專利名稱：利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的芯片冷卻方法，特別是一種利用 微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法。
技術(shù)背景隨著微全分析系統(tǒng)(P-TAS)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)概念的提出和發(fā)展，電子芯 片的特征尺寸不斷減小，已從微米量級(jí)向亞微米量級(jí)發(fā)展，同時(shí)集成度每年以 40%-50%高速度遞增。近年來，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和高速電子計(jì)算機(jī)技 術(shù)的迅速發(fā)展，電子芯片熱流密度接近目前的冷卻極限——1麗/m2。如果這些 熱量不及時(shí)排出，將嚴(yán)重影響到微電子元件的工作性能和使用壽命。但是要在 毫米甚至微米量級(jí)的器件上把如此高的熱量帶走，以風(fēng)扇推動(dòng)空氣為特點(diǎn)的常 規(guī)冷卻技術(shù)已無法滿足日益增長(zhǎng)的微電子芯片散熱需求。因而，探尋高熱流密 度微電子芯片的冷卻方法開始成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微電子芯片實(shí)現(xiàn)有效的冷卻，已有文獻(xiàn)報(bào)道了一些冷卻方法。 目前比較常用的散熱方式為由外及內(nèi)散熱， 一般是用空氣通過風(fēng)扇或相變流體 與微電子元件直接接觸，從而實(shí)現(xiàn)將熱量從微電子元件中帶出，進(jìn)而降低電子 元件的工作溫度。這種散熱方式由于散熱熱阻較大，使得散熱效率較低；近年 來隨著微電子機(jī)械加工技術(shù)的迅速發(fā)展，將散熱元件與芯片集成制作已經(jīng)成為 一種有效的強(qiáng)化散熱手段。但是這兩類冷卻方式仍然沒有擺脫傳統(tǒng)的散熱方式 的不足之處，冷卻極限沒有超過1 MW/m2。早在上世紀(jì)80年代，Inada等人在過冷的池沸騰中發(fā)現(xiàn)加熱面上小汽泡的 湮滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多微汽泡，并且發(fā)現(xiàn)加熱表面不容易燒干。作者稱之為微汽泡 噴射沸騰，但是并沒有提及利用微汽泡噴射沸騰技術(shù)進(jìn)行芯片冷卻的方案。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Tange等在《Thermal Science and Engineering》(熱科學(xué)與工程)(2004年第12巻第23-29頁(yè))發(fā)表的 "Microbubble Emission Boiling in a MicroChannel and Minichannel"(小通道和微通道中的微汽泡噴射沸騰)，該文中發(fā)現(xiàn)在小通道中會(huì)出現(xiàn)微汽泡噴射 沸騰。其不足在于通道過長(zhǎng)，在高熱流密度下，上游通道內(nèi)剛剛出現(xiàn)微汽泡噴 射沸騰，其下游通道己經(jīng)燒干，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出微汽泡噴射沸騰技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出了一種利用微汽泡噴射沸騰冷卻 微電子芯片的方法，使其可以對(duì)熱流密度高達(dá)14.41 MW/m2的微電子芯片(長(zhǎng) 為2 mm,寬為0.2 mm)進(jìn)行有效冷卻，是傳統(tǒng)冷卻技術(shù)極限的十幾倍。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟 步驟一，通過微加工的方法將微電子芯片固定在硼硅酸玻璃上。 步驟二，通過微加工中的蝕刻工藝，在〈100〉硅片上蝕刻微通道。 所述微通道的尺寸取決于芯片的尺寸通道長(zhǎng)度、寬度略大于微電子芯片 的長(zhǎng)度和寬度，通道底部距微電子芯片約為0. 15mm。步驟三，通過微加工中的陽(yáng)極擴(kuò)散焊工藝，將蝕刻有微通道的硅片和固定 有微電子芯片的硼硅酸玻璃鍵合在一起，形成一端為入口、另一端為出口的具 有良好密封性的微通道。所述微電子芯片位于微通道內(nèi)部的中間位置。步驟四，提供常溫下的水，從微通道的入口注入，水和微電子芯片直接接 觸進(jìn)行冷卻后從通道的出口排出。水的質(zhì)量流率和入口溫度決定了用微汽泡噴射沸騰技術(shù)冷卻微電子芯片的 臨界熱流密度。水的質(zhì)量流率越大、入口溫度越低，臨界熱流密度就越大。所述水以恒定質(zhì)量流率和入口溫度注入。所述水的入口溫度小于或者等于60'C，水的質(zhì)量流率大于250 kg/m2s。 