一种电子封装排水装置及定向疏水结构、制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电子封装技术领域，尤其涉及一种电子封装排水装置及定向疏水结构、制备方法和应用。

背景技术

现代高精密电子设备有着及其复杂的电路设计与造价成本，使得电路的维护设计，如防潮湿与排水系统的设计变的尤为重要。根据摩尔定律，电子元件与封装工艺将朝着更加精细与微小化的方向发展，各电子元件与电路封装之间的距离更加窄小，意味着微小液体对电子设备的渗透极易产生短路，将会极大影响电子元件的寿命和可靠性。因此有效处理电路排水问题对于提高精密电子设备的寿命与稳定性有着至关重要的作用。电路排水系统的设计日益成为电子封装中重要的组成部分。

随着电子技术的飞速发展，电子设备普遍应用于人类社会中，如汽车、卫星、航母和通信系统等民生军事领域，还广泛应用于工业生产、尖端制造等工业发展领域。如今，电子设备对环境的适应性要求越来越高，为适应在潮湿以及突发性潮湿环境下，合理的电子排水系统设计将越来越重要。然而，功能器件的高度集成化已逐渐将封装空间压至物理极限，迫使排水系统需要与先进的微电子封装技术相匹配，这给电子器件封装的排水要求带来了很大的压力。因此，为提高精密电子设备的稳定性和寿命，使得设计合理的电子封装排水系统变的迫在眉睫。

目前，常见的电子元器件封装的排水方式有自然蒸发，通电疏导等方式。如在高负荷数据中心的存储器中，利用设备自身的热量快速蒸发微小液体，同时达到散热的作用，但这种方式只能应用于器件的工作区间，并不能持续。还有如在一些芯片中采用疏水材料并加工出特定的水槽，利用电磁驱动实现液滴的定向传输，但该方法加工成本与要求极高，不适用于大规模的推广。

随着技术的发展，电子排水封装的前沿趋势之一是采用仿生疏水结构实现无外场作用下的流体自发性定向输送，能较好地避免外场激励下的流体定向输送的弊端。仿生疏水结构在自然界普遍存在，如荷叶、猪笼草捕虫笼内表面、蝴蝶翅膀表面等都具有超疏水的特性。更如沙漠中的仙人掌刺的锥形微柱结构，具有在无外场作用下进行流体定向输送的能力。这其中的关键机理是亲疏水表面之间或疏水结构曲率之间产生的拉普拉斯力的作用，使得液滴能够自发且不需要施加外力实现液体定向输送。因此，利用这种具有亲疏水结构材料和锥形微柱结构有望应用于电路排水系统的设计。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电子封装排水装置的定向疏水结构，其能够实现液滴的定向传输而不需要消耗外加能源。

本发明还提出一种具有排水功能的电子封装排水装置，其使用了上述的一种电子封装排水装置的定向疏水结构。

本发明还提出一种电子封装排水装置的定向疏水结构的制备方法，用于制备上述的定向疏水结构。

本发明还提出一种定向疏水结构在具有排水功能的电子封装排水装置中的应用。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电子封装排水装置的定向疏水结构，包括：封装模具、基板、定向疏水垫片、金线和锥形微柱；

所述基板设置于所述封装模具；所述定向疏水垫片设置于所述基板，两块所述基板之间的所述定向疏水垫片通过所述金线连接；所述金线的两端分别连接所述定向疏水垫片的疏水端；所述基板于所述定向疏水垫片的亲水端设有微型槽；所述锥形微柱底部的接触底面靠近伸入所述微型槽，所述微型槽用于集中液滴，使液滴通过拉普拉斯力集中于所述微型槽，并沿所述锥形微柱排出于所述封装模具。

