专利名称：用于激光二极管冷却的微型换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型换热器及其制造方法。具体而言，本发明涉及一种用于激光二极管冷却的微型换热器及其制造方法。
背景技术：
微型换热器由热传导材料制成并且用来从发热器件如集成电路或者激光二极管向流过微型换热器内的流体路径的流体传热。微型换热器普遍由金属如铜制成，并且在发热器件与微型换热器之间经常需要电隔离。一些陶瓷材料传导热而阻抗电。出于这一原因，经常在发热器件与微型换热器之间使用这样的陶瓷材料作为用于提供电隔离而又仍然维持热传导性的中间材料。然而将发热器件直接连接到陶瓷并不实际。取而代之，发热器件耦合到通常由传导金属如铜制成的传导焊盘。在这样的配置中，陶瓷是在耦合到发热器件的传导铜焊盘与微型换热器之间的中间层。为了提供从发热器件向微型换热器的高效传热，在陶瓷与铜之间的良好热界面是必需的。一种直接键合铜(DBC)方法使用高温接合工艺以在存在具有少量氧(50-200ppm) 的保护气体氛围中将铜片键合到陶瓷板。在通过引用将其整体结合于此的第6，297, 469号美国专利和第7，036，711号美国专利中描述了示例DBC方法。这些常用陶瓷材料是氧化铍 (BeO)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)。氧和铜在高温之下键合在一起。在氮和少量百分比的氧的氛围中将铜与陶瓷加热到仔细控制的温度。所用温度在与铜的熔化温度接近的1950 与1981华氏度之间的范围内。在这些条件之下，形成成功键合到铜与陶瓷两者的铜-氧共晶，由此将铜层键合到陶瓷层。使用铜层作为将耦合到发热器件的传导焊盘。通常将陶瓷层焊接到微型换热器的顶部。一般在键合中并且具体在DBC技术中存在诸多问题。首先，向硬陶瓷板施加高温经常造成陶瓷破裂。第二，微孔形成于键合的铜层与陶瓷层的界面。微孔归因于铜层与陶瓷层的接触表面中的缺陷和不规则。对于其中大发热器件或者多个发热器件耦合到单个陶瓷板的应用，陶瓷板的尺寸更大。然而陶瓷板越大，微孔的影响就越大。微孔的存在降低了热效率。另外，微孔的存在增加了铜层和陶瓷层将分层的可能性，这是因为没有在整个界面表面内的理想键合。第三，铜的热膨胀效率比陶瓷的热膨胀效率高得多。在高温DBC工艺期间，在陶瓷层与铜层键合的点，铜层比陶瓷膨胀更多。然而在冷却时铜层由于热膨胀系数不同而比陶瓷收缩更多，这导致键合的铜-陶瓷组件的卷曲和可能的破裂。
发明内容
一种微型换热组件被配置成冷却一个或者多个发热器件、例如集成电路或者激光二极管。在一些实施例中，微型换热组件包括热耦合到第一表面的第一陶瓷组件并且在一些实施例中包括热耦合到第二表面的第二陶瓷组件。各陶瓷组件包括一个或者多个电和热传导焊盘，各传导焊盘相互电隔离。各陶瓷组件包括用于提供这一电隔离的陶瓷层。陶瓷层具有高热传导率和高电阻率。陶瓷层的顶表面和底表面各自使用中间接合材料键合到传导层、例如铜。进行钎焊工艺以经由接合层将陶瓷层键合到传导层。接合层是接合材料、陶瓷层和传导层的合成物。蚀刻顶部传导层和接合层以形成电隔离的传导焊盘。使用裸陶瓷方式或者金属化陶瓷方式将传导层键合到陶瓷层。在一个方面中，一种器件包括具有热传导材料的换热器件，其中换热器件被配置成从热传导材料向流过其的流体传热；以及热传导陶瓷组件，热耦合到换热器件。陶瓷组件包括传导层；陶瓷层；以及活性钎焊合金，键合于传导层与陶瓷层之间以形成接合层， 其中传导层和接合层被配置成形成一个或者多个电隔离的传导焊盘。在一些实施例中，传导层和接合层被构图以形成多个电隔离的焊盘，另外其中多个电隔离的焊盘中的各焊盘通过陶瓷层来相互电隔离。在一些实施例中，陶瓷组件也包括第二传导层；以及第二活性钎焊合金层，键合于第二传导层与陶瓷层之间以形成第二接合层。