

10、4.1.2 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.

11、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 .64大连理工大学硕士学位论文- 1 -1 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

12、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 L

13、iu 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

14、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。大连理工大学硕士学位论文- 2 -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

15、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

16、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

17、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

18、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大连理工大学硕士学位论文- 3 -物作为辅

19、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

20、 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

21、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

22、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

23、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。大连理工大学硕士学位论文- 4 -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

24、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

25、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

26、 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

27、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。这种热大连理工大学硕士学位论文- 5 -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

28、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

29、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

30、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。