一種矽基微型環路熱管冷卻器的製造方法

2023-11-01 00:59:22 2

一種矽基微型環路熱管冷卻器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種矽基微型環路熱管冷卻器，包括鍵合在一起的半導體矽片和耐熱硼矽酸玻璃片，所述矽片與硼矽酸玻璃片接觸的表面上刻蝕有蒸發器、冷凝器、液體補償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸發器和冷凝器的兩端分別通過液相通道和汽相通道相連接，形成閉合迴路；所述液相通道上設有儲液腔；所述蒸發器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸發器與抽真空/注液通道連通，所述硼矽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。本發明能夠直接與半導體微電子晶片集成為一體，從而有效降低晶片的溫度和溫度梯度，減小並削弱因局部高熱流而造成的「熱點」問題，保障晶片的安全可靠運行。
【專利說明】一種矽基微型環路熱管冷卻器

【技術領域】
[0001]本發明屬於微電子晶片的溫控領域，尤其是一種矽基微型環路熱管冷卻器。

【背景技術】
[0002]近年來，隨著各電子器件及設備(如計算機晶片等)向高性能和微小型化的發展趨勢，它們工作時將產生工作熱負荷快速增加並造成發熱量過大的問題，嚴重影響電子器件的工作性能及安全可靠性。同時，微電子晶片本身的發熱不均將在局部表面產生「熱點」，其存在被認為是造成晶片「熱失效」、威脅系統安全的關鍵原因。針對微電子晶片冷卻空間狹小、散熱困難的特點，為將晶片溫度控制在安全水平並提高其均溫性、減少局部「熱點」，亟需發展新型的微冷卻技術。
[0003]在各種微電子器件散熱冷卻技術中，微小型環路熱管(LPH)因其散熱性能卓越和結構布置正日益受到關注，被認為是一種很有發展前景的新型微冷卻散熱技術。目前，該熱管主要通過毛細管與金屬板(塊)的連接製作構成環路或直接在金屬板上加工用於構成蒸發器的毛細芯結構和冷凝器的U型槽道結構來實現。如Chu等在《Heat Transfer一AsianResearch》(2004年33卷42-55頁)上發表的「Design of miniature loop heat pipe」(小型環路熱管的設計)中所提出的蒸發器毛細芯結構和冷凝器相互分離、並通過管道將兩者連接的環路熱管；以及專利號US20130233521A1，名稱為「Loop heat pipe and electronicequipment using the same」(基於環路熱管的冷卻裝置)的美國專利中所公開的一種直接在平板上加工蒸發器、冷凝器和迴路結構的平板環路熱管，該平板環路熱管可有多個蒸發器或冷凝器。由上述方法製作得到的毛細泵迴路，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，而在減少晶片表面局部「熱點」方面也存在較大的局限；同時，還可能因材料兼容性而導致熱應力集中的問題，當器件本身溫度分布不均時表現更為嚴重。


