用於襯底熱控制的裝置和方法
2023-05-29 12:41:31 1
專利名稱：用於襯底熱控制的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及電子器件，尤其涉及用於將電子元件的熱向外傳遞的冷卻結構和這種冷卻結構的製造方法。
背景技術：
因為不斷增加的電晶體密度、晶片工作頻率和漏電流，現在的電子器件通常採用具有增加的功率密度的晶片。然而，目前的冷卻結構和冷卻能力通常不能滿足這些增加的功率密度的需求。
用於冷卻電子器件的常規熱技術包括使用散熱裝置、散熱片和相關熱界面。然而，當冷卻流體熱預算太小時，這些常規技術不能充分冷卻電子器件。常規冷卻技術也不能充分冷卻具有高平均功率通量、和/或高局部功率通量(熱點)的電子器件，例如具有200W/cm2以上的平均功率通量和甚至超過400W/cm2的超高平均功率通量的電子器件。例如，在具有如此高平均功率通量的電子器件中，高功率熱點可以消耗300到500W/cm2，而超高功率熱點可以消耗多於500W/cm2。在這樣的工藝條件下，如果冷卻方法主要基於熱條件機理，那麼功率通量將足夠大，以沿冷卻軸產生明顯的熱梯度。
在沿冷卻軸產生明顯熱梯度的這些高功率通量的情況下，可接受的冷卻技術通常需要使用基於具有循環流體的裝置的單相快速強制對流和/或兩相蒸發。然而，更高的冷卻方案需要更高的流體流速，這導致冷卻器上壓降的增加。然而，公知的基於循環流體的冷卻方案具有用於防止流體洩漏和/或系統機械損壞的最大工作壓力。這樣，在兩種情況下，公知冷卻方案的擴張性受到在高功率通量情況下操作冷卻器所需的壓降的不利限制。
例如，圖1示出了現有加熱/冷卻裝置5，它包括在例如半導體晶片的電子元件9的表面7上垂直衝擊(impinging)的流體噴射束或陣列11，以及用於除去用過的流體的橫向排洩12。相對於常規對流加熱和/或冷卻工藝，當使用流體噴射陣列11加熱或冷卻表面7時，它提供高熱傳遞速率。
在此情況下，流體噴射陣列11的高動能在噴射陣列正下方的通常在電子元件中心的區域中，在表面7的附近提供新鮮噴射流體，由此使得此區域處的高加熱或冷卻速率成為可能。然而，此高加熱/冷卻傳遞速率在沒有位於被噴射流體衝擊的表面區域正下方的表面7的區域中迅速下降。這不希望地導致電子元件表面上不均勻的冷卻，尤其從電子元件的中心到邊緣。
因為缺乏合適的用過流體的排洩，這些採用結合橫向排洩12的流體噴射束的常規加熱/冷卻裝置也不能充分用於冷卻高功率通量情形。這些橫向排洩以放射流模式從表面中心處的流體噴射除去用過的流體。如此，排洩速率根據從中心噴射排到位於此噴射陣列邊緣的流體排洩出口相遇的流體噴射排的數目近似線性增長，由此在此邊緣處達到最大速率。
由於它們的結構設計，這些類型的常規流體噴射陣列也不適於冷卻高功率通量情形。常規單相噴射陣列結構設計限制了排洩速率，使得它不會超過流體噴射陣列速率的50％。流體噴射陣列速率的50％以上的排洩速率不希望地強制流體噴射從預期的垂直方向移走，由此將熱傳遞速率相對於全垂直方向噴射的熱傳遞速率減小超過20％。此問題在兩相冷卻器中明顯增加，其中氣相體積流可以上至大於液體流三個量級。
