專利名稱：用于激光二極管冷卻的微型換熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型換熱器及其制造方法。具體而言，本發明涉及一種用于激光二極管冷卻的微型換熱器及其制造方法。
背景技術：
微型換熱器由熱傳導材料制成并且用來從發熱器件如集成電路或者激光二極管向流過微型換熱器內的流體路徑的流體傳熱。微型換熱器普遍由金屬如銅制成，并且在發熱器件與微型換熱器之間經常需要電隔離。一些陶瓷材料傳導熱而阻抗電。出于這一原因，經常在發熱器件與微型換熱器之間使用這樣的陶瓷材料作為用于提供電隔離而又仍然維持熱傳導性的中間材料。然而將發熱器件直接連接到陶瓷并不實際。取而代之，發熱器件耦合到通常由傳導金屬如銅制成的傳導焊盤。在這樣的配置中，陶瓷是在耦合到發熱器件的傳導銅焊盤與微型換熱器之間的中間層。為了提供從發熱器件向微型換熱器的高效傳熱，在陶瓷與銅之間的良好熱界面是必需的。一種直接鍵合銅(DBC)方法使用高溫接合工藝以在存在具有少量氧(50-200ppm) 的保護氣體氛圍中將銅片鍵合到陶瓷板。在通過引用將其整體結合于此的第6，297, 469號美國專利和第7，036，711號美國專利中描述了示例DBC方法。這些常用陶瓷材料是氧化鈹 (BeO)、氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)。氧和銅在高溫之下鍵合在一起。在氮和少量百分比的氧的氛圍中將銅與陶瓷加熱到仔細控制的溫度。所用溫度在與銅的熔化溫度接近的1950 與1981華氏度之間的范圍內。在這些條件之下，形成成功鍵合到銅與陶瓷兩者的銅-氧共晶，由此將銅層鍵合到陶瓷層。使用銅層作為將耦合到發熱器件的傳導焊盤。通常將陶瓷層焊接到微型換熱器的頂部。一般在鍵合中并且具體在DBC技術中存在諸多問題。首先，向硬陶瓷板施加高溫經常造成陶瓷破裂。第二，微孔形成于鍵合的銅層與陶瓷層的界面。微孔歸因于銅層與陶瓷層的接觸表面中的缺陷和不規則。對于其中大發熱器件或者多個發熱器件耦合到單個陶瓷板的應用，陶瓷板的尺寸更大。然而陶瓷板越大，微孔的影響就越大。微孔的存在降低了熱效率。另外，微孔的存在增加了銅層和陶瓷層將分層的可能性，這是因為沒有在整個界面表面內的理想鍵合。第三，銅的熱膨脹效率比陶瓷的熱膨脹效率高得多。在高溫DBC工藝期間，在陶瓷層與銅層鍵合的點，銅層比陶瓷膨脹更多。然而在冷卻時銅層由于熱膨脹系數不同而比陶瓷收縮更多，這導致鍵合的銅-陶瓷組件的卷曲和可能的破裂。

發明內容
一種微型換熱組件被配置成冷卻一個或者多個發熱器件、例如集成電路或者激光二極管。在一些實施例中，微型換熱組件包括熱耦合到第一表面的第一陶瓷組件并且在一些實施例中包括熱耦合到第二表面的第二陶瓷組件。各陶瓷組件包括一個或者多個電和熱傳導焊盤，各傳導焊盤相互電隔離。各陶瓷組件包括用于提供這一電隔離的陶瓷層。陶瓷層具有高熱傳導率和高電阻率。陶瓷層的頂表面和底表面各自使用中間接合材料鍵合到傳導層、例如銅。進行釬焊工藝以經由接合層將陶瓷層鍵合到傳導層。接合層是接合材料、陶瓷層和傳導層的合成物。蝕刻頂部傳導層和接合層以形成電隔離的傳導焊盤。使用裸陶瓷方式或者金屬化陶瓷方式將傳導層鍵合到陶瓷層。在一個方面中，一種器件包括具有熱傳導材料的換熱器件，其中換熱器件被配置成從熱傳導材料向流過其的流體傳熱；以及熱傳導陶瓷組件，熱耦合到換熱器件。陶瓷組件包括傳導層；陶瓷層；以及活性釬焊合金，鍵合于傳導層與陶瓷層之間以形成接合層， 其中傳導層和接合層被配置成形成一個或者多個電隔離的傳導焊盤。在一些實施例中，傳導層和接合層被構圖以形成多個電隔離的焊盤，另外其中多個電隔離的焊盤中的各焊盤通過陶瓷層來相互電隔離。