專利名稱:一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，包括鍵合在一起的半導(dǎo)體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片，所述硅片與硼硅酸玻璃片接觸的表面上刻蝕有蒸發(fā)器、冷凝器、液體補(bǔ)償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸發(fā)器和冷凝器的兩端分別通過液相通道和汽相通道相連接，形成閉合回路；所述液相通道上設(shè)有儲液腔；所述蒸發(fā)器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸發(fā)器與抽真空/注液通道連通，所述硼硅酸玻璃片上加工有能夠與抽真空/注液微通道連通的抽真空/注液孔。本實(shí)用新型能夠直接與半導(dǎo)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，減小并削弱因局部高熱流而造成的“熱點(diǎn)”問題，保障芯片的安全可靠運(yùn)行。
【專利說明】一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微電子芯片的溫控領(lǐng)域，尤其是一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著各電子器件及設(shè)備(如計(jì)算機(jī)芯片等)向高性能和微小型化的發(fā)展趨勢，它們工作時(shí)將產(chǎn)生工作熱負(fù)荷快速增加并造成發(fā)熱量過大的問題，嚴(yán)重影響電子器件的工作性能及安全可靠性。同時(shí)，微電子芯片本身的發(fā)熱不均將在局部表面產(chǎn)生“熱點(diǎn)”，其存在被認(rèn)為是造成芯片“熱失效”、威脅系統(tǒng)安全的關(guān)鍵原因。針對微電子芯片冷卻空間狹小、散熱困難的特點(diǎn)，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(diǎn)”，亟需發(fā)展新型的微冷卻技術(shù)。
[0003]在各種微電子器件散熱冷卻技術(shù)中，微小型環(huán)路熱管(LPH)因其散熱性能卓越和結(jié)構(gòu)布置正日益受到關(guān)注，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前景的新型微冷卻散熱技術(shù)。目前，該熱管主要通過毛細(xì)管與金屬板(塊)的連接制作構(gòu)成環(huán)路或直接在金屬板上加工用于構(gòu)成蒸發(fā)器的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)和冷凝器的U型槽道結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。如Chu等在《Heat Transfer一AsianResearch》(2004年 33 卷42-55 頁)上發(fā)表的“Design of miniature loop heat pipe”(小型環(huán)路熱管的設(shè)計(jì))中所提出的蒸發(fā)器毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)和冷凝器相互分離、并通過管道將兩者連接的環(huán)路熱管；以及專利號US20130233521A1，名稱為“Loop heat pipe and electronicequipment using the same”(基于環(huán)路熱管的冷卻裝置)的美國專利中所公開的一種直接在平板上加工蒸發(fā)器、冷凝器和回路結(jié)構(gòu)的平板環(huán)路熱管，該平板環(huán)路熱管可有多個(gè)蒸發(fā)器或冷凝器。由上述方法制作得到的毛細(xì)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，降低散熱效率，而在減少芯片表面局部“熱點(diǎn)”方面也存在較大的局限；同時(shí)，還可能因材料兼容性而導(dǎo)致熱應(yīng)力集中的問題，當(dāng)器件本身溫度分布不均時(shí)表現(xiàn)更為嚴(yán)重。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有LPH散熱技術(shù)難以有效解決微電子芯片工作熱負(fù)荷快速增加并造成其本身發(fā)熱不均在表面產(chǎn)生局部“熱點(diǎn)”的問題，本實(shí)用新型提供了一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，能夠有效降低芯片“熱點(diǎn)”部位的溫度、提高散熱冷卻效率，結(jié)合LPH的自身特性和微尺度傳熱的優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)傳熱溫控能力，使微電子芯片的工作性能更加安全可靠。
[0005]為解決上述問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案。
