硅基毛细泵回路微型冷却器制造技术

技术编号:12520350 阅读:125 留言:0更新日期:2015-12-17 11:14
一种硅基毛细泵回路微型冷却器,其特征是它由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合在一起而形成,其中在与硼硅酸玻璃接触的硅片(1)表面刻蚀有蒸发器(2)、冷凝器(3)、汽相通道(4)、液相通道(5)、储液腔(6)和硅片抽真空/注液通道(9),而在硼硅酸玻璃(11)上则加工有抽真空/注液孔(12);蒸发器(2)和冷凝器(3)分别位于硅片(1)的两端,它们之间通过汽相通道(4)及液相通道(5)相连通以便实现换热,储液腔(6)与蒸发器(2)的进液口相连通,硅片抽真空/注液通道(9)与硼硅酸玻璃(11)上加工的抽真空/注液孔(12)相贯通。本发明专利技术结构简单,制造方便,散热效果好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微型冷却器,尤其是一种集成硅基毛细栗回路(CPL),该CPL是由一对经静电键合工艺键合在一起的半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃构成的高效微冷却器件,在微电子器件的温控领域具有良好的应用前景,具体地说是一种硅基毛细栗回路微型冷却器。
技术介绍
随着半导体信息通讯产业的快速发展,各种相关产品和设备的高度集成化和微小型化已成为重要发展趋势,由此导致微电子器件工作热负荷快速增加并造成发热量过大的问题,严重影响其乃至整个系统的工作可靠性。同时,微电子器件本身的发热不均将在表面产生“热点”(发热强度可超过107W/m2),其存在被认为是造成“热失控”、威胁系统安全的关键原因。针对微电子器件冷却空间狭小、散热困难的特点,为将其温度控制在安全水平并提高其均温性、减少局部“热点”,亟需发展新型的微冷却技术。在各种微电子器件散热冷却技术中,微小型毛细栗回路(CPL)因其独特的散热性能和良好的空间适应性正日益受到关注,被认为是一种很有发展前景的新型微冷却散热技术。目前,该热管主要通过毛细管与金属板(块)的连接制作构成回路或直接在金属板上加工用于构成蒸发器和冷凝器的微小槽道结构来实现。如Wan等在《Journal of CentralSouth University Technology》(2OO8 年 I5 卷 235-239 页)上发表的 “Design andperformance test of miniature capillary pumped loop for electronics cooling,,(电子冷却用小型毛细栗回路的设计和性能测试)中所提出的蒸发器和冷凝器相互分离、并通过毛细管将两者连接的毛细栗回路;以及专利号US 6443222 B12,名称为“Cooling DeviceUsing Capillary Pumped Loop”(基于毛细栗回路的冷却装置)的美国专利中所公开的一种直接在平板上加工蒸发器、冷凝器和回路结构的平板毛细栗回路。由上述方法制作得到的毛细栗回路,一般通过与微电子器件的直接接触而将热量带出,由此降低其工作温度。这种散热模式在连接过程中会引入额外接触热阻,降低其散热效率,而在减少器件表面局部“热点”方面也存在较大的局限;同时,还可能因材料兼容性而导致热应力集中的问题,当器件本身温度分布不均时表现更为严重。近年来,随着微电子机械加工(MEMS)技术的迅猛发展,在发热微电子器件(特别是芯片)上直接集成和构建微散热冷却器件,以此实现“芯片级冷却”已成为一种全新的冷却模式。采用该种冷却方式后,可重点针对“热点”部位进行冷却温控处理,能够在减少传统冷却成本、降低能耗的基础上更加有效地平衡芯片温度、降低局部热应力,以保证其高效可靠运行。通过必要的技术手段将CPL与硅基芯片直接集成制作于一体将是一种很有发展潜力的芯片冷却温控技术,该技术综合了 CPL散热和微尺度传热高效紧凑的优点,不仅能够有效克服针对微电子芯片传统散热方式的不足,并可使冷却效果得到进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有CPL热管散热技术难以适应“芯片级冷却”需要的不足,设计一种硅基毛细栗回路微型冷却器,通过硅基CPL直接有效降低芯片“热点”部位的温度、提高散热冷却效率,结合CPL的自身特性和微尺度传热的优点增强传热温控能力,使微电子器件的工作性能更加安全可靠。