專利名稱：微針熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及冷卻電子裝置和系統(tǒng)，并且特別地，但不排他地，涉及微冷卻技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著電子設(shè)備的功能更強和體積更小(即，封裝的密度更大)，這些電子設(shè)備消耗的功率會導(dǎo)致大量生成的熱。由這些電子設(shè)備所生成的熱可能對這些電子設(shè)備的運行有害。因此，與電子部件相關(guān)聯(lián)的普遍關(guān)注的問題就是熱去除。
例如，電子設(shè)備可以包括集成電路(IC)管芯。熱解決方案可以熱耦合到IC管芯上，以便于來自IC管芯的熱的散逸。一般地，熱解決方案可以是具有許多翅(fin)或通道(channel)的散熱器的形式(即，無源的(passive)解決方案)。當(dāng)空氣通過翅或通道時，熱可以通過所述翅或通道從IC管芯傳遞到周圍的空氣中。可替換地，有源的(active)解決方案可以是強制流體(fluid)通過翅或通道的形式。但是，由于各種因素，例如，但不限于在IC管芯上不同區(qū)域熱生成的差異，對來自IC管芯的熱，使用翅或者通道不能提供有效和均勻的去除。


本發(fā)明的各種實施方案是以實施例的方式而不是限制的方式在附圖中示出，附圖中同樣的標(biāo)記指示類似的元件，并且其中圖1a-1b根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案示出具有微針熱解決方案的裝置；圖2根據(jù)一個實施方案示出形成微針的方法；圖3根據(jù)可替換實施方案示出具有微針熱解決方案的裝置；圖4根據(jù)另一個實施方案示出具有微針熱解決方案的裝置；圖5根據(jù)另一個實施方案示出具有微針熱解決方案的裝置；圖6a-6b根據(jù)各種實施方案示出具有微針熱解決方案的裝置；以及圖7a-7b根據(jù)各種實施方案示出微針熱解決方案。
具體實施例方式
在各種實施方案中，描述了包括微針熱解決方案的裝置。在下面的說明書中，將描述各種實施方案。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到，在沒有這些具體細節(jié)中的一個或多個的情況下，或者用其他方法、材料、部件等，可以實踐所述各種實施方案。在其他實例中，公知的結(jié)構(gòu)、材料或者操作未詳細示出或者描述，以免模糊本發(fā)明各種實施方案的各個方面。類似地，出于解釋的目的，闡述了具體的數(shù)字、材料和配置，以便提供對本發(fā)明的全面了解。然而，本發(fā)明可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下來實踐。在其他實例中，省略或者簡化了公知的特征，以免模糊本發(fā)明。此外，應(yīng)該理解，附圖中示出的各種實施方案是說明性的表示，并且不一定按比例繪制。
整篇本說明書提到的“一個實施方案”或者“實施方案”意味著結(jié)合該實施方案描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特性被包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，短語“在一個實施方案中”或者“在實施方案中”在整篇本說明書中各個地方的出現(xiàn)不一定都指同一個實施方案或者發(fā)明。此外，所述特定的特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特性可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞絹斫M合在一個或多個實施方案中。
以最有助于理解本發(fā)明的方式，將各種操作描述成多個依次的離散操作。然而，描述的順序不應(yīng)該被解釋為暗示這些操作一定是順序相關(guān)的。特別地，這些操作不需要以介紹的順序來執(zhí)行。