在理論上和試驗中都對現有流體噴射陣列的熱性能進行了廣泛研究，尤其對具有高噴射雷諾數，例如，2000以上的噴射雷諾數的流體噴射陣列。如此，發現高噴射雷諾數以及流體噴射陣列的優化可以最大化給定噴射束幾何形狀的熱性能。然而，此高噴射雷諾數可以不希望地導致冷卻裝置上的大壓降，因此放棄它，除非出於特定的目的。
另外，在現有冷卻/加熱裝置的常規流體噴射陣列中，其熱性能的評估顯示熱傳遞係數會隨噴射直徑的下降而增加。然而，目前的流體噴射陣列的現有優化方針需要明確的噴射間距和間隙高度(即，噴射陣列和目標表面之間的間隔)，以最大化熱傳遞速率。這樣，通常需要儘可能小的流體噴射直徑，同時通過將冷卻器總壓降保持在給定實際限制如10psig(磅/平方英寸)之下來限制最大噴射速率，並按幾何優化算法所需的程度接近表面操作。
不幸地是，如果希望相對一致和高熱傳遞速率，這些參數嚴格地限制常規流體噴射具有少於約200個獨立噴射。例如，為了最大化使用常規冷卻裝置冷卻具有400nm2熱表面積的高功率矽晶片的冷卻能力，冷卻裝置應該具有196個流體噴射，其具有約1400微米的最小噴射間距、400微米或更大的噴射直徑、以及1600微米的最小間隙高度。任何向較小尺寸的偏離都將不希望地導致較低的熱性能，由此導致不能充分冷卻晶片。此外，使用這些常規裝置，冷卻將在晶片的表面上不希望地改變。例如，如果冷卻液是具有22℃的進入溫度且平均噴射速率為2m/s的水，而晶片在85℃的最大結溫度下並具有約0.75mm的厚度，那麼晶片中心處的冷卻/加熱裝置的最大平均熱通量能力為約170W/cm2，而此能力在晶片邊緣處將減小到小於135W/cm2。
因此，存在對最大化流體噴射陣列的熱傳遞速率的改進方法的需求，所述陣列用於冷卻或加熱具有沿目標表面產生明顯熱梯度的高功率通量的元件。
發明內容
為了克服上述問題和不足，因此本發明的一個目的是提供最大化熱冷卻/加熱歧管(manifold)的流體噴射陣列的熱傳遞速率的方法。
本發明的另一個目的是提供製造在高功率通量情況下使用的改進的冷卻/加熱歧管的方法。
本發明的另一個目的是提供具有分布式用過的流體返回網絡的加熱/冷卻流體噴射歧管。
本發明的另一個目的是提供冷卻/加熱歧管及其製造方法，所述歧管具有足夠高的冷卻通量能力同時使低壓降成為可能。
本發明的另一個目的是提供冷卻/加熱歧管及其製造方法，所述歧管具有與要冷卻的熱產生體的冷卻/加熱表面的形狀和尺寸無關的一致的熱傳遞速率能力。
本發明的另一個目的是提供冷卻/加熱歧管及其製造方法，所述歧管用於冷卻具有上述不一致的熱傳遞速率並包括局部熱點的熱產生元件的表面。
本發明的另一個目的是提供冷卻/加熱歧管，所述歧管能夠以約100W/cm2以上的速率而在約10psig以下的總內部液體壓降下冷卻。
本發明的另一個目的是提供冷卻/加熱歧管，所述歧管在陣列中具有超過200個噴射的流體噴射陣列束，而沒有排洩速率驅動性能下降。
本發明的另一個目的是提供冷卻/加熱歧管，所述歧管具有小於約400微米的流體噴射直徑，在離表面小於約1mm的距離處工作，而且噴射到噴射的間距小於約500微米。
本發明的另一個目的是提供具有被絕緣壁隔開的至少一個冷熱穿插的多層流體網絡的平面冷卻結構。
本發明的其它目的和優點將通過說明書顯而易見。
