一种芯片液冷散热用硅基腔槽制造技术

本发明专利技术公开了一种芯片液冷散热用硅基腔槽，在半导体硅片上刻蚀出带微柱阵列的腔槽，在腔槽上下游制作带均匀分流功能的圆柱阵列，并将半导体硅片与半导体硅片盖板键合为一体形成宽型通道结构。液冷工质由进液孔流入后分流进入宽型腔槽通道内，在通道中通过沸腾汽

A silicon-based cavity slot for chip liquid cooling and heat dissipation

【技术实现步骤摘要】
一种芯片液冷散热用硅基腔槽


[0001]本专利技术属于微电子器件散热领域，尤其是一种芯片液冷散热用硅基腔槽，硅基腔槽的结构能够对高功率芯片进行有效冷却。

技术介绍

[0002]近年来，随着半导体芯片加工技术的突破，以CPU/GPU为代表的芯片集成度大幅提高，引领芯片技术继续沿着摩尔定律的路径向前发展。伴随着芯片集成度和功耗的增加，其单位面积发热强度不断攀升，部分已突破100W/cm2量级，芯片温控问题日益突出。由温升引起的“热障”问题将严重影响芯片工作性能乃至整个系统的安全可靠性。虽然近年来在提高2D/3D芯片散热方面的研究发展已取得明显成效，但芯片散热面临的两大技术难题——即高功率下的有效散热以及表面温度分布均匀性仍未得到根本解决。高功率芯片中的局部“热点”发热强度可达数百甚至上千瓦每平方厘米，不同部位温差的显著增大会损坏材料性能和结构，严重影响芯片工作性能乃至整个系统的安全可靠性，成为制约行业发展的重要瓶颈，而发展芯片级冷却(chip
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level cooling)技术则成为解决该问题的关键途径之一。
[0003]传统的散热方法包括翅片、风扇、热管等，可以对低功率、大体积的芯片系统进行有效的温控，但对于高功率、小体积的系统冷却存在很大的不足。为了利用微尺度下汽液相变的高效换热效果，微通道流动沸腾换热技术成为了一种实现半导体芯片散热冷却的有效方法，在泵驱作用下液相工质流过集成在芯片上的直径为数十到数百微米的通道，利用沸腾相变潜热吸收芯片产生的热量，从而对芯片进行直接的高效冷却。然而，在流动沸腾过程中，微通道内因气泡受限生长引起的返流现象会引起强烈的汽
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液两相流动不稳问题，导致温度和压力的大幅剧烈波动，这对维持芯片温度稳定极为不利，容易诱发形成局部热点，对芯片的稳定运行产生巨大的危害。传统上认为，气泡在微通道内成长过程中受到通道径向空间的限制，会沿通道轴向往上、下游迅速膨胀，这是形成沸腾两相不稳定性的直接原因。为此，在微通道入口位置布置限流结构或装置就成为抑制沸腾流动不稳定性的重要措施，然而研究发现这也会进一步增大微通道内工质的流动压降，增加泵驱功耗和泄漏危险，同时对提高沸腾临界热流密度(CHF)并没有明显帮助。同时，一些学者也提出了在微通道底部增加微柱阵列结构的方法，这种微柱结构由于尺寸较小，充分地利用毛细力及时补充液体工质，减少了局部的干涸现象，对微通道内形成较大的气泡起到一定的抑制作用,相比于普通的光滑微通道，引入微柱阵列结构的微通道有效地提高了对流换热系数和成核效果，但是这种改进结构也没有从根本上解决微通道中气泡生长受限的问题，依然会引起返流现象，进而导致整个系统换热性能的不稳定。
[0004]因此，设计一种新型散热结构，能够在继承保留微通道沸腾相变流动换热优异性能的同时又能够有效抑制或避免两相流动不稳性的发生，并提高出现局部液相“烧干”的上限加热功率，这对提升高功率芯片冷却温控性能具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提出了一种芯片液冷散热用硅基腔槽，通过对硅基腔槽结构的优化设计，能够在保证微通道沸腾相变流动换热优异性能的同时又能够有效抑制或避免两相流动不稳性的发生，并提高出现局部液相“烧干”的上限加热功率，这对提升高功率芯片冷却温控性能。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种芯片液冷散热用硅基腔槽，包括，
[0008]半导体硅片，
[0009]设置在所述半导体硅片上有腔槽；自进液侧至出液侧，所述腔槽分为腔槽入口段、腔槽中间段、腔槽出口段；
[0010]分别在腔槽入口段、腔槽出口段设置的圆柱结构阵列，所述圆柱结构阵列是由多个圆柱结构阵列分布构成的，所述圆柱结构的高度与腔槽高度相等；所述圆柱结构的直径取值范围是250
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400μm；
[0011]设置在腔槽中间段的微柱阵列；所述微柱阵列是由多个微柱阵列分布构成的，所述微柱的高度为腔槽高度的1/20至1/8，所述微柱的直径取值范围是5μm