该器件也可以包括金属到金属接合层，键合于陶瓷组件的第二传导层与换热器件之间。在一些实施例中，传导层和换热器件是基于铜的。在一些实施例中，陶瓷层包括氧化铍、氧化铝或者氮化铝。在一些实施例中，活性钎焊合金为基于铜的活性钎焊合金、基于铜-银的活性钎焊合金或者基于铟-铜-银的活性钎焊合金。在一些实施例中，活性钎焊合金层为活性接合材料膏或者活性接合材料箔。该器件也可以包括第二热传导陶瓷组件，热耦合到换热器件的与陶瓷组件相反的一侧。在另一方面中，一种器件包括换热器件，包括热传导材料，其中换热器件被配置成从热传导材料向流过其的流体传热；以及热传导陶瓷组件，热耦合到换热器件。陶瓷组件包括传导层；陶瓷层，包括金属化第一表面；以及接合材料，键合于传导层与陶瓷层的金属化第一表面之间以形成接合层，其中传导层、接合层和金属化第一表面被配置成形成一个或者多个电隔离的传导焊盘。在一些实施例中，传导层和接合层被构图以形成多个电隔离的焊盘，另外其中多个电隔离的焊盘中的各焊盘通过陶瓷层来相互电隔离。陶瓷层也可以包括金属化第二表面，并且陶瓷层组件也可以包括第二传导层；以及第二接合材料，键合于第二传导层与陶瓷层的金属化第二表面之间以形成第二接合层。该器件也可以包括 金属到金属接合层，键合于陶瓷组件的第二传导层与换热器件之间。在一些实施例中，传导层和换热器件是基于铜的。在一些实施例中，陶瓷层为氧化铍、氧化铝或者氮化铝。在一些实施例中，金属化第一表面包括钼锰和镍。该器件也可以包括第二热传导陶瓷组件，热耦合到换热器件的与陶瓷组件相反的一侧。在一些实施例中，接合材料为铜-银膏、铜-金膏、 铜-银箔或者铜-金箔。在其它实施例中，接合材料和传导层为镀制银的铜片。在又一方面中，一种器件包括换热器件，包括热传导材料，其中换热器件被配置成从热传导材料向流过其的流体传热；以及热传导陶瓷组件，热耦合到换热器件。陶瓷组件包括陶瓷层，包括金属化第一表面；以及传导层，镀制到金属化第一表面，其中传导层和金属化第一表面被配置成形成一个或者多个电隔离的传导焊盘。在一些实施例中，传导层和金属化第一表面被构图以形成多个电隔离的焊盘，另外其中多个电隔离的焊盘中的各焊盘通过陶瓷层来相互电隔离。陶瓷层也可以包括金属化第二表面，并且陶瓷组件也可以包括镀制到金属化第二表面的第二传导层。该器件也可以包括金属到金属接合层，键合于陶瓷组件的第二传导层与换热器件之间。在一些实施例中，传导层和换热器件是基于铜的。 在一些实施例中，陶瓷层为氧化铍、氧化铝或者氮化铝。在一些实施例中，金属化第一表面包括钼锰和镍。该器件也可以包括第二热传导陶瓷组件，热耦合到换热器件的与陶瓷组件相反的一侧。微型换热组件的其它特征和优点将在查看下文阐述的实施例的具体描述之后变
得清楚。
图1图示了根据第一实施例的使用裸陶瓷方式来制作的陶瓷组件的示例层的剖视侧视图，图1中所示视图是在进行钎焊工艺之前。图2图示了根据第二实施例的使用裸陶瓷方式来制作的陶瓷组件的示例层的剖视侧视图，图1中所示视图是在进行钎焊工艺之前。图3图示了用于根据裸陶瓷方式来制作陶瓷组件的示例过程。图4图示了根据第一实施例的使用金属化陶瓷方式的钎焊铜选择来制作的陶瓷组件的示例层的剖视侧视图，图4中所示视图是在进行钎焊工艺之前。图5图示了根据第二实施例的使用金属化陶瓷方式来制作的陶瓷组件的示例层的剖视侧视图，图5中所示视图是在进行钎焊工艺之前。图6图示了根据使用金属化陶瓷方式的钎焊铜选择来制作的陶瓷组件的示例层的剖视侧视图。图7图示了根据第三实施例的使用金属化陶瓷方式的镀制铜选择来制作的陶瓷组件的示例层的剖视侧视图。图8图示了用于根据金属化陶瓷方式的镀制铜选择来制作陶瓷组件的示例过程。图9图示了示例陶瓷组件的剖视侧视图。图10-11图示了向图9的示例陶瓷组件施加的两步蚀刻工艺。