本發明的第一方面針對一種用於襯底熱控制的液體衝擊歧管裝置，所述裝置具有用於附裝到襯底表面的歧管體。所述歧管體包括微噴射管(microjet)陣列，在與所述襯底表面垂直的方向上穿過所述歧管體，和排洩管(drain)陣列，穿過所述歧管體，與所述微噴射管陣列相鄰並平行。所述歧管體的空腔位於所述襯底表面之上，其中所述微噴射管陣列將液體噴射到所述空腔中以與所述襯底表面接觸，而所述排洩管陣列在垂直方向上從所述空腔除去用過的液體。
所述歧管體可以是玻璃陶瓷材料、矽、AIN、SiC、Cu、Ni、其合金、具有或不具有聚合物和塑料、或甚至其組合，優選所述歧管體和所述襯底包括具有一致熱膨脹係數的材料。在所述裝置中，優選所述微噴射管陣列位於輸入歧管之內而所述排洩管陣列位於與所述輸入歧管互連的排洩歧管之內。所述歧管體具有兩個預定的無量綱單位，第一個是範圍優選為約3到約4無量綱單位的無量綱最小微噴射管間距，而第二個是範圍優選為從約2到約3無量綱單位的無量綱間隙高度。無量綱單位與微噴射管液壓直徑有關。
所述裝置還可以在所述歧管體內包括多個冷卻單元，其中每個冷卻單元具有基本上在其中心並被至少三個排洩管包圍的微噴射管。這些冷卻單元可以形狀一致、形狀不一致、具有位於其每個頂點處的排洩管(即，具有三個排洩管)的三角形冷卻單元，或它們可以是具有位於其每個頂點處的排洩管(即，具有四個排洩管)的正方形冷卻單元。
所述歧管內還可以包括至少一個橫向排洩管。或者，可以將第二歧管體附裝到第一歧管體。優選，所述第一和第二歧管體具有一致的熱膨脹係數。在這方面，所述第二歧管體具有第二微噴射管陣列和第二排洩管陣列，它們分別與所述第一歧管體的所述微噴射管陣列和所述排洩管陣列對準。然而，所述第二歧管的所述微噴射管和排洩管陣列具有與所述第一歧管體的所述微噴射管和排洩管陣列的尺寸不同的尺寸。
另一方面，本發明針對一種用於襯底熱控制的液體衝擊歧管裝置，所述裝置具有用於附裝到襯底表面的歧管體。所述歧管體包括液體微噴射管和氣體微噴射管，它們穿過所述歧管體並通向所述歧管體的第一空腔。所述歧管體也具有與所述第一空腔相通的第二空腔。所述第二空腔的尺寸大於所述第一空腔的尺寸。排洩管穿過所述歧管體，與液體微噴射管平行，並在所述第二空腔內具有開口端。在所述歧管裝置中，所述液體微噴射管將液體以及所述氣體微噴射管將氣體噴射到所述第一空腔中，以形成進入所述第二空腔的霧化液體噴霧。一旦進入所述第二空腔，此霧化液體將接觸襯底表面並蒸發，用於其熱控制，而所述排洩管在與所述襯底表面垂直的方向上從所述第二空腔除去用過的蒸發的液體分子。
上述液體衝擊歧管裝置優選包括多個這樣的氣體微噴射管、液體微噴射管、第一空腔和排洩管。在這方面，多個第一空腔通向所述第二空腔，其中每個第一空腔具有被至少一個氣體微噴射管包圍的至少一個液體微噴射管，而至少三個排洩管包圍每個液體微噴射管。排洩管在所述第二空腔內具有開口端。優選在所述歧管體內提供多個每個都具有至少三個頂點的冷卻單元。
所述液體和氣體微噴射管位於所述裝置的輸入歧管內，而所述排洩管位於排洩歧管內。這些輸入和排洩歧管相互穿插。所述歧管裝置也可以在所述歧管體內包括至少一個橫向排洩管、附裝到上述所述第一歧管體的第二歧管體，或其結合(即，橫向排洩管與第二歧管體結合)。所述第二歧管體在與所述第一歧管體的所述微噴射管和排洩管對應的位置具有不同尺寸(即，較小直徑、較大直徑、或其結合)的微噴射管和排洩管。
