硅基毛細泵回路微型冷卻器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種硅基毛細泵回路微型冷卻器，屬于微電子芯片的溫控領域。本發明由一對半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片鍵合而成，硅片與硼硅酸玻璃片接觸的表面刻蝕有蒸發器、冷凝器、汽相通道、液相通道、儲液腔和抽真空/注液通道；蒸發器和冷凝器由汽相通道和液相通道連接，形成閉合回路；蒸發器內部包括微小槽道；冷凝器包括冷凝微通道；硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；儲液腔則與蒸發器相連。本發明能夠直接與半導體微電子芯片集成為一體，從而有效降低芯片的溫度和溫度梯度，減少并削弱因局部高熱流而造成的“熱點”問題，保障芯片的安全可靠運行。
【專利說明】硅基毛細泵回路微型冷卻器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高效微冷卻器件，尤其涉及一種硅基毛細泵回路微型冷卻器，屬于微電子芯片的溫控領域。
【背景技術】
[0002]隨著半導體信息通訊產業的快速發展，各種相關產品和設備的高度集成化和微小型化已成為重要發展趨勢，由此導致微電子芯片工作熱負荷快速增加并造成發熱量過大的問題，嚴重影響其乃至整個系統的工作可靠性。同時，微電子芯片本身的發熱不均將在表面產生“熱點”(發熱強度可超過107W/m2)，其存在被認為是造成芯片“熱失控”、威脅系統安全的關鍵原因。針對微電子芯片冷卻空間狹小、散熱困難的特點，為將芯片溫度控制在安全水平并提高其均溫性、減少局部“熱點”，亟需發展新型的微冷卻技術。
[0003]在各種微電子器件散熱冷卻技術中，微小型毛細泵回路(CPL)因其獨特的散熱性能和良好的空間適應性正日益受到關注，被認為是一種很有發展前景的新型微冷卻散熱技術。目前，該熱管主要通過毛細管與金屬板(塊)的連接制作構成回路或直接在金屬板上加工用于構成蒸發器和冷凝器的微小槽道結構來實現。如Wan等在《Journal of CentralSouth University Technology》(2008 年 15 卷 235-239 頁)上發表的 “Design andperformance test of miniature capillary pumped loop for electronics cooling，，(電子冷卻用小型毛細泵回路的設計和性能測試)中所提出的蒸發器和冷凝器相互分離、并通過毛細管將兩者連接的毛細泵回路；以及專利號US20000702860，名稱為“Cooling DeviceUsing Capillary Pumped Loop”(基于毛細泵回路的冷卻裝置)的美國專利中所公開的一種直接在平板上加工蒸發器、冷凝器和回路結構的平板毛細泵回路。由上述方法制作得到的毛細泵回路，一般通過與微電子器件的直接接觸而將熱量帶出，由此降低其工作溫度。這種散熱模式在連接過程中會引入額外接觸熱阻，降低其散熱效率，而在減少芯片表面局部“熱點”方面也存在較大的局限；同時，還可能因材料兼容性而導致熱應力集中的問題，當器件本身溫度分布不均時表現更為嚴重。
【發明內容】
[0004]要解決的問題
針對現有CPL熱管散熱技術難以解決微電子芯片工作熱負荷快速增加并造成發熱量過大以及微電子芯片本身的發熱不均將在表面產生局部“熱點”的問題，本發明提供了一種硅基毛細泵回路微型冷卻器，通過硅基CPL直接有效降低芯片“熱點”部位的溫度、提高散熱冷卻效率，結合CPL的自身特性和微尺度傳熱的優點增強傳熱溫控能力，使微電子芯片的工作性能更加安全可靠。
[0005]技術方案
為解決上述問題，本發明采用如下的技術方案。