在一些實施例中，陶瓷組件也包括第二傳導層；以及第二活性釬焊合金層，鍵合于第二傳導層與陶瓷層之間以形成第二接合層。該器件也可以包括金屬到金屬接合層，鍵合于陶瓷組件的第二傳導層與換熱器件之間。在一些實施例中，傳導層和換熱器件是基于銅的。在一些實施例中，陶瓷層包括氧化鈹、氧化鋁或者氮化鋁。在一些實施例中，活性釬焊合金為基于銅的活性釬焊合金、基于銅-銀的活性釬焊合金或者基于銦-銅-銀的活性釬焊合金。在一些實施例中，活性釬焊合金層為活性接合材料膏或者活性接合材料箔。該器件也可以包括第二熱傳導陶瓷組件，熱耦合到換熱器件的與陶瓷組件相反的一側。在另一方面中，一種器件包括換熱器件，包括熱傳導材料，其中換熱器件被配置成從熱傳導材料向流過其的流體傳熱；以及熱傳導陶瓷組件，熱耦合到換熱器件。陶瓷組件包括傳導層；陶瓷層，包括金屬化第一表面；以及接合材料，鍵合于傳導層與陶瓷層的金屬化第一表面之間以形成接合層，其中傳導層、接合層和金屬化第一表面被配置成形成一個或者多個電隔離的傳導焊盤。在一些實施例中，傳導層和接合層被構圖以形成多個電隔離的焊盤，另外其中多個電隔離的焊盤中的各焊盤通過陶瓷層來相互電隔離。陶瓷層也可以包括金屬化第二表面，并且陶瓷層組件也可以包括第二傳導層；以及第二接合材料，鍵合于第二傳導層與陶瓷層的金屬化第二表面之間以形成第二接合層。該器件也可以包括 金屬到金屬接合層，鍵合于陶瓷組件的第二傳導層與換熱器件之間。在一些實施例中，傳導層和換熱器件是基于銅的。在一些實施例中，陶瓷層為氧化鈹、氧化鋁或者氮化鋁。在一些實施例中，金屬化第一表面包括鉬錳和鎳。該器件也可以包括第二熱傳導陶瓷組件，熱耦合到換熱器件的與陶瓷組件相反的一側。在一些實施例中，接合材料為銅-銀膏、銅-金膏、 銅-銀箔或者銅-金箔。在其它實施例中，接合材料和傳導層為鍍制銀的銅片。在又一方面中，一種器件包括換熱器件，包括熱傳導材料，其中換熱器件被配置成從熱傳導材料向流過其的流體傳熱；以及熱傳導陶瓷組件，熱耦合到換熱器件。陶瓷組件包括陶瓷層，包括金屬化第一表面；以及傳導層，鍍制到金屬化第一表面，其中傳導層和金屬化第一表面被配置成形成一個或者多個電隔離的傳導焊盤。在一些實施例中，傳導層和金屬化第一表面被構圖以形成多個電隔離的焊盤，另外其中多個電隔離的焊盤中的各焊盤通過陶瓷層來相互電隔離。陶瓷層也可以包括金屬化第二表面，并且陶瓷組件也可以包括鍍制到金屬化第二表面的第二傳導層。該器件也可以包括金屬到金屬接合層，鍵合于陶瓷組件的第二傳導層與換熱器件之間。在一些實施例中，傳導層和換熱器件是基于銅的。 在一些實施例中，陶瓷層為氧化鈹、氧化鋁或者氮化鋁。在一些實施例中，金屬化第一表面包括鉬錳和鎳。該器件也可以包括第二熱傳導陶瓷組件，熱耦合到換熱器件的與陶瓷組件相反的一側。微型換熱組件的其它特征和優點將在查看下文闡述的實施例的具體描述之后變
得清楚。


圖1圖示了根據第一實施例的使用裸陶瓷方式來制作的陶瓷組件的示例層的剖視側視圖，圖1中所示視圖是在進行釬焊工藝之前。圖2圖示了根據第二實施例的使用裸陶瓷方式來制作的陶瓷組件的示例層的剖視側視圖，圖1中所示視圖是在進行釬焊工藝之前。圖3圖示了用于根據裸陶瓷方式來制作陶瓷組件的示例過程。圖4圖示了根據第一實施例的使用金屬化陶瓷方式的釬焊銅選擇來制作的陶瓷組件的示例層的剖視側視圖，圖4中所示視圖是在進行釬焊工藝之前。圖5圖示了根據第二實施例的使用金屬化陶瓷方式來制作的陶瓷組件的示例層的剖視側視圖，圖5中所示視圖是在進行釬焊工藝之前。圖6圖示了根據使用金屬化陶瓷方式的釬焊銅選擇來制作的陶瓷組件的示例層的剖視側視圖。圖7圖示了根據第三實施例的使用金屬化陶瓷方式的鍍制銅選擇來制作的陶瓷組件的示例層的剖視側視圖。