圖1a-1b根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案示出了具有微針熱解決方案的裝置。圖1a示出的是裝置100類似于側(cè)視圖的視圖。在圖1a中，裝置100包括基底(substrate)102和許多微針(micropin)104。圖1b示出裝置100類似于俯視圖的視圖。因此，如圖1b所示，根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，微針104按類似像素的圖案排列在基底102上。
參見圖1b，微針104可以被排列成在微針之間提供預(yù)定的空間。如將更詳細描述的那樣，所述預(yù)定空間可以至少部分基于流過所述空間的材料，例如，但不限于，液態(tài)形式的水。而且，圖1b所示的按類似像素的圖案排列的微針104便于材料在所有方向上(例如，但不限于，至少兩個方向(例如X方向和Y方向)，如圖1b所示)流動。
在圖1a示出的實施方案中，微針104可以由基底102來構(gòu)成。即，各種蝕刻方法可以被利用來從基底102形成微針104，例如，但不限于，深反應(yīng)性離子蝕刻(DRIE)、濕法蝕刻、微機械加工(micromachining)，等等。因此，微針104可以由半導(dǎo)體材料(例如，但不限于，硅)制成。可替換地，微針104可以被形成和設(shè)置在基底102上。即，微針104可以由多種材料和方法制成，例如，但不限于，金屬(例如，銅)和微機械加工方法，并且隨后被設(shè)置在所述基底上。另外，基底102可以是集成電路(IC)管芯。可替換地，基底102可以被熱耦合到IC管芯。
來自基底的熱能(即，熱)可以被傳遞到微針104。因為在一個實施方案中，微針104被形成在基底102上，所以微針104可以被熱耦合到IC管芯，而微針104又便于熱傳遞到與微針104基本上相接觸的材料。可替換地，微針104可以被熱耦合到所述基底，所述基底又可以被熱耦合到IC管芯。即，實際上，微針104被熱耦合到所述IC管芯。
圖2根據(jù)一個實施方案示出了形成微針的方法。圖2示出的是基底202類似于側(cè)視圖的視圖?；?02可以由便于熱傳遞的合適材料制成，所述材料例如，但不限于，硅基材料和金屬基材料(例如，硅、銅等)。各種蝕刻方法可以應(yīng)用于基底202，例如，但不限于，DRIE、濕法蝕刻、微機械加工，等等。作為蝕刻處理的結(jié)果，許多微針204可以由基底202來形成。
在示出的實施方案中，側(cè)墻206可以和微針204一起形成。如將進一步詳細描述的那樣，在各種實施方案中，側(cè)墻206便于微針204被基本上包封(enclosure)在設(shè)備(device)中，以促進熱從集成電路(IC)管芯的去除，并且覆蓋件(a cover)可以進一步便于微針204被包封。
圖3根據(jù)可替換實施方案，示出具有微針熱解決方案的裝置。圖3中，類似于側(cè)視圖的視圖示出裝置300。類似于圖1a-1b示出的裝置100，裝置300包括基底302和許多微針304。然而，如圖3所示，裝置300包括設(shè)置在微針304和基底302之間的界面層(interfacelayer)306。
根據(jù)一個實施方案，界面層306可以具有為微針304提供結(jié)構(gòu)支撐并且便于熱耦合的材料，所述材料例如，但不限于，金剛石膜。如前面所述，微針304可以由半導(dǎo)體材料制成，因此，界面層可以為微針304提供結(jié)構(gòu)支撐并便于從基底302到微針304的熱耦合(即，熱傳遞)。同樣，所述基底可以是IC管芯或者可以是被熱耦合到IC管芯的基底。
在一個實施方案中，界面層306可以由具有各種熱性能的可焊接材料制成，例如，但不限于，銅(Cu)、金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、銀(Ag)、鉑(Pt)，以及它們的任何組合。因此，在一個實施方案中，微針304可以由金屬材料制成，例如，但不限于，銅。
繼續(xù)參見圖3，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識到，除了界面材料306外，各種粘結(jié)材料(未示出)可以用于微針304和基底302之間。