优选地，所述定向疏水垫片设有定向结构；

所述定向结构的两侧分别设有定向边，两个所述定向边之间距离差从所述疏水端至所述亲水端逐渐缩小，并于所述微型槽形成定向夹角。

更优地，同一块所述定向疏水垫片设有多个所述定向结构，相邻两个所述定向结构之间形成定向通道。

优选地，所述定向疏水垫片的材质包括：掺氟石墨烯。

优选地，所述锥形微柱于所述接触底面设有圆锥结构。

一种具有排水功能的电子封装排水装置，使用了上述的一种电子封装排水装置的定向疏水结构。

一种电子封装排水装置的定向疏水结构的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备定向疏水垫片；

S2：将定向疏水垫片分别固定于不同的基板；并使定向疏水垫片的亲水端靠近或抵靠微型槽；

S3：将锥形微柱底部的接触底面靠近或伸入微型槽；

S4：将金线的两端头分别连接不同定向疏水垫片的疏水端；

进行所述步骤S1-S4之间的任意一个步骤前或后，将基板安装于封装模具。

更优地，所述步骤S1中，在聚酰亚胺膜的表面采用紫外激光诱导法镀氟化乙丙烯膜，制得掺氟石墨烯复合薄膜；再利用紫外激光处理掺氟石墨烯复合薄膜，将掺氟石墨烯复合薄膜的末端修剪成亲疏相间的表面结构。

优选地，进行所述步骤S1-S4之间的任意一个步骤的前后，进行步骤S5；

所述步骤S5，具体包括以下步骤：

S5-1、打磨金属丝的表面；

S5-2、金属丝进行超声处理、水洗处理和/或烘干处理；

S5-3、将金属丝竖向地固定，并同步移动地连接于可竖向直线移动的平台；金属丝的一端与直流电源的正极相连，另一端浸泡在带有金属的电解液，直流电源的负极与金属导电连接，形成电解池结构；

S5-4、平台带动金属丝上下往复运动，加工出锥形微柱。

一种定向疏水结构在具有排水功能的电子封装排水装置中的应用，其特征在于，所述定向疏水结构为上述的一种电子封装排水装置的定向疏水结构，或上述一种电子封装排水装置的定向疏水结构的制备方法制备的定向疏水结构。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本方案提供一种电子封装排水装置的定向疏水结构，其能够实现液滴的定向传输而不需要消耗外加能源；同时，本方案所涉及的关键部件及其加工方法成本低廉，具有易加工和易普及的特点，可进一步满足了设备简单、易操作、低成本、精度高和灵活度高等需求，能应用于尺寸小、质量轻且需较高针对性保护的电子元件中，尤其在防潮与微电子排水封装系统提高精密电子设备的稳定性和寿命，在未来高精密高可靠性设备的制造方向有较大发展空间。

附图说明

图1是定向疏水结构其中一个实施例的的结构示意图；

图2是其中一块基板的其中一个实施例的结构示意图；

图3是制备定向疏水垫片的结构变化示意图；

图4是制备锥形微柱的电解池结构的其中一个实施例的结构示意图；

图5是定向疏水垫片其中一个实施例的结构示意图。

其中：

封装模具1、基板2、定向疏水垫片3、金线4、锥形微柱5；液滴9；

微型槽21；定向结构31；聚酰亚胺膜32、氟化乙丙烯膜33、掺氟石墨烯复合薄膜34；

亲水端311、疏水端312；定向边313；定向夹角314；定向通道315；

圆锥结构51；

电解池结构6、金属丝61、平台62、金属63；电解液64，

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图通过具体实施方式来进一步说明本方案的技术方案。

一种电子封装排水装置的定向疏水结构，包括：封装模具1、基板2、定向疏水垫片3、金线4和锥形微柱5；

所述基板2设置于所述封装模具1；所述定向疏水垫片3设置于所述基板2，两块所述基板2之间的所述定向疏水垫片3通过所述金线4连接；所述金线4的两端分别连接所述定向疏水垫片3的疏水端312；所述基板2于所述定向疏水垫片3的亲水端311设有微型槽21；所述锥形微柱5底部的接触底面靠近伸入所述微型槽21，所述微型槽21用于集中液滴9，使液滴9通过拉普拉斯力集中于所述微型槽21，并沿所述锥形微柱5排出于所述封装模具1。

本方案提供一种电子封装排水装置的定向疏水结构，其能够实现液滴的定向传输而不需要消耗外加能源；同时，本方案所涉及的关键部件及其加工方法成本低廉，具有易加工和易普及的特点，可进一步满足了设备简单、易操作、低成本、精度高和灵活度高等需求，能应用于尺寸小、质量轻且需较高针对性保护的电子元件中，尤其在防潮与微电子排水封装系统提高精密电子设备的稳定性和寿命，在未来高精密高可靠性设备的制造方向有较大发展空间。