圖8圖示了用于根據金屬化陶瓷方式的鍍制銅選擇來制作陶瓷組件的示例過程。圖9圖示了示例陶瓷組件的剖視側視圖。圖10-11圖示了向圖9的示例陶瓷組件施加的兩步蝕刻工藝。圖12圖示了在兩個相鄰焊盤之間的蝕刻表面的放大部分。圖13圖示了向圖9的示例陶瓷組件施加的兩步蝕刻工藝。圖14-17圖示了用于制作示例陶瓷組件之時構圖銅層和接合層的第二方式。圖18圖示了根據一個實施例的用于制作微型換熱組件的示例過程。圖19圖示了具有使用裸陶瓷方式來制作的陶瓷組件的完整微型換熱組件的示例層的剖視側視圖。圖20圖示了具有使用金屬化陶瓷方式的釬焊銅選擇來制作的陶瓷組件的完整微型換熱組件的示例層的剖視側視圖。圖21圖示了具有使用金屬化陶瓷方式的鍍制銅選擇來制作的陶瓷組件的完整微型換熱組件的示例層的剖視側視圖。參照附圖的若干圖描述微型換熱組件。在適當時并且僅在多于一幅附圖中公開和示出相同元件時，將使用相同標號以代表這樣的相同元件。
具體實施例方式現在將具體參照微型換熱組件的實施例，其中在附圖中圖示了該微型換熱組件的例子。盡管下文將結合實施例描述微型換熱組件，但是將理解它們并非意在將微型換熱組件限于這些實施例和例子。相反，微型換熱組件意在覆蓋可以包括在如所附權利要求書限定的微型換熱組件的精神實質和范圍內的替代、修改和等效物。另外，在對微型換熱組件的下文具體描述中闡述諸多具體細節以便更全面地說明微型換熱組件。然而本領域普通技術人員將清楚無這些具體細節仍可實施微型換熱組件。在其它實例中沒有具體描述公知方法和流程、部件和工藝以免不必要地使微型換熱組件的各方面難以理解。實施例涉及一種微型換熱組件和陶瓷組件及其制作方法。微型換熱組件被配置成冷卻一個或者多個發熱器件，例如電子器件。在一些實施例中，微型換熱組件包括多個電和熱傳導焊盤，各傳導焊盤相互電隔離。發熱器件使用任何常規方法如焊接來電和熱耦合到傳導焊盤。在一種示例應用中，各焊盤耦合到在用于工業切割和標記應用的高功率激光器中使用的激光二極管陣列中的一個激光二極管。在這樣的應用中，微型換熱組件稱為用于激光二極管的微型換熱器(MELD )。該微型換熱組件特別適用于要求在共同平面中布置多個發熱器件，如激光二極管陣列的那些應用。通過電隔離各傳導焊盤，耦合到傳導焊盤的發熱器件相互電隔離而又維持從各發熱器件向微型換熱器的均勻高速率的熱傳遞。為了提供這一電隔離，使用具有高熱傳導率和高電阻率的陶瓷層。在一些實施例中，陶瓷層由氧化鈹、氧化鋁或者氮化鋁制成。陶瓷層的頂表面和底表面各自使用中間接合材料來鍵合到傳導層。在鍵合工藝期間釬焊接合材料使液相線接合材料能夠熔化，這提供材料向陶瓷層與傳導層的接觸表面上的微孔中的局部化“流動”，由此提高熱效率。在一些實施例中，各傳導層為銅。蝕刻頂部傳導層和中間接合材料以形成電隔離的傳導焊盤。鍵合的陶瓷層和傳導層形成第一陶瓷組件。第一陶瓷組件的底部傳導層鍵合到冷卻流體循環經過的微型換熱器的頂表面。微型換熱器由熱傳導材料制成。在一些實施例中，微型換熱器由銅制成。從耦合到傳導焊盤的發熱器件向流過微型換熱器的流體傳熱。在一些實施例中，形成第二陶瓷組件并且將它焊接到微型換熱器的底部表面。第二陶瓷組件也可以包括多個電隔離的傳導焊盤，這些焊盤可以與第一陶瓷組件上的焊盤相同或者不同地加以構圖。微型換熱組件的制作包括制作陶瓷組件、制作微型換熱器以及最終組裝和釬焊微型換熱組件這些主要步驟。A.制作陶瓷組件通過使用中間接合材料將傳導層鍵合到薄陶瓷板的兩側來形成陶瓷組件。在一些實施例中，各傳導層為銅層。