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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
2、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
3、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 countri
4、es 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
5、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
6、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;
7、 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.
8、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
9、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
10、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
11、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
12、，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
13、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，
14、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