图12图示了在两个相邻焊盘之间的蚀刻表面的放大部分。图13图示了向图9的示例陶瓷组件施加的两步蚀刻工艺。图14-17图示了用于制作示例陶瓷组件之时构图铜层和接合层的第二方式。图18图示了根据一个实施例的用于制作微型换热组件的示例过程。图19图示了具有使用裸陶瓷方式来制作的陶瓷组件的完整微型换热组件的示例层的剖视侧视图。图20图示了具有使用金属化陶瓷方式的钎焊铜选择来制作的陶瓷组件的完整微型换热组件的示例层的剖视侧视图。图21图示了具有使用金属化陶瓷方式的镀制铜选择来制作的陶瓷组件的完整微型换热组件的示例层的剖视侧视图。参照附图的若干图描述微型换热组件。在适当时并且仅在多于一幅附图中公开和示出相同元件时，将使用相同标号以代表这样的相同元件。
具体实施例方式现在将具体参照微型换热组件的实施例，其中在附图中图示了该微型换热组件的例子。尽管下文将结合实施例描述微型换热组件，但是将理解它们并非意在将微型换热组件限于这些实施例和例子。相反，微型换热组件意在覆盖可以包括在如所附权利要求书限定的微型换热组件的精神实质和范围内的替代、修改和等效物。另外，在对微型换热组件的下文具体描述中阐述诸多具体细节以便更全面地说明微型换热组件。然而本领域普通技术人员将清楚无这些具体细节仍可实施微型换热组件。在其它实例中没有具体描述公知方法和流程、部件和工艺以免不必要地使微型换热组件的各方面难以理解。实施例涉及一种微型换热组件和陶瓷组件及其制作方法。微型换热组件被配置成冷却一个或者多个发热器件，例如电子器件。在一些实施例中，微型换热组件包括多个电和热传导焊盘，各传导焊盘相互电隔离。发热器件使用任何常规方法如焊接来电和热耦合到传导焊盘。在一种示例应用中，各焊盘耦合到在用于工业切割和标记应用的高功率激光器中使用的激光二极管阵列中的一个激光二极管。在这样的应用中，微型换热组件称为用于激光二极管的微型换热器(MELD )。该微型换热组件特别适用于要求在共同平面中布置多个发热器件，如激光二极管阵列的那些应用。通过电隔离各传导焊盘，耦合到传导焊盘的发热器件相互电隔离而又维持从各发热器件向微型换热器的均勻高速率的热传递。为了提供这一电隔离，使用具有高热传导率和高电阻率的陶瓷层。在一些实施例中，陶瓷层由氧化铍、氧化铝或者氮化铝制成。陶瓷层的顶表面和底表面各自使用中间接合材料来键合到传导层。在键合工艺期间钎焊接合材料使液相线接合材料能够熔化，这提供材料向陶瓷层与传导层的接触表面上的微孔中的局部化“流动”，由此提高热效率。在一些实施例中，各传导层为铜。蚀刻顶部传导层和中间接合材料以形成电隔离的传导焊盘。键合的陶瓷层和传导层形成第一陶瓷组件。第一陶瓷组件的底部传导层键合到冷却流体循环经过的微型换热器的顶表面。微型换热器由热传导材料制成。在一些实施例中，微型换热器由铜制成。从耦合到传导焊盘的发热器件向流过微型换热器的流体传热。在一些实施例中，形成第二陶瓷组件并且将它焊接到微型换热器的底部表面。第二陶瓷组件也可以包括多个电隔离的传导焊盘，这些焊盘可以与第一陶瓷组件上的焊盘相同或者不同地加以构图。微型换热组件的制作包括制作陶瓷组件、制作微型换热器以及最终组装和钎焊微型换热组件这些主要步骤。A.制作陶瓷组件通过使用中间接合材料将传导层键合到薄陶瓷板的两侧来形成陶瓷组件。在一些实施例中，各传导层为铜层。在一些实施例中，陶瓷板由氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)或者氮化铝(AlN)制成。BeO的使用可能由于它的毒性而受到限制。陶瓷板的最佳厚度取决于最小化传热阻抗而又维持键合层机械强度的能力。传热阻抗随着陶瓷板的厚度减少而减少，但是机械强度随着陶瓷板的厚度增加而增加。在一些实施例中，陶瓷板厚度从约100微米到若干毫米变化。