【發明內容】

[0004]針對現有LPH散熱技術難以有效解決微電子晶片工作熱負荷快速增加並造成其本身發熱不均在表面產生局部「熱點」的問題，本發明提供了一種矽基微型環路熱管冷卻器，能夠有效降低晶片「熱點」部位的溫度、提高散熱冷卻效率，結合LPH的自身特性和微尺度傳熱的優點增強傳熱溫控能力，使微電子晶片的工作性能更加安全可靠。
[0005]為解決上述問題，本發明採用如下的技術方案。
[0006]一種矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，包括鍵合在一起的半導體矽片、耐熱硼矽酸玻璃片；所述矽片與硼矽酸玻璃片接觸的表面上刻蝕有蒸發器、冷凝器、液體補償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸發器和冷凝器的兩端分別通過液相通道和汽相通道相連接，形成閉合迴路；所述液相通道上設有儲液腔；所述蒸發器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸發器與抽真空/注液通道連通，所述硼矽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]優選地，所述冷凝蛇型通道為數個等間距排列、且連通的U型通道構成。
[0008]優選地，所述蒸發器的微小槽道結構為數個貫穿於液相通道、汽相通道之間的蒸發微通道，或者為微肋陣列毛細結構，所述微肋陣列毛細結構為多個以陣列排列的在所述矽片上經刻蝕留下的微肋構成，微肋之間形成微通道。
[0009]優選地，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，所述微肋陣列毛細結構中微肋寬度為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。
[0010]優選地，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 μ m ;蒸發器的微小槽道結構的通道水力直逕取100?200 μ m。
[0011]優選地，所述液相通道的直徑小於汽相通道的直徑。
[0012]優選地，所述汽相通道從蒸發器向冷凝器方向線性增大；液相通道從液體補償器向冷凝器方向線性減小。
[0013]優選地，所述抽真空/注液微通道內液體工質充注體積佔整個矽基環路總體積的25%?40%。
[0014]優選地，所述充注液體工質為水、乙醇、電子冷卻液FC-72中的一種。
[0015]優選地，所述的娃基微冷卻器的娃片能夠直接與半導體微電子晶片集成為一體。
[0016]本發明通過半導體矽片和耐熱硼矽酸玻璃片靜電鍵合技術，將硼矽酸玻璃與刻蝕有蒸發器、冷凝器、液體補償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道的半導體矽片鍵合為一體，形成由玻璃密封的矽基微型環路熱管冷卻器。本發明中所述的蒸發器和冷凝器由液體補償器、汽相通道和液相通道連接，形成閉合迴路。蒸發器吸收來自微電子晶片工作產生的熱量，冷卻工質接受熱量後發生蒸發相變，由液相變為汽相。在蒸發器和冷凝器工質壓差的作用下，蒸發形成的汽相工質經汽相迴路向冷凝器運動，在冷凝器處經冷卻後又恢復為液相，在壓差作用下冷卻液沿液相迴路進入液體補償器，並返回蒸發器，繼續吸熱蒸發，如此往復，循環工作。
[0017]與現有技術相比，本發明的有益效果為:
[0018](I)使用時將矽基微型環路熱管冷卻器與半導體微電子晶片集成為一體，使晶片溫度較高的「熱點」部位熱量經與其直接集成在一起的LPH傳遞至溫度較低的部位，實現減小和平衡溫差的作用；使矽基微型環路熱管冷卻器直接有效降低晶片「熱點」部位的溫度，提高散熱、冷卻效率，結合矽基微型環路熱管冷卻器的自身特性和微尺度傳熱的優點增強傳熱溫控能力，使微電子晶片的工作性能更加安全可靠。
[0019](2)本發明中所述的矽基微型環路熱管冷卻器內部包括微肋陣列毛細結構，該微肋陣列毛細結構是多個以陣列排列的由所述矽片上刻蝕留下的微肋構成，兩排微肋之間的間隔較小，能夠破壞邊界層的充分發展，以此使整個微通道沿長度方向的平均邊界層厚度變薄，從而起到強化換熱的效果。同時，該微肋陣列毛細結構能夠減小工質流動阻力，顯著增強所述LPH蒸發器的潤溼/自潤溼效果，延遲其在較高熱負荷情況下因工質不足而造成的燒乾問題，提高熱管的傳熱極限。
[0020](3)本發明所述的矽基LPH冷卻器，由於具有傳統LPH的特點和微尺度下的傳熱強化的優勢，使其在有效克服傳統散熱方式難以應對「晶片級冷卻」不足的同時又兼具強化換熱的功能。
[0021](4)本發明中連接蒸發器和冷凝器的汽相通道和液相通道的直徑線性變化，有利於因未完全液化或汽化的汽-液兩相工質呈泰勒流狀態在汽/液相通道內的循環工作。
[0022](5)本發明中將矽基LPH與微電子晶片集成製作於一體，能夠有效減少傳統冷卻成本、降低能耗，且能夠改善晶片的散熱冷卻效果和承載熱負荷的能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為所述半導體娃片表面的刻蝕結構一種實施例不意圖。
[0024]圖2為所述半導體娃片表面的刻蝕結構另一種實施例不意圖。
[0025]圖3為所述耐熱硼矽酸玻璃結構圖。
[0026]圖中:
[0027]1-半導體矽片，2-蒸發器，3-冷凝器，4-液體補償器，5-液相通道，6_汽相通道，7-蒸發微通道，8-冷凝蛇形通道，9-抽真空/注液微通道，10-微肋陣列毛細結構，11-耐熱硼矽酸玻璃片，12-抽真空/注液孔。

