低温共烧陶瓷中嵌入式密封腔的形成制造技术

一种形成低温共烧陶瓷（ＬＴＣＣ）器件的方法，该方法包括在第一ＬＴＣＣ带层中形成通道。将蜡嵌入通道内。蜡的类型是在低于第一ＬＴＣＣ带层的烧结温度的温度下烧掉。至少有一层第二ＬＴＣＣ带层堆叠在第一带层之上以形成堆垛。这种堆垛经过充分压制使第一和第二层结合形成叠层结构。所得叠层结构在烧结温度烧制，以使第一和第二带层形成烧结陶瓷结构，使得全部或者基本上全部的蜡从通道中烧掉。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
美国政府拥有本专利技术的付讫许可，并有权在限定的范围内要求专利所有人按照由DARPA制定的条款(合同No.SA2369-23122PG.)所提供的合理条款许可他人使用本专利技术。随着混合电路功率消耗和电路密度的增加，有些情况下在衬底中提供嵌入式的冷却通道或冷却腔已变得必要。这些通道可以用来输导冷却气体，对一些大功率或高密度电路来讲，则用来输导冷却液。LTCC衬底形成嵌入式通道的能力对新兴的小型化电子系统十分重要。在低温共烧陶瓷衬底中制备嵌入式开口腔(open cavities)的工艺曾经是非常困难的。前期的努力，包括带有特殊切割的聚酯薄膜支稳件和嵌入件的多步叠层组件，该支稳件和嵌入件在衬底烧结之前需要移除。在叠层和烧制过程中保持腔的特征几何形貌是非常困难的。当达到玻璃粘结剂的玻璃相转变温度时，这些结构在叠层时或者在本体自身力(如重力)而产生的应力作用下，容易发生塑性变形。开口腔在叠层和烧结过程中有凹陷或坍塌的趋势。当带有的尺寸超过400微米的孔或者通道的LTCC被叠层，那么位于孔或通道上方和下方的带就会在这些孔或者通道内部变形。以前对上述问题的解决需要稀有材料和昂贵的SLA设备来制造预成型体。例如，M.R.Gongora-Rubio等在＂Overview of Low TemperatureCo-Fired Cearmics Tape Technology for Meso-System Technology(MsST)＂，Sensors and Actuators A，2001年第89卷，第222-241页中，建议采用在烧制过程中会消除的易逝(fugitive)相材料来支撑桥接结构。例如，建议采用碳黑来作为易逝相，烧结在中性或者弱氧化性的气氛中完成。碳的气化(与氧气反应生成一氧化碳和二氧化碳)缓慢，且在桥接或者悬挂的陶瓷结构变得坚硬之前几乎没有碳黑消失。此后，就可以打开炉门，让空气进入炉体内，将碳黑烧掉。作者描述说，在碳黑气化和烧结之后，在被碳黑-粘结剂混合物填充的腔中，其上层和其下层是平行的。Gongora-Rubio等所描述的这种技术的问题之一就是碳黑没有从腔中完全排出。当烧制完成之后，碳黑和或其氧化产物可能余留在腔中。而且，这种方法要求在烧制过程中对气氛进行严格的控制。同时，碳黑有可能与LTCC材料发生反应。在另一种技术中，叠层之前先将聚酯薄膜或橡胶嵌入件嵌入通道之中，在叠层之后，再通过机械的方法将它们从衬底的孔中拔出。这些嵌入件的去除是困难且耗时的。现有技术的LTCC器件通道制造工艺已不能与当今的衬底制备技术相适应，或者对于任意通道几何形状没有足够的多样性。而且，现有技术成本高，也没有足够的可靠性来精确保持形貌。其他的封装冷却机制也有它们的缺点。表面安装的冷却器件(散热器，风扇等)体积效率低，对下一代小型化系统来讲是不能满足的。基于硅微机电系统(MEMS)的冷却系统在衬底之上使用了太多的覆盖区域(footprint)，不能适应优选的电子封装技术。附图说明图1B是沿图1A中剖面线1B-1B所得的截面图。图2A是图1A的LTCC带结构平面图，其中通道已被材料填充。图2B是沿图2A中剖面线2B-2B所得的截面图。图3A是图2A的LTCC带结构平面图，其上增加了具有孔的顶层。图3B是沿图3A中剖面线3B-3B所得的截面图。图4A是烧制后的图3A的LTCC带结构平面图。图4B是沿图4A中剖面线4B-4B所得的截面图。本专利技术的一种示例实施方案包含了一种形成低温共烧陶瓷(LTCC)器件的方法。在至少一个第一LTCC带层中形成至少一条通道。该至少一个的第一LTCC带层可以是包含，例如20或者更多层的第一带亚堆垛(a first tape substack)。将一种牺牲(sacrificial)材料或者易逝材料嵌入到通道里。易逝材料可以是，例如诸如面粉，玉米淀粉或酵母等的有机材料。优选的材料包括蜡，聚乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯，石蜡和它们的组合。