微汽泡噴射沸騰是一種出現(xiàn)在高熱流密度條件下的獨(dú)特沸騰換熱方式。在 過冷的液體從核沸騰向膜沸騰發(fā)展的過程中，如有適當(dāng)?shù)倪^冷度和流速，會(huì)有 大量的微小汽泡在大汽泡湮滅過程中噴射而出。此時(shí)的熱流密度將大大超過臨 界熱流密度，可超過10 MW/m2，而芯片溫度卻幾乎保持不變；另外，出現(xiàn)微汽 泡噴射沸騰時(shí)，所需的壓降卻與單相液體流動(dòng)時(shí)的壓降相當(dāng)。因而，微汽泡噴 射沸騰具有強(qiáng)大的換熱效果和較小的壓降等優(yōu)越性，完全適用于高熱流密度微 電子芯片的冷卻。本發(fā)明利用過冷沸騰中的微汽泡噴射沸騰技術(shù)進(jìn)行微電子芯片的冷卻，微 汽泡噴射沸騰技術(shù)具有換熱效果強(qiáng)(可以對(duì)熱流密度高達(dá)14.41 MW/m2的微電子 芯片進(jìn)行冷卻)、壓降小(接近單相流動(dòng)壓降)和不易出現(xiàn)燒干現(xiàn)象等傳統(tǒng)冷卻 技術(shù)所不具備的優(yōu)越性。因而用微汽泡噴射沸騰技術(shù)對(duì)高熱流密度的微電子芯 片進(jìn)行冷卻既能夠克服傳統(tǒng)散熱方式的不足，又能明顯地達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的， 為下一代微電子芯片的冷卻提供了一種行之有效的方法。


圖1為集成有微加熱膜的微通道的結(jié)構(gòu)圖。圖2為微汽泡噴射沸騰隨時(shí)間的照片，其中圖2a-c:三個(gè)汽泡聚結(jié)合并 成一個(gè)大汽泡；圖2d-f:許多微汽泡在大汽泡的湮滅的時(shí)候出現(xiàn)。 圖3為不同質(zhì)量流率下微汽泡噴射沸騰曲線圖。 圖4為不同入口溫度下沸騰曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本實(shí)施例按照以下的步驟進(jìn)行步驟一，通過微加工技術(shù)中的濺射工藝和剝離工藝在微通道下壁面1的硼 硅酸玻璃上加工微加熱膜4作為微電子芯片。微電子芯片以厚度為500 A的TiW 和6000 A的Pt復(fù)合而成。用厚度為3000 A的Au做引線5，并和直流電源相連。 通過調(diào)節(jié)直流電源的電壓使微電子芯片產(chǎn)生的不同的熱流密度。步驟二，通過微加工的方法在0. 25 mm厚的硅片減薄至0. 1 mra。將經(jīng)過上 述處理過的硅片置于900 1100 'C的高溫環(huán)境下進(jìn)行氧化反應(yīng)，參與反應(yīng)的氧 氣流動(dòng)速率為4 5 L/min，氧化時(shí)間為350 450分鐘，使硅片上生成一層均勻 的厚度為4000 A的氧化膜層；然后采用紅外對(duì)準(zhǔn)工藝，將通道圖形顯影到硅片 上，最后在二氧化硅的選擇性保護(hù)下進(jìn)行刻蝕，刻蝕速率為3200 3300 A/min， 直至將硅片刻穿。以形成微通道側(cè)壁3。通道截面為等腰梯形，上底寬為0. 43 mm， 下底寬為0.26腿，深為0. 10 mm,通道長(zhǎng)為15 mm。待除去硅片表面的雜質(zhì)后 對(duì)其進(jìn)行雙面拋光處理，然后用陽(yáng)極擴(kuò)散焊工藝將微通道側(cè)壁3與硅片上下面分別于微通道上下壁面l、 2鍵合在一起，從而保證微通道良好的密封性和可視 化要求。步驟三，用去離子水作為工作流體，以恒定質(zhì)量流率和入口溫度，將去離 子水從微通道一端注入，流經(jīng)微加熱膜，從微通道另一端流出。逐漸增加直流 電源的電壓，通過顯微鏡和高速攝像機(jī)觀察微電子芯片的流型，直至出現(xiàn)微汽 泡噴射沸騰現(xiàn)象。下面以圖1所示的集成有微加熱膜的微通道結(jié)構(gòu)，以附圖2-4所示的實(shí)施 為例，來說明用微汽泡噴射沸騰技術(shù)冷卻高熱流密度的微電子芯片。具體實(shí)施參數(shù)條件和結(jié)果描述如下如圖2所示，設(shè)微電子芯片為微加熱膜，施加的入口水溫為20 'C，質(zhì)量流 率為294.6 kg/m2s，可以利用微汽泡噴射沸騰技術(shù)對(duì)熱流密度為6.21麗/m2的 微電子芯片進(jìn)行冷卻。通過顯微鏡和高速攝像機(jī)的可視化研究，可以觀察到微 汽泡噴射沸騰現(xiàn)象:在0. 0682 ms內(nèi)，三個(gè)汽泡聚結(jié)合并成一個(gè)大汽泡(圖2a-c)。 由于強(qiáng)烈的冷凝和汽液界面的不穩(wěn)定性的作用，許多微汽泡在大汽泡的湮滅的 時(shí)候出現(xiàn)(圖2d-f)。如圖3所示，設(shè)微電子芯片為微加熱膜，施加的入口水溫為20'C，質(zhì)量流 率分別為254. 6 kg/m2s， 589.2 kg/m2s，和883. 8 kg/m2s。可以看到質(zhì)量流率 為254. 6 kg/m2s時(shí)，對(duì)熱流密度從4. 