在一些實施例中，陶瓷板由氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O3)或者氮化鋁(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決于最小化傳熱阻抗而又維持鍵合層機械強度的能力。傳熱阻抗隨著陶瓷板的厚度減少而減少，但是機械強度隨著陶瓷板的厚度增加而增加。在一些實施例中，陶瓷板厚度從約100微米到若干毫米變化。在更多其它實施例中，陶瓷板的厚度范圍為約0.5mm到約0.75mm。各銅層的厚度取決于組裝的單元的卷曲程度和對為了平坦化銅層而對它進行打磨的需要。在一些實施例中，銅層厚度范圍為約0. 05mm到約0. 5mm。在更多其它實施例中，銅層的厚度約為0. 25mm。在一些實施例中，陶瓷組件的表面積范圍為約1250mm2到約8000mm2。陶瓷組件的一個制作要求在于提供銅層到陶瓷板的優良鍵合。除了陶瓷板之外， 能夠通過對銅層和接合材料的選擇性去除來構圖陶瓷組件的其余層以便制成電隔離的構圖的銅焊盤。公開了用于將銅鍵合到陶瓷板的兩側的各種技術。一種方式是使用活性釬焊合金(ABA)材料(例如基于銅的ABA(Cu-ABA)、基于銅和銀的ABA(CuSil-ABA)和基于銦、 銅和銀的ABAanCuSil-ABA))的裸陶瓷方式。這些ABA中的各ABA富含銅，并因此提供良好的熱傳導率。這些ABA中的各ABA包括用于與陶瓷鍵合的少量活性成分。在一些實施例中，這些ABA中的各ABA包括鈦(Ti)作為活性成分。ABA中的鈦與陶瓷板和銅層反應以提供化學鍵合從而獲得形成于銅層與陶瓷板之間的接合層界面。應當理解包括除了鈦之外的一種或者多種活性成分的替代ABA可以用來與陶瓷鍵合。另外，使用釬焊材料作為中間接合材料提供材料向接觸表面的微孔中的“流動”。 釬焊是一種由此將接合材料如金屬或者合金加熱到熔化溫度的接合工藝。在熔化溫度，液相線接合材料與基礎金屬的薄層相互作用，冷卻以形成強密封接合。所得接合層是ABA材料、銅層和陶瓷層的混合。釬焊材料的熔化溫度低于接合的材料的熔化溫度。在使用釬焊工藝以將陶瓷層鍵合到銅層的情況下，釬焊溫度低于用來將兩層直接銅鍵合在一起的常規溫度。降低溫度也減少冷卻的銅-陶瓷組件上的卷曲效應。表1示出了銅與陶瓷鍵合工藝中所用的一些所選活性釬焊合金的成分和熔化溫度。
權利要求
I.一種器件，包括a.換熱器件，包括熱傳導材料，其中所述換熱器件被配置成從所述熱傳導材料向流過其的流體傳熱；以及b.熱傳導陶瓷組件，熱耦合到所述換熱器件，其中所述陶瓷組件包括
1.傳導層； .陶瓷層；以及iii.活性釬焊合金，鍵合于所述傳導層與所述陶瓷層之間以形成接合層，其中所述傳導層和所述接合層被配置成形成一個或者多個電隔離的傳導焊盤。
2.根據權利要求1所述的器件，其中所述傳導層和所述接合層被構圖以形成多個電隔離的焊盤，另外所述多個電隔離的焊盤中的各個焊盤通過所述陶瓷層來相互電隔離。
3.根據權利要求1所述的器件，其中所述陶瓷組件還包括第二傳導層；以及第二活性釬焊合金層，鍵合于所述第二傳導層與所述陶瓷層之間以形成第二接合層。
4.根據權利要求3所述的器件，還包括金屬到金屬接合層，鍵合于所述陶瓷組件的第二傳導層與所述換熱器件之間。
5.根據權利要求1所述的器件，其中所述傳導層和所述換熱器件是基于銅的。
6.根據權利要求1所述的器件，其中所述陶瓷層包括氧化鈹、氧化鋁或者氮化鋁。
7.根據權利要求1所述的器件，其中所述活性釬焊合金包括基于銅的活性釬焊合金、 基于銅-銀的活性釬焊合金或者基于銦-銅-銀的活性釬焊合金。
8.根據權利要求1所述的器件，其中所述活性釬焊合金層包括活性接合材料膏或者活性接合材料箔。
9.根據權利要求1所述的器件，還包括第二熱傳導陶瓷組件，熱耦合到所述換熱器件的與所述陶瓷組件相反的一側。