本發明的另一方面針對一種用於熱傳遞的系統。所述系統包括具有需要調節溫度的襯底和附裝到此襯底表面的歧管體。所述歧管體包括微噴射管陣列和排洩管陣列，它們都在與所述襯底表面垂直的方向上穿過所述歧管體並且相互平行。所述歧管體還包括所述襯底表面之上的空腔，其中所述微噴射管陣列將液體噴射到所述空腔中以與所述襯底表面接觸，用於其熱控制，而所述排洩管陣列在與所述襯底表面垂直的所述方向上從所述空腔除去用過的熱液體。
本發明還有一個方面針對一種用於熱控制襯底溫度的方法。所述方法包括提供歧管體，所述歧管體具有微噴射管陣列和排洩管陣列，它們在相互平行並與襯底表面垂直的方向上穿過所述歧管體。每個微噴射管被至少三個排洩管包圍。將所述歧管體附裝到所述襯底表面，由此在它們之間形成空腔。將液體從所述微噴射管陣列噴射到所述空腔中，並接著將所述液體與所述襯底表面接觸用於控制其溫度。在與所述襯底表面垂直的方向上通過排洩管陣列從所述空腔除去用過的熱液體。由於每個所述微噴射管被至少三個排洩管包圍，所以充分避免了相鄰微噴射管之間的相互作用。
在此方法中，所述歧管體還包括多個冷卻單元，其中這些冷卻單元為三角形、正方形、形狀一致、形狀不一致或甚至其組合。所述歧管可以將冷卻液體傳送到所述襯底表面，用於冷卻此表面，或可以傳送加熱液體到所述襯底表面用於加熱此表面。
所述歧管包括至少一個橫向排洩管，用於從所述空腔除去多餘的物質，或可以附裝到具有更小、更大、或其結合的微噴射管陣列和/或排洩管的第二歧管體。本歧管的設計和結構的關鍵特徵是能夠以約100W/cm2以上的速率控制溫度，而將總內部液體壓降維持在約10psig以下。
所述歧管的空腔可以結合每個都通向並與較大的第二空腔相通的多個較小的第一空腔。在這方面，所述液體微噴射管陣列和氣體微噴射管陣列可以在這些較小的空腔內具有開口端，以使當它們分別將液體和氣體射入時，在所述第一空腔內形成霧化液體噴霧。通過所述氣體微噴射管陣列，將所述霧化液體噴霧引入所述第二空腔，用於與所述襯底表面接觸。所述排洩管陣列在所述第二空腔內具有開口，以使通過此排洩管從所述第二空腔除去用過的蒸發的液體。可以將這些液體微噴射管和氣體為噴射管陣列以及排洩管陣列設計、構建和建造成所述歧管體內的多個冷卻單元。
在所附權利要求中詳盡闡述了相信是新穎的本發明的特徵和本發明的要素特徵。附圖只用於說明目的而未按比例繪製。然而，通過參考後面結合附圖的詳細描述，可以最好地理解本發明自身及其構成與操作方法，附圖包括圖1為常規冷卻歧管的側視圖的現有圖解，所述歧管具有用於除去用過的冷卻流體的橫向排洩。
圖2A為本發明的透視圖，示出了流體衝擊歧管的冷卻單元結構中的與目標表面垂直的流體微噴射管陣列以及與目標表面垂直的過孔排洩管分布式網絡。
圖2B為本發明的側視圖，示出了本發明的流體衝擊歧管裝置中的流體微噴射管陣列和過孔排洩管分布式網絡。
圖3為本發明的流體衝擊歧管的部分頂部平面視圖，所述歧管具有在正方形冷卻單元結構中排列的流體微噴射管陣列和過孔排洩管分布式網絡。