[0006]一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，包括鍵合在一起的半導(dǎo)體硅片、耐熱硼硅酸玻璃片；所述硅片與硼硅酸玻璃片接觸的表面上刻蝕有蒸發(fā)器、冷凝器、液體補(bǔ)償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸發(fā)器和冷凝器的兩端分別通過液相通道和汽相通道相連接，形成閉合回路；所述液相通道上設(shè)有儲液腔；所述蒸發(fā)器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸發(fā)器與抽真空/注液通道連通，所述硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔，所述抽真空/注液孔能夠與抽真空/注液微通道連通。
[0007]優(yōu)選地，所述冷凝蛇型通道為數(shù)個(gè)等間距排列、且連通的U型通道構(gòu)成。
[0008]優(yōu)選地，所述蒸發(fā)器的微小槽道結(jié)構(gòu)為數(shù)個(gè)貫穿于液相通道、汽相通道之間的蒸發(fā)微通道，或者為微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)，所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)為多個(gè)以陣列排列的在所述硅片上經(jīng)刻蝕留下的微肋構(gòu)成，微肋之間形成微通道。
[0009]優(yōu)選地，所述微肋的橫截面為矩形、三角形或圓形，所述微肋的陣列排列方式為順排或叉排，所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)中微肋寬度為100?300 μπκ長度為400?1200 μ--，兩列微肋之間的間距為50?300 μ m，兩行微肋之間的間距為50?300 μ m。
[0010]優(yōu)選地，所述冷凝蛇形通道的截面為梯形，冷凝蛇形通道的通道水力直徑為500?2000 μm ;蒸發(fā)器的微小槽道結(jié)構(gòu)的通道水力直徑取100?200 μm。
[0011]優(yōu)選地，所述液相通道的直徑小于汽相通道的直徑。
[0012]優(yōu)選地，所述汽相通道從蒸發(fā)器向冷凝器方向線性增大；液相通道從液體補(bǔ)償器向冷凝器方向線性減小。
[0013]優(yōu)選地，所述抽真空/注液微通道內(nèi)液體工質(zhì)充注體積占整個(gè)硅基環(huán)路總體積的25%?40%。
[0014]優(yōu)選地，所述充注液體工質(zhì)為水、乙醇、電子冷卻液FC-72中的一種。
[0015]優(yōu)選地，所述的硅基微冷卻器的硅片能夠直接與半導(dǎo)體微電子芯片集成為一體。
[0016]本實(shí)用新型通過半導(dǎo)體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片靜電鍵合技術(shù)，將硼硅酸玻璃與刻蝕有蒸發(fā)器、冷凝器、液體補(bǔ)償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道的半導(dǎo)體硅片鍵合為一體，形成由玻璃密封的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器。本實(shí)用新型中所述的蒸發(fā)器和冷凝器由液體補(bǔ)償器、汽相通道和液相通道連接，形成閉合回路。蒸發(fā)器吸收來自微電子芯片工作產(chǎn)生的熱量，冷卻工質(zhì)接受熱量后發(fā)生蒸發(fā)相變，由液相變?yōu)槠唷Ｔ谡舭l(fā)器和冷凝器工質(zhì)壓差的作用下，蒸發(fā)形成的汽相工質(zhì)經(jīng)汽相回路向冷凝器運(yùn)動，在冷凝器處經(jīng)冷卻后又恢復(fù)為液相，在壓差作用下冷卻液沿液相回路進(jìn)入液體補(bǔ)償器，并返回蒸發(fā)器，繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此往復(fù)，循環(huán)工作。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果為:
[0018](I)使用時(shí)將娃基微型環(huán)路熱管冷卻器與半導(dǎo)體微電子芯片集成為一體，使芯片溫度較高的“熱點(diǎn)”部位熱量經(jīng)與其直接集成在一起的LPH傳遞至溫度較低的部位，實(shí)現(xiàn)減小和平衡溫差的作用；使硅基微型環(huán)路熱管冷卻器直接有效降低芯片“熱點(diǎn)”部位的溫度，提高散熱、冷卻效率，結(jié)合硅基微型環(huán)路熱管冷卻器的自身特性和微尺度傳熱的優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)傳熱溫控能力，使微電子芯片的工作性能更加安全可靠。
[0019](2)本實(shí)用新型中所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器內(nèi)部包括微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)，該微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)是多個(gè)以陣列排列的由所述硅片上刻蝕留下的微肋構(gòu)成，兩排微肋之間的間隔較小，能夠破壞邊界層的充分發(fā)展，以此使整個(gè)微通道沿長度方向的平均邊界層厚度變薄，從而起到強(qiáng)化換熱的效果。同時(shí)，該微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)能夠減小工質(zhì)流動阻力，顯著增強(qiáng)所述LPH蒸發(fā)器的潤濕/自潤濕效果，延遲其在較高熱負(fù)荷情況下因工質(zhì)不足而造成的燒干問題，提高熱管的傳熱極限。