在更多其它实施例中，陶瓷板的厚度范围为约0.5mm到约0.75mm。各铜层的厚度取决于组装的单元的卷曲程度和对为了平坦化铜层而对它进行打磨的需要。在一些实施例中，铜层厚度范围为约0. 05mm到约0. 5mm。在更多其它实施例中，铜层的厚度约为0. 25mm。在一些实施例中，陶瓷组件的表面积范围为约1250mm2到约8000mm2。陶瓷组件的一个制作要求在于提供铜层到陶瓷板的优良键合。除了陶瓷板之外， 能够通过对铜层和接合材料的选择性去除来构图陶瓷组件的其余层以便制成电隔离的构图的铜焊盘。公开了用于将铜键合到陶瓷板的两侧的各种技术。一种方式是使用活性钎焊合金(ABA)材料(例如基于铜的ABA(Cu-ABA)、基于铜和银的ABA(CuSil-ABA)和基于铟、 铜和银的ABAanCuSil-ABA))的裸陶瓷方式。这些ABA中的各ABA富含铜，并因此提供良好的热传导率。这些ABA中的各ABA包括用于与陶瓷键合的少量活性成分。在一些实施例中，这些ABA中的各ABA包括钛(Ti)作为活性成分。ABA中的钛与陶瓷板和铜层反应以提供化学键合从而获得形成于铜层与陶瓷板之间的接合层界面。应当理解包括除了钛之外的一种或者多种活性成分的替代ABA可以用来与陶瓷键合。另外，使用钎焊材料作为中间接合材料提供材料向接触表面的微孔中的“流动”。 钎焊是一种由此将接合材料如金属或者合金加热到熔化温度的接合工艺。在熔化温度，液相线接合材料与基础金属的薄层相互作用，冷却以形成强密封接合。所得接合层是ABA材料、铜层和陶瓷层的混合。钎焊材料的熔化温度低于接合的材料的熔化温度。在使用钎焊工艺以将陶瓷层键合到铜层的情况下，钎焊温度低于用来将两层直接铜键合在一起的常规温度。降低温度也减少冷却的铜-陶瓷组件上的卷曲效应。表1示出了铜与陶瓷键合工艺中所用的一些所选活性钎焊合金的成分和熔化温度。
权利要求
I.一种器件，包括a.换热器件，包括热传导材料，其中所述换热器件被配置成从所述热传导材料向流过其的流体传热；以及b.热传导陶瓷组件，热耦合到所述换热器件，其中所述陶瓷组件包括
1.传导层； .陶瓷层；以及iii.活性钎焊合金，键合于所述传导层与所述陶瓷层之间以形成接合层，其中所述传导层和所述接合层被配置成形成一个或者多个电隔离的传导焊盘。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述传导层和所述接合层被构图以形成多个电隔离的焊盘，另外所述多个电隔离的焊盘中的各个焊盘通过所述陶瓷层来相互电隔离。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述陶瓷组件还包括第二传导层；以及第二活性钎焊合金层，键合于所述第二传导层与所述陶瓷层之间以形成第二接合层。
4.根据权利要求3所述的器件，还包括金属到金属接合层，键合于所述陶瓷组件的第二传导层与所述换热器件之间。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述传导层和所述换热器件是基于铜的。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述陶瓷层包括氧化铍、氧化铝或者氮化铝。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述活性钎焊合金包括基于铜的活性钎焊合金、 基于铜-银的活性钎焊合金或者基于铟-铜-银的活性钎焊合金。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述活性钎焊合金层包括活性接合材料膏或者活性接合材料箔。
9.根据权利要求1所述的器件，还包括第二热传导陶瓷组件，热耦合到所述换热器件的与所述陶瓷组件相反的一侧。