圖4為本發明的流體衝擊歧管的部分頂部平面視圖，所述歧管具有在三角形冷卻單元結構中排列的流體微噴射管陣列和過孔排洩管分布式網絡。
圖5仍為本流體衝擊歧管的另一個實施例的側視圖，所述歧管除了流體微噴射管陣列和過孔排洩管網絡之外具有橫向排洩管。
圖6為本發明的流體衝擊歧管結構的透視圖，所述結構具有至少一個具有流體微噴射管陣列的輸入流歧管和至少一個具有用於除去用過的冷卻流體的過孔排洩管網絡的排洩流歧管。
圖7為另一種流體衝擊歧管結構的側視圖，所述結構具有頂部和底部，其中底部具有的微噴射管和過孔排洩管孔的圖形尺寸小於位於頂部內的流體微噴射管和過孔排洩管孔，以提供更高的熱性能。
圖8仍為另一個流體衝擊歧管結構的側視圖，所述結構具有使用薄板封裝以在歧管內形成流體空腔的輸入微噴射歧管和排洩歧管。
圖9A為本發明的另一種兩相液體微噴霧(microspray)衝擊歧管結構的側視圖，示出了一個冷卻單元和相關空氣空腔的細節。
圖9B是頂部平面視圖，示出了本發明的兩相液體微噴霧衝擊歧管結構的冷卻單元空氣空腔的部分細節。
圖10為本發明的液體微噴霧衝擊歧管的部分頂部平面視圖，所述歧管具有在正方形冷卻單元結構中排列的陣列。
具體實施例方式
在本發明優選實施例的描述中，將在此參考附圖中的圖2A-10，在這些附圖中類似的標號指本發明的類似的特徵。
參考圖2A-B，示出了本發明的優選實施例，其中使用本發明的液體衝擊歧管18冷卻例如半導體晶片的熱產生元件50的表面52。顯然，歧管18為熱歧管，通常，它可以用於冷卻目標表面或可以用於加熱這樣的表面。
根據本發明，歧管18由向下箭頭10描繪的流體微噴射管陣列(下文中稱作「流體微噴射管陣列10」)結合向上箭頭15描繪的過孔排洩管網絡(下文中稱作「過孔排洩管網絡15」)組成。流體微噴射管陣列10與目標表面52垂直穿過歧管的厚度。此流體微噴射管陣列10允許冷卻流體從歧管頂表面向目標表面52供入每個流體微噴射，以使冷卻流體具有與目標表面52垂直的流入速率。冷卻液體在歧管底表面處離開微噴射管陣列10並與目標表面52接觸，以按預定的冷卻速率分布冷卻此表面。
歧管18的關鍵特徵是用於除去用過的冷卻流體的過孔排洩管網絡15。過孔排洩管網絡15在與目標表面52垂直並與流體微噴射管陣列10平行的方向上穿過歧管的厚度。過孔排洩管網絡15能夠從直接位於目標表面52之上的空腔或流體間隙區域60以同樣垂直遠離目標表面52的流出速率除去用過的冷卻流體。如此，過孔排洩管網絡15從歧管底表面納入用過的流體並在歧管頂表面除去用過的流體。
如圖2A中所示，本發明的另一個關鍵特徵是歧管18被設計並幾何形成為多個亞毫米冷卻單元20(如通過圖2A中的目標表面52上所示的線條所描繪)。在形成歧管18的冷卻單元20的過程中，預確定冷卻單元結構。這些冷卻單元可以具有各種有限的幾何形狀，包括但不局限於正方形、三角形等，甚至它們的組合(參考圖2A、3和4)。優選單元形狀具有至少三個(3)用於定位排洩流的頂點。