[0020](3)本實(shí)用新型所述的硅基LPH冷卻器，由于具有傳統(tǒng)LPH的特點(diǎn)和微尺度下的傳熱強(qiáng)化的優(yōu)勢，使其在有效克服傳統(tǒng)散熱方式難以應(yīng)對“芯片級冷卻”不足的同時(shí)又兼具強(qiáng)化換熱的功能。
[0021](4)本實(shí)用新型中連接蒸發(fā)器和冷凝器的汽相通道和液相通道的直徑線性變化，有利于因未完全液化或汽化的汽-液兩相工質(zhì)呈泰勒流狀態(tài)在汽/液相通道內(nèi)的循環(huán)工作。
[0022](5)本實(shí)用新型中將硅基LPH與微電子芯片集成制作于一體，能夠有效減少傳統(tǒng)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(fù)荷的能力。

【附圖說明】

[0023]圖1為所述半導(dǎo)體娃片表面的刻蝕結(jié)構(gòu)一種實(shí)施例不意圖。
[0024]圖2為所述半導(dǎo)體娃片表面的刻蝕結(jié)構(gòu)另一種實(shí)施例不意圖。
[0025]圖3為所述耐熱硼硅酸玻璃結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中:
[0027]1-半導(dǎo)體硅片，2-蒸發(fā)器，3-冷凝器，4-液體補(bǔ)償器，5-液相通道，6_汽相通道，7-蒸發(fā)微通道，8-冷凝蛇形通道，9-抽真空/注液微通道，10-微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)，11-耐熱硼硅酸玻璃片，12-抽真空/注液孔。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于此。
[0029]實(shí)施例1
[0030]一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器包括鍵合在一起的半導(dǎo)體硅片I和耐熱硼硅酸玻璃片11，所述半導(dǎo)體硅片I能夠與半導(dǎo)體微電子芯片集成為一體。如圖1所示，所述硅片I與所述硼硅酸玻璃片11接觸的表面刻蝕有蒸發(fā)器2、冷凝器3、液體補(bǔ)償器4、液相通道5、汽相通道6和抽真空/注液通道9。所述蒸發(fā)器2和冷凝器3的兩端分別通過液相通道5和汽相通道6相連接，形成閉合回路。儲液腔4位于所述液相通道5上，靠近蒸發(fā)器2的位置。所述冷凝蛇型通道8為數(shù)個(gè)等間距排列、且連通的U型通道構(gòu)成。所述U型通道數(shù)為2?8個(gè)適宜，冷凝蛇形通道8的通道水力直徑為500?2000 μ m適宜。所述蒸發(fā)器2的微小槽道結(jié)構(gòu)為數(shù)個(gè)貫穿于液相通道5、汽相通道6之間的蒸發(fā)微通道7構(gòu)成。蒸發(fā)器2的微小槽道結(jié)構(gòu)的通道水力直徑取100?200 μ m適宜。蒸發(fā)器2與抽真空/注液通道9連通。如圖3所示，耐熱硼硅酸玻璃片11上加工有抽真空/注液孔12 ;抽真空/注液孔12位于能夠與抽真空/注液微通道9的頂端位置相連通的位置。所述的抽真空/注液微通道9內(nèi)充注體積占整個(gè)硅基環(huán)路總體積的25%?40%的水、乙醇或電子冷卻液FC-72。
[0031]所述液相通道5的直徑小于汽相通道6的直徑。具體地，本實(shí)施例中，液相通道5的寬度為500 μ m，汽相通道5的寬度為800 μ m。冷凝器內(nèi)含由3個(gè)通道寬度均為900 μ m、等間距排列、且連通的U型通道構(gòu)成冷凝蛇型通道8。蒸發(fā)器2內(nèi)含有15條寬200 μπκ且貫穿于液相通道5、汽相通道6之間的蒸發(fā)微通道7。
[0032]微通道干法刻蝕深度為200 μm，由此形成的矩形截面的液相通道5、汽相通道6、蒸發(fā)微通道7和冷凝U型通道8的水力直徑分別為285.7 μm、320 μπκ200 μm和327.3 μm。位于液相通道5上的液體補(bǔ)償器4為8000 μ mX 2750 μ m的矩形，通過液體補(bǔ)償器4能夠有效控制不同熱負(fù)荷下蒸發(fā)器工質(zhì)液體的蒸發(fā)量，并承擔(dān)調(diào)節(jié)冷凝器3冷卻散熱面積的任務(wù)，由此控制芯片的工作溫度。
[0033]所述硅基LPH冷卻器可與微電子芯片直接集成，通過水在回路內(nèi)的相變和汽、液兩相循環(huán)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對芯片的直接冷卻和“熱點(diǎn)”消除功能。
[0034]實(shí)施例2
[0035]如圖2所示，與實(shí)施例1不同的是所述蒸發(fā)器2的微小槽道結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，蒸發(fā)器2的微小槽道結(jié)構(gòu)為微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)10構(gòu)成。所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)10為多個(gè)以陣列排列的在所述硅片上經(jīng)刻蝕留下的微肋構(gòu)成，微肋之間形成微通道。微肋寬度為100?300 μπκ長度為400?1200 μm，兩列微肋之間的間距為50?300 μm，兩行微肋之間的間距為50?300 μm。所述微肋的橫截面為矩形、三角形或圓形，所述微肋的陣列排列方式為順排或叉排。