圖4根據(jù)另一個實施方案，示出具有微針熱解決方案的裝置。圖4中示出的是具有設(shè)備400的裝置的類似剖面圖的視圖。設(shè)備400包括基底402和許多微針404。如該實施方案所示，基底402提供設(shè)備400的底。另外，設(shè)備400包括墻(wall)406，所述墻406基本上包圍微針404。此外，被設(shè)置在微針404上的覆蓋件408使得微針404基本上被包封在設(shè)備400中。
微針404和側(cè)墻406二者都可以由基底402來形成，如前面圖2中所述。覆蓋件408可以通過各種附著方法來附著到微針404，例如但不限于，焊接、粘合、陽極結(jié)合、熱壓結(jié)合，等等。另外，所述覆蓋件可以由各種材料制成，例如，但不限于，丙烯酸基材料(例如，來自賓夕法尼亞州費城Rohm & Haas公司的plexiglas)。
設(shè)備400具有入口410和出口412。如將詳細描述的那樣，入口410和出口412便于材料流過微針404。另外，圖4中，在覆蓋件406和微針404之間示出了界面材料414。界面材料414可以是便于覆蓋件406和微針404之間密封的任何類型的層。
圖5根據(jù)另一個實施方案，示出具有微針熱解決方案的裝置。圖5示出的是具有設(shè)備500的裝置的類似剖面圖的視圖。設(shè)備500包括基底502和許多微針504。如該實施方案所示，基底502提供設(shè)備500的底。另外，類似于圖4示出的設(shè)備400，設(shè)備500包括墻506，所述墻506基本上包圍微針504。然而，在圖5示出的實施方案中，覆蓋件508具有形成在覆蓋件508上的微針504。同樣，微針504基本上被包封在設(shè)備500中。
設(shè)備500具有入口510和出口512。如將詳細描述的那樣，入口510和出口512便于材料流過微針504。另外，圖5中，在微針504和基底502之間示出了界面層514。界面材料514可以是便于微針504和基底502之間密封的任何類型的層。因此，界面層514可以是可焊接材料、粘結(jié)材料或者它們的任何組合。
前面提到的那樣，具有微針504的覆蓋件508可以是任何材料，例如，但不限于，硅和金屬。此外，在示出的實施方案中，具有微針504的覆蓋件508可以按圖2所述的方法來形成(即，各種蝕刻方法)。
在圖1-5中，所述許多微針可以按如圖1b所示的類似像素的圖案來排列。此外，如前面所述，所述基底可以是IC管芯。可替換地，所述基底可以是被熱耦合到IC管芯的基底。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識到，所述基底和微針可以通過各種熱界面材料(thermalinterface material，TIM)來熱耦合。
在一個實施方案中，所述微針中的每根可以具有以下大約的總體尺寸寬50微米，厚50微米，以及300微米高。參見圖1b，在一個實施例排列中，間距可以大約是50微米，并且基底可以具有大約1厘米×1厘米的尺寸。因此，在所述示例性排列中，針的數(shù)量可以大約是10000根微針。
各種熱和機械方面的考慮因素對用于界面層和/或粘性層(未示出)的材料會有影響。例如，熱方面的考慮因素可以包括熱膨脹系數(shù)(CTE)方面的因素、熱傳導(dǎo)率，等等。一些機械方面的考慮因素可以包括韌度(toughness)、強度，等等。此外，在各種實施方案中，微針104可以具有任何類型的形狀，例如，但不限于，基本幾何形狀和復(fù)雜幾何形狀。例如，微針104可以是圓柱形的、矩形的等，包括無對稱性的形狀。
圖6a-6b根據(jù)各種實施方案，示出具有微針熱解決方案的裝置。圖6a示出的是具有這樣的裝置的電子系統(tǒng)600的類似剖面圖的視圖，所述裝置可以代表圖1-5所示的具有微針602的裝置。電子系統(tǒng)600被示出具有被直接設(shè)置在IC管芯604頂部上的微針602(即，微針602被熱耦合到IC管芯604)。IC管芯604可以通過許多焊料凸起608來電耦合到襯底(substrate)606。襯底606可以通過焊球612來電耦合到布線板(wiring board)610。因此，IC管芯生成的熱可以被傳遞到微針602。
