一体化集成的低温半导体芯片系统技术方案

本发明专利技术提供一体化集成的低温半导体芯片系统，包括半导体芯片以及对半导体芯片进行制冷的节流制冷芯片；半导体芯片一侧设有微流道；节流制冷芯片的蒸发段设有与微流道导通的工质进料槽和工质出料槽，且工质进料槽和工质出料槽之间不直接连通。本发明专利技术的一体化集成的低温半导体芯片系统，将节流制冷芯片的蒸发段与半导体芯片接触面改为敞口，为半导体芯片基底提供键合接口，使蒸发段与半导体芯片之间实现流道耦合，使流至蒸发段的低温工质与半导体芯片直接进行热交换，进而对半导体芯片进行制冷，消除了蒸发段侧壁导热热阻及黏结接触热阻，降低了冷量损失，实现了半导体芯片与节流制冷芯片的一体化。

【技术实现步骤摘要】
一体化集成的低温半导体芯片系统
本专利技术属于低温制冷
，具体涉及一种一体化集成的低温半导体芯片系统。
技术介绍
节流制冷芯片为采用集成结构的制冷芯片，一般设有高压入口和低压出口，节流制冷芯片内设有具有节流段和蒸发段的单向工质流道，且单向工质流道的两端分别为上述高压入口和低压出口；其中节流段入口与高压入口之间的工质流道为高压工质流道，蒸发段出口与所述低压出口之间的工质流道为低压工质流道，高压工质流道和低压工质流道之间设有换热间壁。节流制冷芯片内的高压工质流道、低压工质流道可以为一维的水平直流道；也可以是三维的迂回流道；外形一般为板状结构或者长方体或者正方体结构(例如申请人在先申请的专利文献CN108966601A报道的结构)。节流制冷芯片具有尺寸小、响应快、噪声低等优势，是目前唯一能够实现芯片级尺寸结构的液氮及更低温区的制冷技术。节流制冷芯片工作原理如图1所示：稳定运行时，室温下压缩机排出高压工质(状态点1)进入间壁式换热器高压流道，由间壁式换热器低压流道中逆流的工质冷却达到较低温度(状态点2)；然后流经节流阀，高压工质节流降至低压状态(状态点3)，温度下降，一般情况下会由气相转变为气液两相状态；在蒸发器中，气液两相工质吸收来自被冷却目标的热量，液相工质气化(状态点4)；其后，流出蒸发器的工质流经间壁式换热器低压侧通道，吸收来流的高压工质热量后达到室温(状态点5)，返回压缩机再次压缩(压缩过程向环境散热)至高压(状态点1)，形成闭式循环。以氮气为制冷工质，节流制冷芯片即可在蒸发器处提供液氮温区的制冷量。节流制冷芯片需在长度方向建立200K以上的温差，长度方向的固体导热损失成为节流制冷芯片的主要漏热损失。因此，须采用热导率较小的结构材料制备节流制冷芯片以提升其单位体积制冷量，从而实现微型化。此外，由于节流制冷芯片需要较高的气压(>8MPa)以获得充分的节流制冷效果，因此要求结构材料同时具备较强的力学性质。玻璃(热导率约1W/(m.K)，杨氏模量约70GPa)是唯一经过实验验证的制备节流制冷芯片的材料。半导体芯片主要以硅为基底，通常以粘合方式与节流制冷芯片集成。节流制冷芯片对半导体芯片进行制冷时的结构如2图所示，节流制冷芯片中提供冷量的气液两相流与半导体芯片之间存在多重的导热热阻(玻璃、导电银胶和硅基底)和不确定性较大的接触热阻(导电银胶因涂抹不匀和体积冷缩导致的空隙)，两者在传热时将产生较大温差，降低集成系统综合性能。同时粘合的可靠性和操作的复杂性等方面的问题也成为了集成系统实现批量化制造的障碍。
技术实现思路
为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种减少热阻及冷量损失，且结构紧凑的一体化集成的低温半导体芯片系统。一体化集成的低温半导体芯片系统，包括半导体芯片以及对所述半导体芯片进行制冷的节流制冷芯片；所述半导体芯片一侧设有微流道；所述节流制冷芯片的蒸发段设有与所述微流道导通的工质进料槽和工质出料槽，且工质进料槽和工质出料槽之间不直接连通。本专利技术将节流制冷芯片与半导体芯片作为整体设计，加工，制造，实现两者一体化设计和加工，有利于发挥节流制冷芯片集成化的潜力，提升冷量利用效率和集成系统综合性能，是具有性能高度一致的低温半导体芯片制造的重要基础。本专利技术将半导体芯片嵌入节流制冷芯片，成为集成的整体；本专利技术利用现有方法在节流制冷芯片材料(比如玻璃)内加工三维弯折流道或者二维水平流道，得到节流制冷芯片，同时将节流制冷芯片蒸发器端面改进为敞口，为半导体芯片基底提供键合接口，消除节流制冷芯片材料的导热热阻和黏结接触热阻，实现了半导体芯片与节流制冷芯片的一体化。上述技术方案中，将节流制冷芯片的蒸发段与半导体芯片接触面改为敞口，为半导体芯片基底提供键合接口，使蒸发段与半导体芯片之间实现流道耦合，使流至蒸发段的低温工质与半导体芯片直接进行热交换，进而对半导体芯片进行制冷，消除了蒸发段侧壁导热热阻及黏结接触热阻，降低了冷量损失，实现了半导体芯片与节流制冷芯片的一体化。作为优选，所述蒸发段与所述半导体芯片之间设有键合接口。作为优选，所述工质进料槽和工质出料槽分别设置一个或多个；设置多个时，多个所述工质进料槽和多个工质出料槽交替穿插设置。采用上述技术方案，能够提高对半导体芯片温度分布的均匀性和系统性能的稳定性。作为优选，所述微流道方向与所述工质进料槽和工质出料槽长度方向垂直设置。在保证微流道较高传热效率的同时降低其造成的流动阻力，实现低温工质对半导体芯片的高效制冷。作为优选，所述工质进料槽和工质出料槽均为沿长度方向槽宽逐渐缩小的槽结构，且所述工质进料槽槽宽较大的一端为工质进料端，所述工质出料槽槽宽较大的一端为工质出料端。采用本专利技术的技术方案，可适应出料槽工质通量延流动方向不断流出至半导体芯片微流道而逐渐减小的变化趋势，通道设置更加紧凑，流阻进一步减小，换热更加充分，效率更高。作为进一步优选，所述工质进料槽槽宽较大的一端，即工质进料端设有穿透该侧槽壁的进料口或者该端槽壁缺失直接形成进料口。实际运行时，工质从进料口进入工质进料槽，然后进入半导体芯片的微流道进行制冷，然后经过工质出料槽排出。采用上述技术方案，不仅能够保证低温工质的流通量，还能使低温工质沿所述工质进料槽长度方向迅速流动，进而对整个半导体芯片降温，进一步降低流阻，提高制冷效率；另外，工质出料槽槽宽较大的一端为工质出料端，并以其槽宽较小的一端为其进料端，可适应工质出料槽中工质通量延流动方向由半导体芯片微流道不断汇入而逐渐增大的变化趋势，通道设置更加紧凑，流阻进一步减小，换热更加充分，效率更高，使低温工质在经工质出料槽槽宽较大的一端流出前能够与半导体芯片充分接触并对其冷却。作为优选，所述节流制冷芯片的侧壁设有高压入口和低压出口，节流制冷芯片内设有具有节流段和蒸发段的单向工质流道，所述单向工质流道的两端分别为所述高压入口和低压出口；所述节流段入口与高压入口之间的工质流道为高压工质流道，所述蒸发段出口与所述低压出口之间的工质流道为低压工质流道，所述高压工质流道和低压工质流道之间设有换热间壁。上述技术方案中，所述工质进料槽和工质出料槽之间不直接连通是指工质进料槽和工质出料槽槽壁之间不导通；工质进料槽出口仅与微流道对接导通，入口与节流段导通；工质出料槽入口仅与微流道对接导通，出口与低压工质流道导通。也就是说，工质进入工质进料槽后，不会直接进入所述工质出料槽内，而需要经过微流道进入工质出料槽，即工质进料槽和工质出料槽之间通过所述微流道间接导通。高压工质流道和低压工质流道可根据需要采用集成度较高、结构更加紧凑的迂回设置，也可以采用结构简单，加工方便的水平直流道结构。作为进一步优选，所述高压工质流道、低压工质流道迂回设置；所述蒸发段设置于所述节流制冷芯片的一侧，所述高压入口和低压出口设于所述节流制冷芯片相对的一侧。采用上述技术方案，能够在确保制冷效果的前提下，缩小节流制冷芯片的体积，使低温半导体芯片系统结构更加紧凑。...