10.一种器件，包括a.换热器件，包括热传导材料，其中所述换热器件被配置成从所述热传导材料向流过其的流体传热；以及b.热传导陶瓷组件，热耦合到所述换热器件，其中所述陶瓷组件包括i.传导层； .陶瓷层，包括金属化第一表面；以及iii.接合材料，键合于所述传导层与所述陶瓷层的金属化第一表面之间以形成接合层，其中所述传导层、所述接合层和所述金属化第一表面被配置成形成一个或者多个电隔离的传导焊盘。
11.根据权利要求10所述的器件，其中所述传导层和所述接合层被构图以形成多个电隔离的焊盘，另外所述多个电隔离的焊盘中的各个焊盘通过所述陶瓷层来相互电隔离。
12.根据权利要求10所述的器件，其中所述陶瓷层还包括金属化第二表面，并且所述陶瓷组件还包括第二传导层；以及第二接合材料，键合于所述第二传导层与所述陶瓷层的金属化第二表面之间以形成第二接合层。
13.根据权利要求12所述的器件，还包括金属到金属接合层，键合于所述陶瓷组件的第二传导层与所述换热器件之间。
14.根据权利要求10所述的器件，其中所述传导层和所述换热器件是基于铜的。
15.根据权利要求10所述的器件，其中所述陶瓷层包括氧化铍、氧化铝或者氮化铝。
16.根据权利要求10所述的器件，其中所述金属化第一表面包括钼锰和镍。
17.根据权利要求10所述的器件，还包括第二热传导陶瓷组件，热耦合到所述换热器件的与所述陶瓷组件相反的一侧。
18.根据权利要求10所述的器件，其中所述接合材料包括铜-银膏、铜-金膏、铜-银箔或者铜-金箔。
19.根据权利要求10所述的器件，其中所述接合材料和所述传导层包括银镀制的铜片。
20.一种器件，包括a.换热器件，包括热传导材料，其中所述换热器件被配置成从所述热传导材料向流过其的流体传热；以及b.热传导陶瓷组件，热耦合到所述换热器件，其中所述陶瓷组件包括 i.陶瓷层，包括金属化第一表面；以及 .传导层，镀制到所述金属化第一表面，其中所述传导层和所述金属化第一表面被配置成形成一个或者多个电隔离的传导焊盘。
21.根据权利要求20所述的器件，其中所述传导层和所述金属化第一表面被构图以形成多个电隔离焊盘，另外所述多个电隔离的焊盘中的各个焊盘通过所述陶瓷层来相互电隔1 O
22.根据权利要求20所述的器件，其中所述陶瓷层还包括金属化第二表面，并且所述陶瓷组件还包括镀制到所述金属化第二表面的第二传导层。
23.根据权利要求22所述的器件，还包括金属到金属接合层，键合于所述陶瓷组件的第二传导层与所述换热器件之间。
24.根据权利要求20所述的器件，其中所述传导层和所述换热器件是基于铜的。
25.根据权利要求20所述的器件，其中所述陶瓷层包括氧化铍、氧化铝或者氮化铝。
26.根据权利要求20所述的器件，其中所述金属化第一表面包括钼锰和镍。
27.根据权利要求20所述的器件，还包括第二热传导陶瓷组件，热耦合到所述换热器件的与所述陶瓷组件相反的一侧。
全文摘要
一种微型换热组件被配置成冷却一个或者多个发热器件，例如集成电路或者激光二极管。微型换热组件包括热耦合到第一表面的第一陶瓷组件和热耦合到第二表面的第二陶瓷组件。陶瓷组件包括用于热耦合到发热器件的一个或者多个电和热传导焊盘，各传导焊盘相互电隔离。陶瓷组件包括用于提供这一电隔离的陶瓷层。陶瓷层的顶表面和底表面各自使用中间接合材料键合到传导层、例如铜。进行钎焊工艺以经由接合层将陶瓷层键合到传导层。接合层是接合材料、陶瓷层和传导层的合成物。
文档编号H01S5/024GK102171897SQ200980137589
公开日2011年8月31日 申请日期2009年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者B·伦格, M·达塔, M·麦克斯特 申请人:固利吉股份有限公司