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100μm；
[0012]与半导体硅片配合的半导体硅片盖板，所述半导体硅片盖板和半导体硅片上均设置有进液孔和出液孔，半导体硅片和半导体硅片盖板上的进液孔和出液孔相对设置。
[0013]进一步，所述微柱阵列中的微柱按照等间距阵列排布。
[0014]进一步，所述微柱阵列中的微柱按照变间距阵列排布，沿工质流动方向，相邻列之间的间距递增；同一列内微柱之间等距离布置。
[0015]进一步，靠近进液侧和出液侧的所述微柱阵列中的微柱按照等间距阵列排布，中间区域的所述微柱阵列中的微柱的直径缩小0
‑
30％，微柱的间距减小30
‑
60％。
[0016]进一步，在腔槽中间段设置多条补液通道，所述补液通道沿工质流动方向设置；补液通道处为无微柱，相邻补液通道之间设置微柱阵列，所述补液通道的宽度为微柱阵列总宽度的3
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10％。
[0017]进一步，在腔槽中间段设置多个圆形的微柱阵列，圆形的微柱阵列之间阵列分布。
[0018]进一步，所述圆柱结构阵列中的圆柱结构等间距阵列排布；
[0019]进一步，所述微柱阵列中的微柱排序方式为叉排排列或顺排排列。
[0020]进一步，所述微柱的横截面形状为圆形、矩形或水翼形。
[0021]进一步，半导体硅片上通过两步刻蚀工艺制得圆柱结构阵列、腔槽、微柱，先在半导体硅片上第一步刻蚀制作出腔槽、圆柱结构、进液孔和出液孔；再通过第一步刻蚀制作出微柱。
[0022]本专利技术的有益效果：
[0023]1.本专利技术中所述的硅基腔槽底部的微柱阵列直径是微米级的，且微柱顶部具有不规则的数百纳米的沟槽，微柱阵列整体上形成微/纳复合结构，使流动沸腾过程中的成核点尺寸范围同时包括纳米级和微米级，增加了成核点的数量。在同样的热流条件下，更多的小气泡产生并带走更多的热量，提高了高功率下的沸腾换热效果。
[0024]2.本专利技术中所述的硅基腔槽底部的微柱阵列高度为腔槽高度的1/20至1/8，具有提高成核位点密度以及在气泡生长过程中及时补充液相的作用，进而提高换热效果，抑制
沸腾过程中的局部干涸现象。微柱阵列的高度很小，不仅可以为上方气泡生长留有空间，还可以减少流动过程中的阻力，从而减小泵送功率和压降。
[0025]3.本专利技术中所述的腔槽宽度可达普通微通道的数十倍，和高度方向空间结合，从而在微柱阵列上方留有超大空间，避免类似于微通道中宽度很窄而造成的气泡轴向生长。在流动沸腾过程中，通道底部形成的气泡可以在高度和宽度方向同时生长，可明显抑制返流现象，并大幅抑制了流动沸腾两相不稳的发生，可显著提升芯片冷却温控性能。
[0026]4.本专利技术中所述的硅基腔槽底部的微柱直径是微米级的，具有部分吸液芯的功能，腔槽底部局部区域没有液体时，毛细力会产生作用运输液相，能够显著提升高功率下腔槽底部的润湿/再润湿效果，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芯片液冷散热用硅基腔槽，其特征在于，包括，半导体硅片(1)，设置在所述半导体硅片(1)上有腔槽(2)；自进液侧至出液侧，所述腔槽(2)分为腔槽入口段(3)、腔槽中间段(4)、腔槽出口段(5)；分别在腔槽入口段(3)、腔槽出口段(5)设置的圆柱结构阵列(7)，所述圆柱结构阵列(7)是由多个圆柱结构阵列分布构成的，所述圆柱结构的高度与腔槽高度相等；所述圆柱结构的直径取值范围是250
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400μm；设置在腔槽中间段(4)的微柱阵列(6)；所述微柱阵列(6)是由多个微柱阵列分布构成的，所述微柱的高度为腔槽高度的1/20至1/8，所述微柱的直径取值范围是5μm
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100μm；与半导体硅片(1)配合的半导体硅片盖板(10)，所述半导体硅片盖板(10)和半导体硅片(1)上均设置有进液孔和出液孔，半导体硅片(1)和半导体硅片盖板(10)上的进液孔和出液孔相对设置。2.根据权利要求1所述的一种芯片液冷散热用硅基腔槽，其特征在于，所述微柱阵列(6)中的微柱按照等间距阵列排布。3.根据权利要求1所述的一种芯片液冷散热用硅基腔槽，其特征在于，所述微柱阵列(6)中的微柱按照变间距阵列排布，沿工质流动方向，相邻列之间的间距递增；同一列内微柱之间等距离布置。4.根据权利要求1所述的一种芯片液冷散热用硅基腔槽，其特征在于，靠近进液侧和出液侧的所述微柱阵列(6)中的微柱按照等...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈健，叶波，关凤渤，张涛，王志远，周国庆，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：