現(xiàn)在來看圖6b，圖6b示出的是具有裝置620的電子系統(tǒng)620的類似剖面圖的視圖，所述裝置620可以代表圖1-5所示的具有微針602的裝置。圖6b中，示出微針602被熱耦合到基底622，所述基底622又可以被熱耦合到IC管芯624。圖6b中示出，界面層626可以被設(shè)置在基底622和IC管芯624之間。如前面提到的那樣，界面層626可以是TIM，所述TIM便于基底622與IC管芯626的熱耦合，由此便于熱從IC管芯626傳遞到微針602。
繼續(xù)參見圖6b，示出裝置620被熱耦合到IC管芯622。所述IC管芯可以通過焊料凸起608來電耦合到襯底606。襯底606可以通過焊球612來電耦合到布線板610。同樣，IC管芯622生成的熱可以被傳遞到微針602，因為，實際上，微針602可以被熱耦合到IC管芯622。
圖6a-6b示出，微針602基本上被包封在設(shè)備600 & 620中。然而，如前面所述，微針602不一定要基本上被包封(見圖1-3)。此外，在各種實施方案中，布線板610可以具有與其電耦合的各種設(shè)備，例如，但不限于存儲設(shè)備(例如，閃存設(shè)備)。
圖7a-7b根據(jù)各種實施方案示出了微針熱解決方案。圖7a示出的是裝置700的類似于俯視圖的視圖，所述裝置700可以代表圖4-6中示出的裝置。這樣，所述裝置具有基本上被包封在設(shè)備400 & 500中的微針404 & 504的數(shù)量。另外，設(shè)備400 & 500具有入口410& 510以及出口412 & 512。如示出的那樣，微針404 & 504按前面所述的那樣以類似像素的圖案來排列。
現(xiàn)在參見圖7b，裝置700可以被包括在熱交換系統(tǒng)中。圖7b示出的是熱交換系統(tǒng)720的簡化圖。熱交換系統(tǒng)720包括裝置700，泵722，以及熱交換器724。
如前面所述，裝置700具有入口410 & 510和出口412 & 512。泵722具有入口726和出口728。熱交換器724具有入口730和出口732。如圖7所示，泵的出口728可以被耦合到裝置700(即，設(shè)備)的入口410 & 510，以便于材料傳送(即，以材料可被傳遞的方式來耦合(material transferably coupled))。泵728的入口726可以以材料可被傳遞的方式來耦合到熱交換器724的出口732。出口412 & 512可以以材料可被傳遞的方式來耦合到熱交換器724的入口730。
如圖7b所示，例如但不限于液態(tài)水的材料可以被泵送(pumped)到裝置700。被熱耦合到IC管芯的微針便于熱傳遞到所述液態(tài)水。當(dāng)更多的熱被傳遞到所述液態(tài)水時，所述液態(tài)水可以變成蒸汽。此外，由于IC管芯的不同區(qū)域(varying areas)生成不同量的熱，采用微針以及所述的微針排列方式便于IC管芯的均勻冷卻。
泵722和熱交換器724可以是任何類型的泵和熱交換器，例如，但不限于電滲泵(electroosmotic pump)。另外，用于熱交換器系統(tǒng)720的材料可以是任何材料，例如，但不限于，流體、氣體以及納米顆粒(nanoparticle)。
在圖7b示出的實施方案中，泵722向裝置700提供材料。如前面所述，所述裝置便于熱從IC管芯去除。熱交換器724接收已加熱的材料，并且將熱轉(zhuǎn)移到另一個散熱器(未示出)。應(yīng)該領(lǐng)會到，為了不模糊本發(fā)明的實施方案，未示出熱交換系統(tǒng)720的各種部件。例如，可以有各種閥、密封件，等等。
已參考示出的實施方案描述并且示出了本發(fā)明的原理，應(yīng)該認識到，在沒有偏離這樣的原理的情況下，示出的實施方案在結(jié)構(gòu)和細節(jié)上可以進行修改。并且，雖然前面的討論已集中在特定的實施方案上，但其他結(jié)構(gòu)也在設(shè)想的范圍內(nèi)。特別是，即使本文中使用了例如“在一個實施方案中”、“在另一個實施方案中”等措辭，這些短語也是一般指實施方案可能具有的情況，并且不是要將本發(fā)明限制到特定實施方案的結(jié)構(gòu)。使用在這里，這些術(shù)語可以指相同或者不同的實施方案，所述實施方案可以組合成其他實施方案。