參考圖3和4，這樣形成歧管的冷卻單元20，以在局部冷卻單元中形成流體微噴射管陣列的流體微噴射管和過孔排洩管網絡的過孔排洩管。顯然，圖3和4中所示的冷卻單元陣列只代表冷卻給定表面所需的全部單元陣列的一部分。這些局部冷卻單元可以是統一的形狀，並具有統一的尺寸和微噴射管或排洩管尺寸，但是本領域內的技術人員可以理解，微噴射管和排洩管直徑可以互不相同以適應不同的壓降分布需求。優選用分布式過孔排洩管網絡15的至少三個(3)過孔排洩管15』包圍流體微噴射管陣列10中的每個流體微噴射管10』。如此，用輸出用過的流體流的至少三個(3)過孔排洩管包圍提供輸入冷卻流體的每個流體微噴射管。優選，流體微噴射管陣列10和分布式排洩管網絡15具有基本相同密度分布的貫串歧管18。
如圖3的頂部平面視圖中所示，可以將冷卻單元20形成為正方形單元20的陣列，由此每個正方形單元包括基本上在其中心處的流體微噴射管10』和在每個單元頂點處的排洩管15』。也就是說，每個正方形冷卻單元具有四個(4)不同的排洩管，每個的中心在每個頂點上，以使每個排洩管被劃分為四份之一(1/4)部分，每個部分位於四個(4)不同的正方形冷卻單元中。在這方面，獨立正方形冷卻單元中的流體微噴射管將被一個完整過孔排洩管的能力包圍。
作為選擇，可以將冷卻單元形成為如圖4的頂部平面視圖中所示的三角形單元20的陣列。在這種排列中，每個獨立三角形單元20具有基本上在單元中心的流體微噴射管10』和在每個單元頂點的排洩管15』。這樣，獨立排洩管15』被分為與排洩管接觸的三角形單元20中的六分之一部分。由於每個獨立三角形冷卻單元具有三個(3)獨立過孔排洩管的三個(3)六分之一部分，所以每個獨立三角形冷卻單元具有一半(1/2)過孔排洩管的能力，用於在此獨立三角形冷卻單元中心的流體微噴射管。這種三角形排列相對於正方形單元陣列形成更高的流體微噴射管的總密度。然而，根據本發明，優選正方形冷卻單元，因為相對於每個製冷單元具有一半過孔排洩管的三角形冷卻單元排列，正方形冷卻單元結構在給定單元內對於每個流體微噴射管具有一個完整的過孔排洩管，並從而對於一組給定的工作條件將具有更高的壓降。或者，可以使用比流體微噴射管過孔更大的排洩管過孔尺寸來提高壓降。
在另一個實施例中，這樣形成本發明的歧管18，以使它由各種形狀、尺寸和其組合的局部冷卻單元20組合的不一致圖形組成。使用各種形狀和尺寸的冷卻單元20組合的優點是能夠提供這樣的歧管，其冷卻通量能力從具有小單元的區域中的高熱傳遞速率變化到具有相對較大單元的區域中的較低熱傳遞速率。這有利於能夠形成冷卻能力與要被冷卻的目標表面的預期冷卻分散分布匹配的歧管，由此最小化冷卻熱產生元件所需的總流體流。例如，對於冷卻具有局部熱點的高能量晶片來說，具有各種形狀和尺寸的局部冷卻單元組合的不一致圖形的歧管極其有用。
在本發明的任何冷卻單元結構中，關鍵特徵是相對於相鄰的微噴射管到微噴射管的距離，過孔排洩管15』位於更接近給定冷卻單元中的給定流體微噴射管。這種冷卻單元結構通過將所有鄰近的過孔排洩管輸出流置於此單元的每個頂點，限定局部冷卻單元，在所限定的單元區域內具有冷卻流體微噴射管。這樣，有效削弱了相鄰冷卻單元內的相鄰流體微噴射管之間的相互作用，而且基本上或完全消除了局部冷卻單元之間的不希望的橫向排洩流。
