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CN113784501B - 一种内嵌微流道的印制电路板集成结构及制作方法 - Google Patents

一种内嵌微流道的印制电路板集成结构及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内嵌微流道的印制电路板集成结构及制作方法，该集成结构包括内嵌微流道的印制电路板、微型液冷连接器公头和微型液冷连接器母头，内嵌微流道的印制电路板包括内嵌微流道的金属芯板、金属芯板顶部布线层、金属芯板底部布线层、进出液口、插针通孔和第一限位结构，插针通孔设置于进出液口周围，第一限位结构设置于进出液口和插针通孔之间并与进出液口同圆心；微型液冷连接器公头设置有第一螺纹结构、插针、第二限位结构和“O”形密封圈，“O”形密封圈能够嵌入第二限位结构和第一限位结构间；液冷连接器母头一端设置有与第一螺纹结构相配合的第二螺纹结构。该集成结构实现了冷却液体管路与内嵌微流道的印制电路板水密连接。

Description

一种内嵌微流道的印制电路板集成结构及制作方法
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，尤其涉及一种内嵌微流道的印制电路板集成结构及制作方法。
背景技术
在印制电路板表面通过贴装封装器件的工艺来实现电子系统的高密度集成是业内常用的方法。
传统的印制电路板主要由有机材料和铜布线材料组成，由于有机材料的热导率很低(通常＜1W/m·K)，很难满足大功率器件高密度集成的需要。中国发明专利申请202110552478.5提出了一种内嵌阵列微流道的印制电路板，将内嵌阵列微流道的金属芯板集成在印制电路板内部，实现阵列化高热流密度散热，满足低剖面阵列的高效散热和高密度集成需求。
液冷连接结构与内嵌微流道的印制板集成一般采用表贴工艺，会使液冷工质直接与焊料接触，在液冷工质长期冲刷作用下，焊料将发生腐蚀脱落，进而造成微流道的堵塞。如何实现液冷管路与印制板中微流道的高可靠水密互连，不产生腐蚀多余物，同时与SMT工艺相兼容，不增加额外特殊工艺，目前还未发现解决方案。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种内嵌微流道的印制电路板集成结构及制作方法，该集成结构实现了冷却液体管路与内嵌微流道的印制电路板水密连接，通过“O”形密封圈与液体接触，避免了焊料腐蚀问题的发生，同时可实现局部区域高热流密度散热，满足了高密度集成大功率电子器件的应用需求。
本发明采用的技术方案如下：
一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，包括：
内嵌微流道的印制电路板，所述内嵌微流道的印制电路板包括内嵌微流道的金属芯板、金属芯板顶部布线层、金属芯板底部布线层、进出液口、插针通孔和第一限位结构，所述内嵌微流道的金属芯板设置于所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层之间；所述进出液口设置于所述内嵌微流道的金属芯板的两端，且纵向贯穿所述金属芯板底部布线层；所述插针通孔设置于所述进出液口周围，且纵向贯穿所述内嵌微流道的金属芯板、所述金属芯板顶部布线层和金属芯板底部布线层；所述第一限位结构设置于所述进出液口和所述插针通孔之间并与所述进出液口同圆心，且纵向贯穿所述金属芯板底部布线层；
微型液冷连接器公头，所述微型液冷连接器公头的一端设置有第一螺纹结构，另一端设置有插针、第二限位结构和“O”形密封圈，所述插针能够插入所述插针通孔中，所述第二限位结构与所述第一限位结构同圆心且同直径，所述“O”形密封圈能够嵌入所述第二限位结构和所述第一限位结构之间，使所述内嵌微流道的印制电路板和所述微型液冷连接器公头水密连接；
微型液冷连接器母头，所述液冷连接器母头一端设置有与第一螺纹结构相配合的第二螺纹结构，另一端设置有液冷管水密连接结构，所述液冷管水密连接结构与液冷管水密连接。
进一步的，所述第一限位结构外侧设置有多个所述插针通孔。
进一步的，所述第一限位结构和所述第二限位结构的深度之和小于所述“O”形密封圈厚度的80％。
进一步的，所述金属芯板顶部布线层上所述插针通孔的周围设置有焊盘结构。