因此，從上面的說明書可以看到，已描述了包括微針熱解決方案的新穎裝置。
本發(fā)明已示出實施方案的以上描述(包括摘要中所描述的內(nèi)容)不是要窮舉或者將本發(fā)明限制到所公開的確切形式。盡管出于說明的目的，在此描述了本發(fā)明的具體實施方案以及實施例，然而在本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種等同修改是可能的，如相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認識到的那樣。因此，對于本發(fā)明，本說明書應(yīng)被認為是說明性的而不是限制性的。
所以，考慮到對本文描述的實施方案的種類繁多的變換，本詳細說明書旨在被認為僅是說明性的，并且不應(yīng)該被用來限制本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明要求保護的是可以發(fā)生在所附權(quán)利要求書的范圍和精神內(nèi)的所有這樣的修改及其等同物。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括基底；以及被熱耦合到所述基底的多根微針，所述多根微針按類似像素的圖案排列在所述基底上。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述多根微針包括由所述基底形成的多根微針。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述基底包括集成電路(IC)管芯。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述多根微針包括耦合到界面層的多根微針，所述界面層被熱耦合到所述基底。
5.如權(quán)利要求4的裝置，其中所述界面層包括金剛石膜。
6.如權(quán)利要求4的裝置，其中所述界面層包括可焊接層。
7.如權(quán)利要求6的裝置，其中所述可焊接層包括由銅(Cu)、金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈦(Ta)、鉭(Ta)、銀(Ag)和鉑(Pt)中的至少一種形成的可焊接層。
8.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述多根微針包括基本上被包封在設(shè)備中的多根微針，所述設(shè)備具有被設(shè)置在所述多根微針上的覆蓋件。
9.如權(quán)利要求8的裝置，其中所述設(shè)備還包括入口和出口。
10.如權(quán)利要求9的裝置，還包括泵，所述泵具有以材料可被傳遞的方式耦合到所述設(shè)備的入口的出口。
11.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述多根微針包括基本上被包封在設(shè)備中的多根微針，所述設(shè)備包括覆蓋件，所述覆蓋件具有在其上形成的所述多根微針。
12.如權(quán)利要求11的裝置，其中所述設(shè)備還包括入口和出口。
13.如權(quán)利要求12的裝置還包括泵，所述泵具有以材料可被傳遞的方式耦合到所述設(shè)備的入口的出口。
14.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述多根微針中的每根包括具有基本幾何形狀的微針。
15.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述多根微針中的每根包括具有復(fù)雜幾何形狀的微針。
16.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述多根微針包括被排列成便于材料在至少兩個方向上流過所述多根微針的多根微針。