具体地，如图1-2，基板2在定向疏水垫片3的亲水端311刻出微型槽21；连续性潮湿环境或者突发性潮湿环境下，封装模具1的内部潮湿，内部形成了水滴；，如图2的箭头方向为液滴的流动方向，位于定向疏水垫片3的水滴，在拉普拉斯力的作用下集中于微型槽21，从定向疏水垫片3的疏水端312移动至亲水端311；本方案在亲水端处设置了微型槽21，微型槽21的作用是使液滴流向更加集中，进而使液滴更充分接触于锥形微柱5底部的接触底面，液滴会在拉普拉斯力的作用下顺着锥形微柱5由下往上地将液滴排出，并最终排出于封装模具1外，实现了液滴的定向传输的效果而又不需要消耗外加能源的特点，解决了现有电子元器件封装的排水系统结构受限的问题。

优选地，所述定向疏水垫片3设有定向结构31；

所述定向结构31的两侧分别设有定向边313，两个所述定向边313之间距离差从所述疏水端312至所述亲水端311逐渐缩小，并于所述微型槽21形成定向夹角314。

如图5，定向结构31可以将水导向至微型槽21，定向结构31类似于三角形结构，三角形的其中两侧边为定向边313，且定向边313之间交于一点，因而形成定向边313之间的距离从所述疏水端312至亲水端311逐渐缩小的结构；三角形结构的两个定向边313之间形成了定向夹角314；由此，液滴受到拉普拉斯力的作用，从疏水端312(金线4键合处)移动至亲水端311(微型槽21处)。在锥形微柱5的接触底面处，液滴会从下往上沿锥形微柱5爬，从而逐渐将液滴排出于封装模具1的外部，实现电子封装中的定向疏水。

更优地，同一块所述定向疏水垫片3设有多个所述定向结构31，相邻两个所述定向结构31之间形成定向通道315。

如图5，多个定向结构31，亲疏水表面相间分布，可以提高排水的效率；同时，本方案采用微型槽21的结构，多个定向结构31从疏水端312至亲水端311，多个定向结构31的亲水端311可指向同一个微型槽21，微型槽21的水更容易收集液滴，液滴在微型槽21内汇集并形成一定液面高度，进而便于接触底面与液相接触；封装模具1内的水分更容易汇集于微型槽21，且对应位置的锥形微柱5能更快地排出于封装模具1。

进一步优化地，所述定向疏水垫片3的材质包括：掺氟石墨烯。

更优地，所述锥形微柱5于所述接触底面设有圆锥结构51。

按公知常识可知，以直角三角形的直角边所在直线为旋转轴，其余两边旋转360度而成的曲面所围成的几何体叫做圆锥。旋转轴叫做圆锥的轴。不垂直于轴的边旋转而成的曲面叫做圆锥的侧面。垂直于轴的边旋转而成的曲面叫做圆锥的底面，圆锥的底面相对端为圆锥的顶点。而本方案锥形微柱5底部的接触底面为圆锥的顶点，即本方案是一个顶点靠下的圆锥。且本方案的圆锥结构51可以为非规则的圆规，并不严格限定为规则的圆锥。

本方案的锥形微柱5为顶点靠下的圆锥结构51，液滴可以从下方的顶点沿圆锥的侧面上升至圆锥的底面，液滴受到拉普拉斯力，可以持续地向圆锥的底面上升，位阻最小，排水效率高，且连续。

一种具有排水功能的电子封装排水装置，使用了上述的一种电子封装排水装置的定向疏水结构。

一种电子封装排水装置的定向疏水结构的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备定向疏水垫片3；

S2：将定向疏水垫片3分别固定于不同的基板2；并使定向疏水垫片3的亲水端311靠近或抵靠微型槽21；

S3：将锥形微柱5底部的接触底面靠近或伸入微型槽21；

S4：将金线4的两端头分别连接不同定向疏水垫片3的疏水端312；

进行所述步骤S1-S4之间的任意一个步骤前或后，将基板2安装于封装模具1。

更优地，所述步骤S1中，在聚酰亚胺膜32的表面采用紫外激光诱导法镀氟化乙丙烯膜33，制得掺氟石墨烯复合薄膜34；再利用紫外激光处理掺氟石墨烯复合薄膜34，将掺氟石墨烯复合薄膜34的末端修剪成亲疏相间的表面结构。