优选的，易逝材料是可熔的。在所述第一带层(或亚堆垛)上至少叠覆一个第二LTCC带层。该至少一个的第二LTCC带层可以是包含，比如4层或者更多层的第二带层亚堆垛。所述第一和第二带层(或第一和第二带亚堆垛)被充分压制形成叠层。一旦压制完成，没有易逝材料的叠层结构能够保持其形状。全部或者基本上全部的易逝材料被从通道去除，例如通过熔融，气化，和/或在低于烧结温度的温度下烧去易逝材料的组合。将器件在烧结温度下烧制，该烧结温度足够高，使第一和第二带层中的陶瓷组分烧结。图1A-4B显示了形成LTCC器件方法的例子，以及一个用该方法形成的器件400，所得器件400有内嵌式通道，该通道适合于液体冷却或其它应用。这里所用的术语“通道”可以指具有任何的多种形状和长宽比的通路，凹槽或管道。该通道可以是直的(如通道104)，或者是含有角度，曲线，椭圆，圆形，或者其它不规则形状部分(如通道105)的，或者是它们的组合。该通道可以延伸扩展到带衬底的一端(如通道104)，或者该通道可以将其端部嵌入在衬底的内部(如通道105)。通道可在其通过的每一带层中具有相同的水平截面，形成了竖直的通道壁。通过这种多层结构的竖直截面包括矩形的通道截面。或者，通道可以在两个或者更多的各自的带层中具有两种或多种不同的截面。通过这种多层结构的竖直截面将含有非矩形的多边形通道，如“L”形或者凹槽形。图1A是一种示例LTCC带结构100的平面图，这种结构包含了其中形成有通道104，105的带层(或亚堆垛)102。图1B是沿图1A中剖面线1B-1B所得带结构100的截面图。通道104，105可以用传统方法，如机加工(例如研磨，切割或者冲压)，或者通过光刻技术形成。该例中，带层(或者亚堆垛)102经过研磨，使带层102的底部一部分提供通道的底部。如果通道104，105被冲压或者切割而贯通了带层102，则102层下面的较低的101层提供通道底部。一种优选的LTCC是在本领域中熟知的“GREEN TAPETM”，这种产品由位于Delaware的Wilmington杜邦公司商业化生产。该带包含的材料配方应该是玻璃和陶瓷填料的混合物，该陶瓷填料在大约850℃到900℃烧结，并且该带显示出与氧化铝相似的热膨胀。这种低温工艺允许使用采用空气烧制电阻炉(air-fired resistor)和诸如金，银，或其合金的贵金属厚膜导体。也可以采用其它的带体系。例如，可以使用其它的LTCC体系或者高温共烧带材料。图2A是LTCC带结构200的平面图，其中通道104，105已被易逝材料120填充。图2B是沿图2A中剖面线2B-2B所得到的被填充带结构200的截面图。示例中，易逝材料120是一种可熔材料，优选为蜡。易逝材料本质上可以是粒状的，热塑性的或者热固性的。示例的蜡120是一种聚合物共混体，如聚丙烯与石蜡的混合物。另外，石蜡与聚丙烯的组合或者石蜡与聚苯乙烯的组合也可以作为优选的材料。本领域的一项普通技术可以对聚合物共混体组分比进行选择，从而获得将该材料从器件中完全去除的理想温度。在优选实施例中，聚合物共混体包含大约五份的聚丙烯和一份的石蜡。相似的比率也可以应用在含有聚苯乙烯或聚乙烯的共混物中。优选的，易逝材料120的类型是，在低于LTCC带层1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成器件的方法，包括如下步骤：（ａ）在至少一个第一带层中形成通道；（ｂ）在通道中嵌入可熔材料；（ｃ）在第一带层上堆垛至少一个第二带层；（ｄ）将第一和第二带层充分压制形成叠层结构；和（ｅ）将全部或者基本上全部的可熔材料从通道中去除。

【技术特征摘要】
US 2002-4-15 10/121,5801.一种形成器件的方法，包括如下步骤(a)在至少一个第一带层中形成通道；(b)在通道中嵌入可熔材料；(c)在第一带层上堆垛至少一个第二带层；(d)将第一和第二带层充分压制形成叠层结构；和，(e)将全部或者基本上全部的可熔材料从通道中去除。2.权利要求1中的方法，其中器件为低温共烧陶瓷器件，且第一和第二带层为低温共烧带，所述方法进一步包括(f)将器件在烧结温度烧制，该烧结温度充分高，以使第一和第二带层中的陶瓷组分烧结。3.权利要求2中的方法，其中步骤(e)包括在低于烧结温度的温度烧掉可熔材料。4.权利要求1中的方法，其中可熔材料是蜡。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：BR史密斯，RT派克，CM牛顿，
申请(专利权)人：哈里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]