进一步的，所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层通过印制电路板层压工艺制作。
进一步的，所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层包括有机布线材料和铜布线材料。
进一步的，所述进出液口和所述插针通孔的横截面为圆形。
一种内嵌微流道的印制电路板集成结构制作方法，包括以下步骤：
步骤1：提供内嵌微流道的金属芯板、金属芯板顶部布线层和金属芯板底部布线层，所述内嵌微流道的金属芯板为闭合结构，未加工进出液口；
步骤2：将所述内嵌微流道的金属芯板进行表面处理；
步骤3：将所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层分层、逐次与所述内嵌微流道的金属芯板压合为内嵌微流道的印制电路板；
步骤4：通过钻孔工艺在所述内嵌微流道的印制电路板上加工插针通孔，通过深度控制铣切工艺加工第一限位结构和进出液口；
步骤5：提供液冷连接器公头和液冷连接器母头；
步骤6：通过工装固定所述液冷连接器公头与所述内嵌微流道的印制电路板，使所述液冷连接器公头的第二限位结构上表面紧贴所述金属芯板底部布线层外表面，在所述液冷连接器公头的插针与所述金属芯板顶层布线层的焊盘上设置焊料，通过回流焊接工艺将所述液冷连接器公头固定在所述内嵌微流道的印制电路板的所述进出液口处；
步骤7：将所述液冷连接器母头的一端与所述液冷连接器公头通过螺纹固定方式连接，另一端与液冷管连接。
进一步的，步骤2中将所述内嵌微流道的金属芯板进行表面处理的工艺为黑化或棕化。
进一步的，步骤4所述通过深度控制铣切工艺加工进出液口的过程中，在距离微流道沟槽下表面距离不大于0.2mm时，再通过激光烧蚀工艺完成所述进出液口加工。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)将液冷连接器公头通过加压回流工艺固定在内嵌微流道的印制电路板进出液口处，通过“O”形密封圈结构压缩变形实现液冷连接器与微流道的水密互连，液冷工质不直接与焊料等易被腐蚀的金属接触，避免了腐蚀多余物造成的堵塞问题。
(2)将液冷连接器母头与液冷连接器公头通过螺纹固定方式连接，实现了冷却液体管路与内嵌微流道的印制电路板水密连接。
(3)液冷连接器公头的加压回流工艺与封装器件的焊接工艺兼容，可一次回流焊接完成，不需要增加额外的特殊工序，该集成方法简单、成本低廉，可以实现大规模应用。
(4)通过使用控深铣切结合激光烧蚀技术制作进出液口的工艺，避免了铣切加工过程中可能导致的多余物堵塞流道等问题。
附图说明
图1是内嵌微流道的印制电路板集成结构的剖面示意图。
图2是内嵌微流道的印制电路板集成结构的结构示意图。
图3是液冷连接器公头的结构示意图。
图4是液冷连接器母头的结构示意图。
图5是内嵌微流道的印制电路板的加工过程示意图。
图6是内嵌微流道的印制电路板集成结构的制作过程示意图。
附图标记：1-内嵌微流道的金属芯板，2-微流道，3-金属芯板顶部布线层，4-焊盘，5-阻焊材料，6-封装器件，7-进出液口，8-液冷连接器公头，9-液冷连接器母头，10-液冷管，11-“O”形密封圈，12-第二限位结构，13-插针通孔。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1和2所示，本实施例提供了一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，包括内嵌微流道的印制电路板、微型液冷连接器公头8和微型液冷连接器母头9，其中内嵌微流道的印制电路板包括内嵌微流道的金属芯板1、金属芯板顶部布线层3、金属芯板底部布线层、进出液口7、插针通孔13和第一限位结构，内嵌微流道的金属芯板1设置于金属芯板顶部布线层3和金属芯板底部布线层之间；进出液口7设置于内嵌微流道的金属芯板1的两端，且纵向贯穿金属芯板底部布线层；插针通孔13设置于进出液口7周围，且纵向贯穿内嵌微流道的金属芯板1、金属芯板顶部布线层3和金属芯板底部布线层；第一限位结构设置于进出液口7和插针通孔13之间并与进出液口7同圆心，且纵向贯穿金属芯板底部布线层。需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图3所示，微型液冷连接器公头8的一端设置有第一螺纹结构，另一端设置有插针、第二限位结构12和“O”形密封圈11，插针能够插入插针通孔13中，第二限位结构12与第一限位结构同圆心且同直径，“O”形密封圈11能够嵌入第二限位结构12和第一限位结构之间，使内嵌微流道的印制电路板和微型液冷连接器公头8水密连接。