[0006]一種硅基毛細泵回路微型冷卻器，所述的微型冷卻器由一對半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片鍵合而成；所述的硅片與硼硅酸玻璃片接觸的表面刻蝕有蒸發器、冷凝器、汽相通道、液相通道、儲液腔和抽真空/注液通道；所述的蒸發器和冷凝器由汽相通道和液相通道連接，形成閉合回路；所述的蒸發器內部包括微小槽道；所述的冷凝器包括冷凝微通道；所述的冷凝微通道由沿冷凝液流動方向刻蝕的硅片構成；所述的硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；所述的抽真空/注液孔與冷凝器相連的抽真空/注液微通道的頂端位置相對應；所述的儲液腔則與蒸發器相連。所述的硅基微冷卻器能夠直接與半導體微電子芯片集成為一體。
[0007]優選地，所述的蒸發器的微小槽道結構由微肋陣列毛細結構或蒸發微通道構成。
[0008]更優選地，所述的微肋陣列毛細結構為蒸發器處未被刻蝕的且經隔斷處理后的硅片；所述的蒸發微通道由沿冷卻工質流動方向被刻蝕的硅片部分構成。
[0009]優選地，所述的冷凝微通道為等間距陣列，且間距為300-700 μ m。
[0010]優選地，所述的微肋陣列毛細結構的微肋橫截面的形狀為矩形、三角形或圓形；所述的蒸發微通道和冷凝微通道的截面為矩形、三角形或梯形。
[0011]優選地，所述的汽相通道和液相通道的截面尺寸保持不變或者沿通道方向呈線性變化。
[0012]更優選地，所述的汽相通道和液相通道的截面尺寸沿通道方向線性變化，其中汽相通道從蒸發器向冷凝器方向線性增大，而液相通道從蒸發器向冷凝器方向線性減小。
[0013]優選地，所述的抽真空/注液微通道內液體工質充注體積占整個硅基毛細泵回路總體積的40%?60%。
[0014]更優選地，所充注液體工質為環保低沸點相變工質，水、乙醇、FC-72。
[0015]本發明對于硅基CPL微通道的尺寸選擇，其水力直徑通常可介于100-500μπι之間，其中熱管蒸發器部位通道水力直徑較小，可取100-300μπι，冷凝器部位微通道水力直徑則可取200-500 μ m ;而對連接蒸發器和冷凝器的汽、液相通道，則要求液相通道的尺寸較汽相通道小，以利于工質在熱管內的循環工作。
[0016]本發明通過半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片靜電鍵合技術，將硼硅酸玻璃與刻蝕有毛細結構、微通道和儲液槽的硅片鍵合為一體，形成由玻璃密封的硅基CPL，使用時采用一定技術手段將娃基CPL與半導體微電子芯片集成為一體,通過娃基CPL直接有效降低芯片“熱點”部位的溫度、提高散熱冷卻效率，結合CPL的自身特性和微尺度傳熱的優點增強傳熱溫控能力，使微電子芯片的工作性能更加安全可靠。
[0017]有益效果
相比于現有技術，本發明的有益效果為:
(1)本發明中所涉及的CPL蒸發器內部包括微肋陣列毛細結構，且該微肋陣列由蒸發器處未被刻蝕的且經隔斷處理后的硅片構成，具有微通道分隔強化換熱的功能，通過對微通道進行隔斷處理所形成的微肋陣列，可破壞邊界層的充分發展，以此使整個微通道沿長度方向的平均邊界層厚度變薄，從而起到強化換熱的效果。同時，該種結構在減小工質流動阻力的同時，還能顯著增強CPL蒸發器的潤濕/自潤濕效果，延遲其在較高熱負荷情況下因工質不足而造成的燒干問題，提高熱管的傳熱極限；
(2)本發明中所述的蒸發器和冷凝器由汽相通道和液相通道連接，蒸發器硅基吸收來自微電子芯片工作產生的熱量，冷卻工質接受熱量后發生蒸發相變，由液相變為汽相。在蒸發器和冷凝器工質壓差的作用下，蒸發形成的汽相工質經汽相回路向冷凝器運動，在冷凝器處經冷卻后又恢復為液相，在壓差作用下冷卻液沿液相回路返回蒸發器，繼續吸熱蒸發，如此往復，循環工作。通過該過程，可使芯片溫度較高的“熱點”部位熱量經與其直接集成在一起的CPL傳遞至溫度較低的部位，實現減小和平衡溫差的作用；
(3)本發明所述的硅基CPL微型冷卻器，由于具有傳統CPL的特點和微尺度下的傳熱強化的優勢，使其在有效克服傳統散熱方式難以應對“芯片級冷卻”不足的同時又兼具強化換熱的功能；
(4)本發明中連接蒸發器和冷凝器的汽相通道和液相通道的直徑可線性變化，有利于工質在熱管內的循環工作。
[0018](5)本發明中將娃基CPL與微電子芯片集成制作于一體,能夠有效減少傳統冷卻成本、降低能耗，且能夠改善芯片的散熱冷卻效果和承載熱負荷的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的一種構成毛細泵回路微型冷卻器的硅片結構圖。