【技术保护点】
1.一体化集成的低温半导体芯片系统，其特征在于，包括半导体芯片以及对所述半导体芯片进行制冷的节流制冷芯片；所述半导体芯片一侧设有微流道；所述节流制冷芯片的蒸发段设有与所述微流道导通的工质进料槽和工质出料槽，且工质进料槽和工质出料槽之间不直接连通。/n

【技术特征摘要】
1.一体化集成的低温半导体芯片系统，其特征在于，包括半导体芯片以及对所述半导体芯片进行制冷的节流制冷芯片；所述半导体芯片一侧设有微流道；所述节流制冷芯片的蒸发段设有与所述微流道导通的工质进料槽和工质出料槽，且工质进料槽和工质出料槽之间不直接连通。


2.根据权利要求1所述的一体化集成的低温半导体芯片系统，其特征在于，所述工质进料槽和工质出料槽分别设置一个或多个；设置多个时，多个所述工质进料槽和多个工质出料槽交替穿插设置。


3.根据权利要求1所述的一体化集成的低温半导体芯片系统，其特征在于，所述微流道方向与所述工质进料槽和工质出料槽长度方向垂直设置。


4.根据权利要求1所述的一体化集成的低温半导体芯片系统，其特征在于，所述工质进料槽和工质出料槽均为沿长度方向槽宽逐渐缩小的槽结构，且所述工质进料槽槽宽较大的一端为工质进料端，所述工质出料槽槽宽较大的一端为工质出料端。


5.根据权利要求1所述的一体化集成的低温半导体芯片系统，其特征在于，所述节流制冷芯片的侧壁设有高压入口和低压出口，节流制冷芯片内设有具有节流段和蒸发段的单向工质流道，所述单向工质流道的两端分别为所述高压入口和低压出口；
所述节流段入口与高压入口之间的工质流道为高压工质流道，所述蒸发段出口与所述低压出口之间的工质流道为低压工质流道，所述高压工质流道和低压工质流道之间设有换热间壁。


6.根据权利要求5所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东立，刘霄，齐利民，赵鼎，仇旻，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33