[0036]具體地，本實(shí)施例中，所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)10陣列方式為順排，包括橫向排列15列、縱向排列7行，矩形微肋的寬度為200 μπκ長度為1000 μπι，兩列微肋之間的間距為300 μm，兩行微肋之間的間距為300 μπι。
[0037]實(shí)施例3
[0038]在實(shí)施例1或?qū)嵤├?的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例中液相通道5和汽相通道6的截面尺寸沿通道方向呈線性變化，其中液相通道5從液體補(bǔ)償器4向冷凝器3方向線性減小，而汽相通道6則從蒸發(fā)器2向冷凝器3方向線性增大。液相通道5的截面積從儲液腔4向冷凝器3方向呈線性減小變化，通道寬度由600 μπι減小到300 μm，對應(yīng)通道水力直徑由300 μπι減小到240 μm ;而汽相通道6寬度由500 μm增加到1000 μm，對應(yīng)通道水力直徑由285.7 μπι增加到333.3 μπι。經(jīng)過以上調(diào)整，有利于增強(qiáng)未能完全液化或汽化的汽-液兩相冷卻工質(zhì)在液相通道5和汽相通道6內(nèi)的自發(fā)毛細(xì)運(yùn)動效果，減小流動阻力，從而使工質(zhì)在整個(gè)微型環(huán)路熱管冷卻器內(nèi)的流動更加暢通，提高其運(yùn)行性能。
[0039]本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其中液相通道5和汽相通道6寬度以及冷凝器2內(nèi)蛇形通道和蒸發(fā)器3內(nèi)微通道的寬度和數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要而進(jìn)行調(diào)整。而微通道的刻蝕深度同樣也可以進(jìn)行調(diào)整。
[0040]所述實(shí)施例為本實(shí)用新型的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，包括鍵合在一起的半導(dǎo)體硅片(I)、耐熱硼硅酸玻璃片(11);所述硅片(I)與硼硅酸玻璃片(11)接觸的表面上刻蝕有蒸發(fā)器(2)、冷凝器(3)、液體補(bǔ)償器⑷、液相通道(5)、汽相通道(6)和抽真空/注液通道(9);所述蒸發(fā)器(2)和冷凝器(3)的兩端分別通過液相通道(5)和汽相通道(6)相連接，形成閉合回路；所述液相通道(5)上設(shè)有儲液腔(4);所述蒸發(fā)器(2)包括微小槽道；所述冷凝器(3)包括冷凝蛇形通道(8);蒸發(fā)器(2)與抽真空/注液通道(9)連通，所述硼硅酸玻璃片(11)上加工有抽真空/注液孔(12)，所述抽真空/注液孔(12)能夠與抽真空/注液微通道(9)連通。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述冷凝蛇型通道(8)為數(shù)個(gè)等間距排列、且連通的U型通道構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述蒸發(fā)器(2)的微小槽道結(jié)構(gòu)為數(shù)個(gè)貫穿于液相通道(5)、汽相通道(6)之間的蒸發(fā)微通道(7)，或者為微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)(10)，所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)(10)為多個(gè)以陣列排列的在所述硅片上經(jīng)刻蝕留下的微肋構(gòu)成，微肋之間形成微通道。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述微肋的橫截面為矩形、三角形或圓形，所述微肋的陣列排列方式為順排或叉排，所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)(10)中微肋寬度為100?300 μ m、長度為400?1200 μ m，兩列微肋之間的間距為50?300 μ m，兩行微肋之間的間距為50?300 μ m。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述冷凝蛇形通道的截面為梯形，冷凝蛇形通道(8)的通道水力直徑為500?2000 μ m;蒸發(fā)器(2)的微小槽道結(jié)構(gòu)的通道水力直徑取100?200 μ m。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述液相通道(5)的直徑小于汽相通道(6)的直徑。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述汽相通道(6)從蒸發(fā)器⑵向冷凝器⑶方向線性增大；液相通道(5)從液體補(bǔ)償器⑷向冷凝器(3)方向線性減小。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述抽真空/注液微通道(9)內(nèi)液體工質(zhì)充注體積占整個(gè)硅基環(huán)路總體積的25%?40%。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述充注液體工質(zhì)為水、乙醇、電子冷卻液FC-72中的一種。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，所述硅片能夠直接與半導(dǎo)體微電子芯片集成為一體。
【文檔編號】F28D15-04GK204286182SQ201420660606
【發(fā)明者】孫芹, 屈健, 王謙, 韓新月, 王穎澤 [申請人]江蘇大學(xué)