[0020]圖2為本發明的另一種構成毛細泵回路微型冷卻器的硅片結構圖。
[0021]圖3本發明中構成毛細泵回路微型冷卻器的耐熱硼硅酸玻璃結構圖
圖中標號說明:1、硅片；2、蒸發器；3、冷凝器；4、汽相通道；5、液相通道；6、儲液腔；7、微肋陣列毛細結構；8、冷凝微通道；9、抽真空/注液微通道；10、蒸發微通道；11、硼硅酸玻璃片；12、抽真空/注液孔。
【具體實施方式】
[0022]為進一步了解本發明的內容，下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。
[0023]實施例1
如圖1、圖3所示，一種硅基毛細泵回路微型冷卻器由一對半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片11鍵合而成且能夠直接與半導體微電子芯片集成為一體。其中硅片I與硼硅酸玻璃片接觸的表面刻蝕有蒸發器2、冷凝器3、汽相通道4、液相通道5、儲液腔6和抽真空/注液通道9 ;蒸發器2和冷凝器3由汽相通道4和液相通道5連接，形成閉合回路；蒸發器2內部包括微小槽道，冷凝器3包括冷凝微通道8 ;冷凝微通道8由沿冷凝液流動方向刻蝕的硅片構成；硼硅酸玻璃片11上加工有抽真空/注液孔12 ;抽真空/注液孔12與冷凝器相連的抽真空/注液微通道9的頂端位置相對應；儲液腔6則與蒸發器2相連。從所述的抽真空/注液微通道9內充注50%體積分數的水。
[0024]另外，蒸發器2的微小槽道結構由微肋陣列毛細結構7或蒸發微通道10構成。其中微肋陣列毛細結構7為蒸發器2處未被刻蝕的且經隔斷處理后的硅片；蒸發微通道10由沿冷卻工質流動方向被刻蝕的硅片部分構成。汽相通道4和液相通道5的截面尺寸保持不變。
[0025]圖1中，硅片上汽相通道4的寬度為800 μ m，液相通道5的寬度為500 μ m，冷凝器內含有8條寬度400 μ m的微通道，蒸發器2內沿矩形微肋長度方向共有10條寬度240 μ m的微通道，而沿微肋寬度方向的間距則為500 μ m。微通道干法刻蝕深度為200 μ m，由此形成的矩形截面的汽相通道4、液相通道5、冷凝器微通道8和微肋陣列毛細結構7的水力直徑分別為320 μ m、285.7 μ m ,267.7 μ m和218.2 μ m。而與蒸發器相連的矩形儲液腔6的大小則為3000 μ mX2500 μ m，通過該儲液腔6能夠有效控制不同熱負荷下蒸發器工質液體的蒸發量，并承擔調節冷凝器3冷卻散熱面積的任務，由此控制芯片的工作溫度。
[0026]本硅基CPL微型冷卻器可與微電子芯片直接集成，通過水在熱管回路內的相變和汽、液兩相運動實現對芯片的直接冷卻和“熱點”消除功能。
[0027]實施例2
如圖2、圖3所示，同實施例1，所不同的是毛細泵回路的蒸發器2處不為實施例1所述的微肋陣列毛細結構7，而是與冷凝器3類似的蒸發微通道10。
[0028]實施例3
同實施例1、實施例2，所不同的是硅基毛細泵回路微型冷卻器中汽相通道4和液相通道5的截面尺寸沿通道方向呈線性變化，其中汽相通道4從蒸發器2向冷凝器3方向線性增大，而液相通道5的變化則剛好相反。汽相通道寬度由600 μ m增加到1200 μ m，對應通道水力直徑由300 μ m增加到342.9 μ m ;而液相通道5的截面積從蒸發器2向冷凝器3方向呈線性減小變化，通道寬度由700 μ m減小到300 μ m，對應通道水力直徑由311.1 μ m減小到240 μ m0經過以上調整，有利于增強冷卻工質在汽相通道4和液相通道5內的自發運動效果，減小流動阻力，從而使工質在整個毛細泵回路微型冷卻器內的流動更加暢通，提高其運行性能。
[0029]實施例4
同實施例1、實施例2、實施例3，所不同的是，微肋陣列毛細結構7的微肋橫截面的形狀為三角形，蒸發微通道10的截面形狀為三角形，冷凝微通道8的截面形狀為三角形。
[0030]實施例5
同實施例1、實施例2、實施例3，所不同的是，微肋陣列毛細結構7的微肋橫截面的形狀為圓形，蒸發微通道10的截面形狀為梯形，冷凝微通道8的截面形狀為三角形。
[0031]實施例6