本专利技术的技术方案之一是: 一种硅基毛细栗回路微型冷却器,其特征是它由以下方法制备而成: 首先,在半导体硅片上,利用MEMS工艺刻蚀形成微小型毛细栗回路(CPL)的微肋阵列毛细结构和微通道,所述微肋阵列毛细结构位于热管蒸发器处,由该部位未被刻蚀的硅片经隔断处理而形成,与之相邻的刻蚀部分则构成了沿冷却工质流动方向呈交错排列的微通道阵列;而热管的冷凝器,则由沿冷凝液流动方向并呈一定间距的微通道阵列组成,以实现微尺度下的强化流动换热;蒸发器和冷凝器之间通过汽相微通道和液相微通道实现连接,由此构成微小型毛细栗回路,而储液槽则与热管蒸发器相连; 其次,通过硅/玻璃静电键合技术,将硼硅酸玻璃与刻蚀有毛细结构、微通道和储液槽的硅片键合为一体,形成由玻璃密封的硅基毛细栗回路微型冷却器。本专利技术的技术方案之二是: 一种硅基毛细栗回路微型冷却器,其特征是它由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合在一起而形成,其中在与硼硅酸玻璃接触的硅片I表面刻蚀有蒸发器2、冷凝器3、汽相通道4、液相通道5、储液腔6和硅片抽真空/注液通道9,而在硼硅酸玻璃11上则加工有抽真空/注液孔12 ;蒸发器2和冷凝器3分别位于硅片I的两端,它们之间通过汽相通道4及液相通道5相连通以便实现换热,储液腔6与蒸发器2的进液口相连通,硅片抽真空/注液通道9与硼硅酸玻璃11上加工的抽真空/注液孔12相贯通。所述蒸发器由微肋阵列毛细结构7或蒸发器微通道阵列10组成,而冷凝器则由冷凝器微通道阵列8组成。构成蒸发器内微肋阵列毛细结构7的微肋形状为矩形、圆形或三角形结构。所述汽相通道4和液相通道5的截面尺寸保持不变或者沿通道方向呈线性变化,其中汽相通道从蒸发器向冷凝器方向线性增大,而液相通道的变化则相反。所述的汽相通道4和液相通道5的截面为矩形、三角形或梯形。所述的液相通道5的水力直径为100~500 μ m。所述的蒸发器2、冷凝器3、汽相通道4和液相通道5中的液体工质充注体积占热管内部总体积的20%~40%。所充注的液体工质为水、乙醇或FC-72环保低沸点相变工质。所述的硅基微冷却器能够直接与半导体微电子芯片集成为一体。本专利技术的有益效果是: 本专利技术中所涉及的CPL蒸发器结构具有微通道分隔强化换热的功能,通过对微通道进行隔断处理所形成的微肋阵列,可破坏边界层的充分发展,以此使整个微通道沿长度方向的平均边界层厚度变薄,从而起到强化换热的效果。同时,该种结构在减小工质流动阻力的同时,还能显著增强CPL蒸发器的润湿/自润湿效果,延迟其在较高热负荷情况下因工质不足而造成的烧干问题,提高热管的传热极限。对于硅基CPL微通道的尺寸选择,其水力直径通常可介于100~500 μπι之间,其中热管蒸发器部位通道水力直径较小,可取100~300 μ m,冷凝器部位微通道水力直径则可取200~500 μ m ;而对连接蒸发器和冷凝器的汽、液相通道,则要求液相通道的尺寸较汽相通道小,以利于工质在热管内的循环工作。硅基CPL注液孔与热管冷凝器相连,首先通过注液口对微通道回路进行抽真空处理,待其内部空气充分排除后可充注一定量的液相冷却工质(注意:液体工质充注量可控制在热管内部空间体积的20%~40%),然后将注液口密封,即获得硅基CPL微型冷却器。硅基CPL的工作原理为:蒸发器硅基吸收来自微电子芯片工作产生的热量,冷却工质接受热量后发生蒸发相变,由液相变为汽相。在蒸发器和冷凝器工质压差的作用下,蒸发形成的汽相工质经汽相回路向冷凝器运动,在冷凝器处经冷却后又恢复为液相,在压差作用下冷却液沿液相回路返回蒸发器,继续吸热蒸发,如此往复,循环工作。通过该过程,可使芯片温度较高的“热点”部位热量经与其直接集成在一起的CPL传递至温度较低的部位,实现减小和平衡温差的作用。本专利技术所述的硅基CPL微型冷却器,由于具有传统CPL的本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种硅基毛细泵回路微型冷却器,其特征是它由以下方法制备而成:首先,在半导体硅片上,利用MEMS工艺刻蚀形成微小型毛细泵回路(CPL)的微肋阵列毛细结构和微通道,所述微肋阵列毛细结构位于热管蒸发器处,由该部位未被刻蚀的硅片经隔断处理而形成,与之相邻的刻蚀部分则构成了沿冷却工质流动方向呈交错排列的微通道阵列;而热管的冷凝器,则由沿冷凝液流动方向并呈一定间距的微通道阵列组成,以实现微尺度下的强化流动换热;蒸发器和冷凝器之间通过汽相微通道和液相微通道实现连接,由此构成微小型毛细泵回路,而储液槽则与热管蒸发器相连;其次,通过硅/玻璃静电键合技术,将硼硅酸玻璃与刻蚀有毛细结构、微通道和储液槽的硅片键合为一体,形成由玻璃密封的硅基毛细泵回路微型冷却器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:郭宏新屈健刘丰孙田
申请(专利权)人:江苏中圣压力容器装备制造有限公司
类型:发明
国别省市:江苏;32

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