10.一種器件，包括a.換熱器件，包括熱傳導材料，其中所述換熱器件被配置成從所述熱傳導材料向流過其的流體傳熱；以及b.熱傳導陶瓷組件，熱耦合到所述換熱器件，其中所述陶瓷組件包括i.傳導層； .陶瓷層，包括金屬化第一表面；以及iii.接合材料，鍵合于所述傳導層與所述陶瓷層的金屬化第一表面之間以形成接合層，其中所述傳導層、所述接合層和所述金屬化第一表面被配置成形成一個或者多個電隔離的傳導焊盤。
11.根據權利要求10所述的器件，其中所述傳導層和所述接合層被構圖以形成多個電隔離的焊盤，另外所述多個電隔離的焊盤中的各個焊盤通過所述陶瓷層來相互電隔離。
12.根據權利要求10所述的器件，其中所述陶瓷層還包括金屬化第二表面，并且所述陶瓷組件還包括第二傳導層；以及第二接合材料，鍵合于所述第二傳導層與所述陶瓷層的金屬化第二表面之間以形成第二接合層。
13.根據權利要求12所述的器件，還包括金屬到金屬接合層，鍵合于所述陶瓷組件的第二傳導層與所述換熱器件之間。
14.根據權利要求10所述的器件，其中所述傳導層和所述換熱器件是基于銅的。
15.根據權利要求10所述的器件，其中所述陶瓷層包括氧化鈹、氧化鋁或者氮化鋁。
16.根據權利要求10所述的器件，其中所述金屬化第一表面包括鉬錳和鎳。
17.根據權利要求10所述的器件，還包括第二熱傳導陶瓷組件，熱耦合到所述換熱器件的與所述陶瓷組件相反的一側。
18.根據權利要求10所述的器件，其中所述接合材料包括銅-銀膏、銅-金膏、銅-銀箔或者銅-金箔。
19.根據權利要求10所述的器件，其中所述接合材料和所述傳導層包括銀鍍制的銅片。
20.一種器件，包括a.換熱器件，包括熱傳導材料，其中所述換熱器件被配置成從所述熱傳導材料向流過其的流體傳熱；以及b.熱傳導陶瓷組件，熱耦合到所述換熱器件，其中所述陶瓷組件包括 i.陶瓷層，包括金屬化第一表面；以及 .傳導層，鍍制到所述金屬化第一表面，其中所述傳導層和所述金屬化第一表面被配置成形成一個或者多個電隔離的傳導焊盤。
21.根據權利要求20所述的器件，其中所述傳導層和所述金屬化第一表面被構圖以形成多個電隔離焊盤，另外所述多個電隔離的焊盤中的各個焊盤通過所述陶瓷層來相互電隔1 O
22.根據權利要求20所述的器件，其中所述陶瓷層還包括金屬化第二表面，并且所述陶瓷組件還包括鍍制到所述金屬化第二表面的第二傳導層。
23.根據權利要求22所述的器件，還包括金屬到金屬接合層，鍵合于所述陶瓷組件的第二傳導層與所述換熱器件之間。
24.根據權利要求20所述的器件，其中所述傳導層和所述換熱器件是基于銅的。
25.根據權利要求20所述的器件，其中所述陶瓷層包括氧化鈹、氧化鋁或者氮化鋁。
26.根據權利要求20所述的器件，其中所述金屬化第一表面包括鉬錳和鎳。
27.根據權利要求20所述的器件，還包括第二熱傳導陶瓷組件，熱耦合到所述換熱器件的與所述陶瓷組件相反的一側。
全文摘要
一種微型換熱組件被配置成冷卻一個或者多個發熱器件，例如集成電路或者激光二極管。微型換熱組件包括熱耦合到第一表面的第一陶瓷組件和熱耦合到第二表面的第二陶瓷組件。陶瓷組件包括用于熱耦合到發熱器件的一個或者多個電和熱傳導焊盤，各傳導焊盤相互電隔離。陶瓷組件包括用于提供這一電隔離的陶瓷層。陶瓷層的頂表面和底表面各自使用中間接合材料鍵合到傳導層、例如銅。進行釬焊工藝以經由接合層將陶瓷層鍵合到傳導層。接合層是接合材料、陶瓷層和傳導層的合成物。
文檔編號H01S5/024GK102171897SQ200980137589
公開日2011年8月31日 申請日期2009年8月5日 優先權日2008年8月5日
發明者B·倫格, M·達塔, M·麥克斯特 申請人:固利吉股份有限公司