同實施例1、實施例2、實施例3，所不同的是，從所述抽真空/注液微通道9內充注50%體積分數的乙醇。
[0032]實施例7
同實施例1、實施例2、實施例3，所不同的是，從所述抽真空/注液微通道9內充注40%體積分數的FC-72。
[0033]本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其中汽相通道4和液相微通道5寬度以及冷凝器2和蒸發器3內微通道的寬度和數量可根據實際需要而進行調整。而微通道的刻蝕深度同樣也可以進行調整。
【權利要求】
1.一種硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于，所述的微型冷卻器由一對半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片(11)鍵合而成；所述的硅片(I)與硼硅酸玻璃片接觸的表面刻蝕有蒸發器(2)、冷凝器(3)、汽相通道(4)、液相通道(5)、儲液腔(6)和抽真空/注液通道(9)；所述的蒸發器(2)和冷凝器(3)由汽相通道(4)和液相通道(5)連接，形成閉合回路；所述的蒸發器(2)內部包括微小槽道；所述的冷凝器(3)包括冷凝微通道(8);所述的冷凝微通道(8)由沿冷凝液流動方向刻蝕的硅片構成；所述的硼硅酸玻璃片(11)上加工有抽真空/注液孔(12);所述的抽真空/注液孔(12)與冷凝器相連的抽真空/注液微通道(9)的頂端位置相對應；所述的儲液腔(6)則與蒸發器(2)相連。
2.根據權利要求1所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于，所述的蒸發器(2)的微小槽道結構由微肋陣列毛細結構(7)或蒸發微通道(10)構成。
3.根據權利要求2所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于，所述的微肋陣列毛細結構(7)為蒸發器(2)處未被刻蝕的且經隔斷處理后的硅片；所述的蒸發微通道(10)由沿冷卻工質流動方向被刻蝕的硅片部分構成。
4.根據權利要求1所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于，所述的冷凝微通道(8)為等間距陣列。
5.根據權利要求3所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于，所述的微肋陣列毛細結構(7)的微肋橫截面的形狀為矩形、三角形或圓形；所述的蒸發微通道(10)和冷凝微通道(8)的截面為矩形、三角形或梯形。
6.根據權利要求1所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于，所述的汽相通道(4 )和液相通道(5 )的截面尺寸保持不變或者沿通道方向呈線性變化，且液相通道(5 )的直徑小于汽相通道(4)的直徑。
7.根據權利要求6所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于，所述的汽相通道(4)和液相通道(5)的截面尺寸沿通道方向線性變化，其中汽相通道(4)從蒸發器(2)向冷凝器(3)方向線性增大；而液相通道(5)從蒸發器(2)向冷凝器(3)方向線性減小。
8.根據權利要求1所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，所述的抽真空/注液微通道(9)內液體工質充注體積占整個硅基毛細泵回路總體積的40%飛0%。
9.根據權利要求8所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，其特征在于:所充注液體工質為環保低沸點相變工質，水、乙醇、FC-72等。
10.根據權利要求1至9任一項所述的硅基毛細泵回路微型冷卻器，所述的硅基微冷卻器能夠直接與半導體微電子芯片集成為一體。
【文檔編號】G06F1/20GK103442541SQ201310322045
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】屈健, 王謙, 何志霞, 王穎澤 申請人:江蘇大學