本歧管的相鄰冷卻單元內的相鄰流體微噴射管之間削弱的相互作用有利於有效的熱傳遞，這是因為削弱的微噴射管陣列熱性能與要被冷卻的表面區域的尺寸無關。這樣，表現給定冷卻單元熱性能特點的所有幾何參數可以優化，以達到預定的熱性能，並然後將其施加給具有不同總冷卻面積的熱產生元件，而沒有冷卻速率的任何降低。本歧管的相鄰冷卻單元內的相鄰流體微噴射管之間削弱的相互作用也允許通過縮小熱性能，並以相同的縮放因子縮小表現局部冷卻單元特徵的所有幾何參數，保護流體流通模式，從而當流體微噴射管直徑下降時熱傳遞係數會持續增加。
在本發明的上述實施例中，優選包括流體微噴射管陣列10和過孔排洩管網絡15的本發明的歧管18在冷卻的目標表面52的外圍處基本上具有零橫向排洩流。然而，作為上述實施例的代替，除了流體微噴射管陣列10和過孔排洩管網絡15，可以將橫向排洩流添加到如圖5中所示的歧管結構。如此，可以從目標表面橫向除去整個排洩流的一小部分，例如整個排洩流的約20％。對於淨化流體微噴射管陣列10的表面、過孔排洩管網絡15、目標表面和/或其組合，對於除去如果留下來在這些淨化的表面上累積將減弱流體衝擊並退化本歧管性能的多餘的碎屑、氣泡、或其它外來或多餘材料，給歧管18添加橫向排洩流極其有益。
現在參考圖6，示出了本發明的液體衝擊歧管結構100的一部分，結構100具有衝擊流體微噴射管陣列和在冷卻單元網絡內的分布式過孔排洩流。液體衝擊歧管結構100具有頂表面102和底表面104，其中圖3中示出了表面104的平面視圖，它具有流體微噴射管陣列的多個流體微噴射管與過孔排洩管網絡的多個過孔排洩流結合。顯然，整個歧管結構包括多個圖6中所示的部分，它們並列擺放並結合在一起以達到近似等於要冷卻的表面52的最小尺寸。此歧管裝置100直接位於熱產生元件50的頂表面52之上，其中歧管100和熱產生元件通過空腔(即，流體間隙60)互相分離。
液體衝擊歧管裝置100包括如圖6中所示的至少一個排洩流歧管30和至少一個輸入流歧管40。為了容易理解本發明，排洩流歧管30和輸入流歧管40被描繪為實心體。然而，應該理解而且顯而易見地是，這些流歧管30、40由例如溝道、過孔等的開口組成，由相等的或不同的尺寸組成。這些開口互相連接，用於當將流體施加給此歧管結構的輸入埠時允許流體流過歧管結構100。另外，流歧管30、40互相穿插，並通過實心壁互相物理隔離，所述實心壁的厚度在歧管結構100內部的不同區域中可以不同。
流歧管30、40內的開口允許流體從歧管結構100的頂表面102流到底表面104，反之亦然。如此，將優選為冷卻流體的流體從歧管的頂表面102通過輸入埠42提供到輸入流歧管40。此流體通過主x軸溝道44分布穿過流歧管40，並接著進入多個y軸小溝道46。流體離開流體微噴射管陣列的多個流體微噴射管48，以使它分散通過流體間隙區域60並垂直衝擊在需要冷卻的熱產生元件50的頂表面52上。然後通過吸入排洩流歧管30從流體間隙區域60除去用過的冷卻流體。具體地，過孔排洩管網絡的多個過孔排洩流或吸取孔38將用過的流體吸入排洩流歧管30。然後將用過的流體分布通過多個y軸小溝道36，進入主x軸存儲溝道34，並接著在流歧管30的頂表面處的輸出埠32排出，從而從流歧管30和歧管裝置100自身除去用過的流體。