17麗/[!12到7. 19 MW/m2的微電子芯片進(jìn)行 冷卻時(shí)，芯片溫度從141.5 'C增至146.7 'C;質(zhì)量流率為589.2 kg/m2s時(shí)，對(duì) 熱流密度從5.99 MW/m2到12.44 MW/m2的微電子芯片進(jìn)行冷卻時(shí)，芯片溫度從 144. 3 °C增至159. 1 。C;質(zhì)量流率為883. 8 kg/m2s時(shí)，對(duì)熱流密度從6. 14 MW/m2 到14. 40 MW/r^的微電子芯片進(jìn)行冷卻時(shí)，芯片溫度從145. 2 'C增至165. 9 °C。如圖4所示，設(shè)微電子芯片為微加熱膜，施加的質(zhì)量流率為589. 2 kg/m2S， 入口水溫分別為20 °C， 60 'C和80 'C?？梢钥吹饺肟谒疁貫?0 'C時(shí)，對(duì)熱 流密度從5. 99 MW/m2到12. 44 MW/m2的微電子芯片進(jìn)行冷卻時(shí)，芯片溫度從144. 3 。C增至159. 1 。C;入口水溫為60 °C時(shí)，對(duì)熱流密度從3. 24 MW/m^lj 6. 43 MW/m2 的微電子芯片進(jìn)行冷卻時(shí)，芯片溫度從147. 2 'C增至149. 5 °C;入口水溫為80 。C時(shí)，對(duì)熱流密度從2.61 MW/mlU 5. 13匿/m2的微電子芯片進(jìn)行冷卻時(shí)，芯片溫度從146.7 'C迅速增至213.3 'C。該工況沒有出現(xiàn)微汽泡噴射沸騰現(xiàn)象，不 能有效的對(duì)該熱流密度芯片進(jìn)行有效的冷卻。本實(shí)施例利用微汽泡噴射沸騰技術(shù)對(duì)高熱流密度的微電子芯片進(jìn)行冷卻， 是傳統(tǒng)冷卻技術(shù)極限的幾倍到十幾倍。需要指出的是，在以上實(shí)施例中，當(dāng)入 口水溫為20 'C和60 'C時(shí)出現(xiàn)了微汽泡噴射沸騰現(xiàn)象；當(dāng)入口水溫升為80 。C 時(shí)沒有出現(xiàn)微汽泡噴射沸騰現(xiàn)象。因此高入口水溫是限制本發(fā)明方法使用的重 要因素。
權(quán)利要求
1、一種利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，通過微加工的方法將微電子芯片固定在硼硅酸玻璃上；步驟二，通過微加工中的蝕刻工藝，在<100>硅片上蝕刻微通道；步驟三，通過微加工中的陽(yáng)極擴(kuò)散焊工藝，將蝕刻有微通道的硅片和固定有微電子芯片的硼硅酸玻璃鍵合在一起，形成一端為入口、另一端為出口的具有良好密封性的微通道；步驟四，提供常溫下的水從微通道的入口注入，水和微電子芯片直接接觸進(jìn)行冷卻后從通道的出口排出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法，其 特征是，所述微通道，其通道長(zhǎng)度、寬度大于微電子芯片的長(zhǎng)度和寬度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法， 其特征是，所述微通道，其通道底部距微電子芯片0.15mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法， 其特征是，所述微電子芯片位于微通道內(nèi)部的中間位置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法，其 特征是，所述水的質(zhì)量流率和入口溫度決定了用微汽泡噴射沸騰技術(shù)冷卻微電 子芯片的臨界熱流密度，水的質(zhì)量流率越大、入口溫度越低，臨界熱流密度就 越大。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法， 其特征是，所述水以恒定質(zhì)量流率和入口溫度注入。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法， 其特征是，所述水的入口溫度小于或者等于60'C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法， 其特征是，所述水的質(zhì)量流率大于250 kg/m2S。
全文摘要
一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的利用微汽泡噴射沸騰冷卻微電子芯片的方法，步驟為步驟一，通過微加工的方法將微電子芯片固定在硼硅酸玻璃上；步驟二，通
文檔編號(hào)H01L21/02GK101252089SQ20081003485
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者王國(guó)棟, 平 鄭 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)