【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護範圍並不限於此。
[0029]實施例1
[0030]—種娃基微型環路熱管冷卻器包括鍵合在一起的半導體娃片I和耐熱硼娃酸玻璃片11，所述半導體矽片I能夠與半導體微電子晶片集成為一體。如圖1所示，所述矽片I與所述硼矽酸玻璃片11接觸的表面刻蝕有蒸發器2、冷凝器3、液體補償器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，形成閉合迴路。儲液腔4位於所述液相通道5上，靠近蒸發器2的位置。所述冷凝蛇型通道8為數個等間距排列、且連通的U型通道構成。所述U型通道數為2?8個適宜，冷凝蛇形通道8的通道水力直徑為500?2000 μ m適宜。所述蒸發器2的微小槽道結構為數個貫穿於液相通道5、汽相通道6之間的蒸發微通道7構成。蒸發器2的微小槽道結構的通道水力直逕取100?200 μ m適宜。蒸發器2與抽真空/注液通道9連通。如圖3所示，耐熱硼矽酸玻璃片11上加工有抽真空/注液孔12 ;抽真空/注液孔12位於能夠與抽真空/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內充注體積佔整個矽基環路總體積的25%?40%的水、乙醇或電子冷卻液FC-72。
[0031]所述液相通道5的直徑小於汽相通道6的直徑。具體地，本實施例中，液相通道5的寬度為500 μ m,汽相通道5的寬度為800 μ m。冷凝器內含由3個通道寬度均為900 μ m、等間距排列、且連通的U型通道構成冷凝蛇型通道8。蒸發器2內含有15條寬200 μ m、且貫穿於液相通道5、汽相通道6之間的蒸發微通道7。
[0032]微通道幹法刻蝕深度為200 μ m,由此形成的矩形截面的液相通道5、汽相通道6、蒸發微通道7和冷凝U型通道8的水力直徑分別為285.7 μ m、320 μ m、200 μ m和327.3 μ m。位於液相通道5上的液體補償器4為8000 μ mX 2750 μ m的矩形，通過液體補償器4能夠有效控制不同熱負荷下蒸發器工質液體的蒸發量，並承擔調節冷凝器3冷卻散熱面積的任務，由此控制晶片的工作溫度。
[0033]所述矽基LPH冷卻器可與微電子晶片直接集成，通過水在迴路內的相變和汽、液兩相循環運動實現對晶片的直接冷卻和「熱點」消除功能。
[0034]實施例2
[0035]如圖2所示，與實施例1不同的是所述蒸發器2的微小槽道結構。本實施例中，蒸發器2的微小槽道結構為微肋陣列毛細結構10構成。所述微肋陣列毛細結構10為多個以陣列排列的在所述矽片上經刻蝕留下的微肋構成，微肋之間形成微通道。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。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，本實施例中，所述微肋陣列毛細結構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200μπκ長度為ΙΟΟΟμπι，兩列微肋之間的間距為300 μ m，兩行微肋之間的間距為300 μ m。
[0037]實施例3
[0038]在實施例1或實施例2的基礎上，本實施例中液相通道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從液體補償器4向冷凝器3方向線性減小，而汽相通道6則從蒸發器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 μ m減小到300 μ m,對應通道水力直徑由300 μ m減小到240 μ m ;而汽相通道6寬度由500 μ m增加至Ij 1000 μ m，對應通道水力直徑由285.7 μ m增加到333.3 μ m。經過以上調整，有利於增強未能完全液化或汽化的汽-液兩相冷卻工質在液相通道5和汽相通道6內的自發毛細運動效果，減小流動阻力，從而使工質在整個微型環路熱管冷卻器內的流動更加暢通，提高其運行性能。
[0039]本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其中液相通道5和汽相通道6寬度以及冷凝器2內蛇形通道和蒸發器3內微通道的寬度和數量可根據實際需要而進行調整。而微通道的刻蝕深度同樣也可以進行調整。
[0040]所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種娃基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，包括鍵合在一起的半導體娃片(I)、耐熱硼矽酸玻璃片(11);所述矽片(I)與硼矽酸玻璃片(11)接觸的表面上刻蝕有蒸發器(2)、冷凝器(3)、液體補償器(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，形成閉合迴路；所述液相通道(5)上設有儲液腔(4);所述蒸發器(2)包括微小槽道；所述冷凝器(3)包括冷凝蛇形通道(8);蒸發器(2)與抽真空/注液通道(9)連通，所述硼矽酸玻璃片(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.根據權利要求1所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，所述冷凝蛇型通道(8)為數個等間距排列、且連通的U型通道構成。
3.根據權利要求1所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，所述蒸發器(2)的微小槽道結構為數個貫穿於液相通道(5)、汽相通道(6)之間的蒸發微通道(7)，或者為微肋陣列毛細結構(10)，所述微肋陣列毛細結構(10)為多個以陣列排列的在所述矽片上經刻蝕留下的微肋構成，微肋之間形成微通道。
4.根據權利要求3所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，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，所述微肋陣列毛細結構(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.根據權利要求1所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，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;蒸發器(2)的微小槽道結構的通道水力直逕取100?200 μ m。
6.根據權利要求1所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，所述液相通道(5)的直徑小於汽相通道(6)的直徑。
7.根據權利要求6所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，所述汽相通道(6)從蒸發器⑵向冷凝器⑶方向線性增大；液相通道(5)從液體補償器⑷向冷凝器(3)方向線性減小。
8.根據權利要求1所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，所述抽真空/注液微通道(9)內液體工質充注體積佔整個矽基環路總體積的25%?40%。
9.根據權利要求8所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，所述充注液體工質為水、乙醇、電子冷卻液FC-72中的一種。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的矽基微型環路熱管冷卻器，其特徵在於，所述矽片能夠直接與半導體微電子晶片集成為一體。
【文檔編號】F28D15/04GK104406440SQ201410619219
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】孫芹, 屈健, 王謙, 韓新月, 王穎澤 申請人:江蘇大學