聚酰亚胺膜32与氟化乙丙烯膜33两者的厚度可根据实际工艺及性能选择；而本方案优选聚酰亚胺膜32的厚度为50μm，氟化乙丙烯膜33的厚度优选为10μm；

之所以采用激光诱导法，是因氟化乙丙烯膜33对紫外激光器的透光率约为85.5％，而聚酰亚胺膜32在该波长下的透光率接近0，说明氟化乙丙烯膜33几乎是透明的，聚酰亚胺膜32可以完全吸收紫外光。因此，当高能密度紫外激光器通过氟化乙丙烯膜33进入聚酰亚胺膜32时，它可以完全被聚酰亚胺膜32表层吸收。利用氟化乙丙烯膜33和聚酰亚胺膜32对紫外激光的吸收，激光照射时氟化乙丙烯膜33和聚酰亚胺膜32界面产生极高的温度和压力，将聚酰亚胺膜32转化为掺氟石墨烯复合薄膜34。掺氟石墨烯复合薄膜34的超疏水性可以归因于氟元素的掺杂和激光处理后的微观结构，具体可以通过激光处理参数进行调整。再通过进一步紫外激光处理，将掺氟石墨烯复合薄膜34的末端修剪成亲疏相间的表面结构，如图3。该掺氟石墨烯复合薄膜34还具有良好的导电性，保证金线4两端电路的稳定性。

进一步优化地，进行所述步骤S1-S4之间的任意一个步骤的前后，进行步骤S5；

所述步骤S5，具体包括以下步骤：

S5-1、打磨金属丝61的表面；

打磨金属丝61的表面可以除去金属丝61表面的氧化层；

S5-2、金属丝61进行超声处理、水洗处理和/或烘干处理；

S5-3、将金属丝61竖向地固定，并同步移动地连接于可竖向直线移动的平台62；金属丝61的一端与直流电源的正极相连，另一端浸泡在带有金属63的电解液64，直流电源的负极与金属63导电连接，形成电解池结构6；

S5-4、平台62带动金属丝61上下往复运动，加工出锥形微柱5。

金属丝61在平台62的直线运动带动下，相对电解液64做上下往复运动，因此在其长度方向上形成了电化学腐蚀时间梯度，形成锥形微柱5；在上述加工过程中，可通过控制原材料金属丝61在电解液64中的处理时间、平台62上下往复运动的速度等运动参数，以更容易实现对锥形微柱5的形状貌进行精确控制，进而加工出不同结构的锥形微柱5，只要锥形微柱5可实现排水即可。由此，本方案的锥形微柱5用梯度加工法，其与传统的机加工方法相比，本方案的加工方法具有成本低、可控精度高和可加工不规则表面的优点。

此处给出其中一个实施例，金属丝61为铜丝，直径为0.1mm；加工前先对铜丝进行清洗：使用砂纸细致地打磨以除去表面的氧化层；接着将打磨后的铜丝放到超声清洗机里，先后使用浓度为1.0M的稀盐酸和去离子水分别清洗5分钟；然后放在纯氮气流中干燥。清洗后的铜丝被垂直地固定在平台62上。铜线的一端与5V直流电源的正极相连，另一端浸泡在硫酸铜电解液64(浓度：0.2M)里。CuSO4电解液64里同时浸泡着一块清洗后的铜片(尺寸：20mm×20mm)，形成电解池结构6。平台62以40mm/min的恒定速度上下往复运动(行程：10mm)，运动总时长约为40分钟。铜线在平台62的带动下，相对电解液64做上下往复运动，因此在其长度方向上形成了电化学腐蚀时间梯度，形成锥形结构的锥形微柱5，如图4。

一种定向疏水结构在具有排水功能的电子封装排水装置中的应用，所述定向疏水结构为上述的一种电子封装排水装置的定向疏水结构，或上述任意一种电子封装排水装置的定向疏水结构的制备方法制备的定向疏水结构。

以上结合具体实施例描述了本方案的技术原理。这些描述只是为了解释本方案的原理，而不能以任何方式解释为对本方案保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本方案的其它具体实施方式，这些方式都将落入本方案的保护范围之内。