如图4所示，液冷连接器母头9一端设置有与第一螺纹结构相配合的第二螺纹结构，另一端设置有液冷管水密连接结构，液冷管水密连接结构与液冷管10水密连接。
优选地，金属芯板顶部布线层3和金属芯板底部布线层的材料为有机布线材料和铜布线材料，金属芯板顶部布线层3和金属芯板底部布线层通过印制电路板层压工艺制作。
内嵌微流道印制电路板中流道的尺寸在100μm～10mm之间，优选地，流道的尺寸为200μm。
内嵌微流道印制电路板的进出液口7为圆形，其典型尺寸在0.5mm～20mm之间。优选地，进出液口7的典型尺寸为1mm。
第一限位结构比进出液口7的直径大2mm～10mm，纵向贯穿金属芯板底部布线层，嵌于金属芯板上，与金属芯板下表面的垂直距离不小于0.2mm。优选地，第一限位结构比进出液口7的直径大4mm，纵向贯穿金属芯板底部布线层，嵌于金属芯板上，与金属芯板下表面的垂直距离为0.3mm。
插针通孔13的横截面为圆形，直径在0.5mm～2mm之间，每个第一限位结构外侧分布2个～6个插针通孔13。优选地，插针通孔13直径为0.8mm，每个第一限位结构外侧分布4个插针通孔13。
金属芯板顶部布线层3上插针通孔13的周围设置有焊盘4，焊盘4直径比插针通孔13直径大至少1mm，插针通孔13与紧相邻的微流道沟槽水平距离不小于2mm。优选地，焊盘4直径为2mm。
“O”形密封圈11由弹性水密材料制成，优选地，“O”形密封圈11的材料为硅橡胶。
第一限位结构和第二限位结构12的深度之和小于“O”形密封圈11厚度的80％。
插针的长度比内嵌微流道的金属芯板1厚度大至少0.5mm。优选地，插针比内嵌微流道的印制电路板厚度长0.6mm。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
如图5和6所示，本实施例提供了一种内嵌微流道的印制电路板集成结构制作方法，包括以下步骤：
步骤1：提供内嵌微流道的金属芯板1、金属芯板顶部布线层3和金属芯板底部布线层，内嵌微流道的金属芯板1为闭合结构，未加工进出液口7；
步骤2：将内嵌微流道的金属芯板1进行表面处理；
步骤3：将金属芯板顶部布线层3和金属芯板底部布线层分层、逐次与内嵌微流道的金属芯板1压合为内嵌微流道的印制电路板；
步骤4：通过钻孔工艺在内嵌微流道的印制电路板上加工插针通孔13，通过深度控制铣切工艺加工第一限位结构和进出液口7；
步骤5：提供液冷连接器公头8和液冷连接器母头9；
步骤6：通过工装固定液冷连接器公头8与内嵌微流道的印制电路板，使液冷连接器公头8的第二限位结构12上表面紧贴金属芯板底部布线层外表面，在液冷连接器公头8的插针与金属芯板顶层布线层的焊盘4上设置焊料，通过回流焊接工艺将液冷连接器公头8固定在内嵌微流道的印制电路板的进出液口7处；
步骤7：将液冷连接器母头9的一端与液冷连接器公头8通过螺纹固定方式连接，另一端与液冷管10连接。
优选地，步骤2中将内嵌微流道的金属芯板1进行表面处理的工艺为黑化或棕化。
优选地，步骤4通过深度控制铣切工艺加工进出液口7的过程中，在距离微流道沟槽下表面距离不大于0.2mm时，再通过激光烧蚀工艺完成进出液口7加工。更为优选地，在距离微流道沟槽下表面距离0.1mm时，通过激光烧蚀工艺完成进出液口7加工。
优选地，步骤6中使用“C”形夹固定液冷连接器公头8与内嵌微流道的印制电路板，保证液冷连接器公头8的第二限位结构12上表面紧贴金属芯板底部布线层外表面，“O”形圈压缩量不小于80％，在插针与金属芯板顶层布线层的焊盘4上点涂焊料，通过回流焊接工艺将液冷连接器公头8固定在内嵌微流道的印制电路板的进出液口7处。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

Claims (10)

1.一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，其特征在于，包括：