17.一種熱交換系統(tǒng)，包括具有入口和出口的設(shè)備，所述設(shè)備包括基底，以及被熱耦合到所述基底的多根微針，所述多根微針被排列成便于材料在至少兩個方向上流過所述多根微針，并且按類似像素的圖案排列在所述基底上；泵，所述泵具有入口和出口，所述泵的出口以材料可被傳遞的方式耦合到所述設(shè)備的入口；以及熱交換器，所述熱交換器具有入口和出口，所述熱交換器的入口以材料可被傳遞的方式耦合到所述設(shè)備的出口，并且所述熱交換器的出口以材料可被傳遞的方式耦合到所述泵的入口。
18.如權(quán)利要求17的熱交換系統(tǒng)，其中所述多根微針包括由所述基底形成的多根微針。
19.如權(quán)利要求17的熱交換系統(tǒng)還包括集成電路(IC)管芯，所述集成電路管芯被熱耦合到所述多根微針。
20.如權(quán)利要求17的熱交換系統(tǒng)，其中所述設(shè)備包括基本上包封所述多根微針的設(shè)備，所述設(shè)備具有被設(shè)置在所述多根微針上的覆蓋件。
21.如權(quán)利要求17的熱交換系統(tǒng)，其中所述設(shè)備包括基本上包封所述多根微針的設(shè)備，所述設(shè)備包括覆蓋件，所述覆蓋件具有形成在其上的所述多根微針。
22.一種電子系統(tǒng)，包括基底，所述基底被熱耦合到集成電路(IC)管芯；被熱耦合到所述基底的多根微針，所述多根微針按類似像素的圖案排列在所述基底上；被電耦合到所述IC管芯的布線板；以及被電耦合到所述布線板的存儲設(shè)備。
23.如權(quán)利要求22的電子系統(tǒng)，其中所述多根微針包括由所述基底形成的多根微針。
24.如權(quán)利要求22的電子系統(tǒng)，其中所述多根微針包括基本上被包封在設(shè)備中的多根微針，所述設(shè)備具有被設(shè)置在所述多根微針上的覆蓋件。
25.如權(quán)利要求24的電子系統(tǒng)，其中所述設(shè)備還包括入口和出口。
26.如權(quán)利要求25的電子系統(tǒng)還包括泵，所述泵具有被耦合到所述設(shè)備的入口的出口。
27.如權(quán)利要求22的電子系統(tǒng)，其中所述多根微針包括基本上被包封在設(shè)備中的多根微針，所述設(shè)備包括覆蓋件，所述覆蓋件具有形成在其上的所述多根微針。
28.如權(quán)利要求27的電子系統(tǒng)，其中所述設(shè)備還包括入口和出口。
29.如權(quán)利要求28的電子系統(tǒng)還包括泵，所述泵具有以材料可被傳遞的方式耦合到所述設(shè)備的入口的出口。
30.如權(quán)利要求22的電子系統(tǒng)，其中所述存儲設(shè)備包括閃存設(shè)備。
31.一種電子系統(tǒng)，包括基底，所述基底被熱耦合到集成電路(IC)管芯；被熱耦合到所述基底的多根微針，所述多根微針按類似像素的圖案排列在所述基底上，以便于材料流過所述多根微針，并且基本上被包封在設(shè)備中，所述設(shè)備具有入口和出口；泵，所述泵具有入口和出口，所述泵的出口以材料可被傳遞的方式耦合到所述設(shè)備的入口；熱交換器，所述熱交換器具有入口和出口，所述熱交換器的入口以材料可被傳遞的方式耦合到所述設(shè)備的出口，并且所述熱交換器的出口以材料可被傳遞的方式耦合到所述泵的入口；被電耦合到所述基底的布線板；以及被電耦合到所述布線板的存儲設(shè)備。
32.如權(quán)利要求31的電子系統(tǒng)，其中所述多根微針包括由所述基底形成的多根微針。
33.如權(quán)利要求31的電子系統(tǒng)，其中所述設(shè)備包括具有覆蓋件的設(shè)備，所述覆蓋件被設(shè)置在所述多根微針上。
34.如權(quán)利要求31的電子系統(tǒng)，其中所述設(shè)備包括具有覆蓋件的設(shè)備，所述覆蓋件具有形成在其上的所述多根微針。
35.如權(quán)利要求31的電子系統(tǒng)，其中所述存儲設(shè)備包括閃存設(shè)備。
全文摘要
描述了一種包括微針熱解決方案的裝置。所述裝置包括基底和許多微針，所述微針被熱耦合到所述基底。所述微針按類似像素的圖案排列在所述基底上。
文檔編號H01L23/46GK1879214SQ200480033123
公開日2006年12月13日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者拉維·普拉什爾 申請人:英特爾公司