内嵌微流道的印制电路板，所述内嵌微流道的印制电路板包括内嵌微流道的金属芯板、金属芯板顶部布线层、金属芯板底部布线层、进出液口、插针通孔和第一限位结构，所述内嵌微流道的金属芯板设置于所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层之间；所述进出液口设置于所述内嵌微流道的金属芯板的两端，且纵向贯穿所述金属芯板底部布线层；所述插针通孔设置于所述进出液口周围，且纵向贯穿所述内嵌微流道的金属芯板、所述金属芯板顶部布线层和金属芯板底部布线层；所述第一限位结构设置于所述进出液口和所述插针通孔之间并与所述进出液口同圆心，且纵向贯穿所述金属芯板底部布线层；
微型液冷连接器公头，所述微型液冷连接器公头的一端设置有第一螺纹结构，另一端设置有插针、第二限位结构和“O”形密封圈，所述插针能够插入所述插针通孔中，所述第二限位结构与所述第一限位结构同圆心且同直径，所述“O”形密封圈能够嵌入所述第二限位结构和所述第一限位结构之间，使所述内嵌微流道的印制电路板和所述微型液冷连接器公头水密连接；
微型液冷连接器母头，所述液冷连接器母头一端设置有与第一螺纹结构相配合的第二螺纹结构，另一端设置有液冷管水密连接结构，所述液冷管水密连接结构与液冷管水密连接。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，其特征在于，所述第一限位结构外侧设置有多个所述插针通孔。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，其特征在于，所述第一限位结构和所述第二限位结构的深度之和小于所述“O”形密封圈厚度的80%。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，其特征在于，所述金属芯板顶部布线层上所述插针通孔的周围设置有焊盘结构。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，其特征在于，所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层通过印制电路板层压工艺制作。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，其特征在于，所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层包括有机布线材料和铜布线材料。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构，其特征在于，所述进出液口和所述插针通孔的横截面为圆形。
8.一种内嵌微流道的印制电路板集成结构制作方法，用于制作权利要求1所述的印制电路板集成结构，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提供内嵌微流道的金属芯板、金属芯板顶部布线层和金属芯板底部布线层，所述内嵌微流道的金属芯板为闭合结构，未加工进出液口；
步骤2：将所述内嵌微流道的金属芯板进行表面处理；
步骤3：将所述金属芯板顶部布线层和所述金属芯板底部布线层分层、逐次与所述内嵌微流道的金属芯板压合为内嵌微流道的印制电路板；
步骤4：通过钻孔工艺在所述内嵌微流道的印制电路板上加工插针通孔，通过深度控制铣切工艺加工第一限位结构和进出液口；
步骤5：提供液冷连接器公头和液冷连接器母头；
步骤6：通过工装固定所述液冷连接器公头与所述内嵌微流道的印制电路板，使所述液冷连接器公头的第二限位结构上表面紧贴所述金属芯板底部布线层外表面，在所述液冷连接器公头的插针与所述金属芯板顶部布线层的焊盘上设置焊料，通过回流焊接工艺将所述液冷连接器公头固定在所述内嵌微流道的印制电路板的所述进出液口处；
步骤7：将所述液冷连接器母头的一端与所述液冷连接器公头通过螺纹固定方式连接，另一端与液冷管连接。
9.根据权利要求8所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构制作方法，其特征在于，步骤2中将所述内嵌微流道的金属芯板进行表面处理的工艺为黑化或棕化。
10.根据权利要求8所述的一种内嵌微流道的印制电路板集成结构制作方法，其特征在于，步骤4所述通过深度控制铣切工艺加工进出液口的过程中，在距离微流道沟槽下表面距离不大于0.2mm时，再通过激光烧蚀工艺完成所述进出液口加工。
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