為了最大化根據本發明構建的液體衝擊歧管裝置的熱性能，必須將兩個無量綱幾何參數預定為預選擇的設計。第一參數為無量綱的最小輸入微噴射管間距，它定義為兩個相鄰輸入微噴射管48的最小間距和微噴射管48液壓直徑之間的比率。根據本發明，此參數的最佳範圍在約3到4無量綱單位之間。顯然，4無量綱單位以上的參數會降低歧管的熱性能，這是因為在遠離每個流體微噴射管中心線的方向上邊界層厚度會增加。3無量綱單位以下的參數同樣將降低歧管的熱性能，這是因為任何流體微噴射管與流體微噴射管的相互作用會改變在冷卻壁處薄邊界層的形成。
第二參數為無量綱間隙高度，它定義為流體間隙區域60的高度和流體微噴射管48液壓直徑之間的比率。第二參數的最佳範圍在約2到約3無量綱單位之間。在此參數中，3單位以上的無量綱單位會降低熱性能，這是因為流體微噴射管48將有足夠的時間和此流體微噴射管48周圍循環的用過的流體混合。2單位以下的無量綱單位同樣會降低熱性能，這是因為用過的流體未得以充分循環，這會對在冷卻壁處薄邊界層的形成起不利作用，並同樣有助於增加間隙60體積內的壓降。儘管優選這兩個無量綱幾何參數範圍，但是很明顯而且應該理解地是，這些範圍以外的無量綱單位將提供本液體衝擊歧管裝置100的充分的冷卻能力，然而，相對於上述最佳無量綱幾何參數範圍內設計的歧管結構，此熱性能將變低。
液體衝擊歧管結構100可以通過MLC(多層陶瓷)工藝使用玻璃陶瓷材料、矽、InvarTM、AIN、SiC、Cu、Ni等、聚合物和塑料或者甚至其組合形成。用於電子模塊的歧管結構100優選使用玻璃陶瓷材料形成，此材料具有優選為約2W/mK的低固有熱導率，和近似與矽的TCE匹配，或約為3.0E-6K-1的TCE。希望低熱導率，因為它會減小冷輸入流體和熱的用過的流體在其中這兩種流體流最接近的歧管結構100內的區域中的熱交換速率。另外，優選與目標表面52的TCE匹配的材料，因為它會促進歧管結構100和目標表面之間的直接密封，尤其當歧管結構100為完全封閉模塊時，即，當歧管結構完全封閉流體間隙區域60時。
參考圖7，可以在兩個獨立部分中，具體在頂部72和底部74中形成另一種液體衝擊歧管結構70。優選根據上述本發明，並如圖3和6中所示形成頂部72。這樣，頂部72包括具有x軸溝道44、多個y軸小溝道46和流體微噴射管48的輸入流歧管40，和具有x軸溝道34、多個y軸小溝道36和過孔排洩管孔38的排洩流歧管30。然而，取決於歧管70的最終使用，流體微噴射管48和過孔排洩管孔38需要具有較小的圖形尺寸、較大的圖形尺寸、或其組合，例如，具有較小的直徑、較大的直徑或其組合。這樣，使用光刻工藝製造底部74，以使能夠用與位於頂部72中的流體微噴射管和過孔排洩管孔的圖形尺寸不同的尺寸形成流體微噴射管75和過孔排洩管孔76。通過選擇TCE一致的材料，可以將頂部72和底部74粘接到一起，以形成相對於頂部72具有甚至更高性能，例如1000W/cm2以上的性能的歧管結構70，其本身為本發明的歧管結構。
另外，圖8示出了本發明的另一個液體衝擊歧管結構80。在此歧管結構80中，使用薄矽板85密封輸入微噴射歧管82和排洩歧管84，以形成流體空腔86。流體空腔86提供獲得用於冷卻的微噴射管衝擊作用所需的容積。歧管結構80和矽板85互相粘接，以提供自包含的可以從熱產生元件獨立預測試的歧管器件，以確保足夠的熱性能。一旦確定歧管80具有足夠的熱性能，就可以將元件互相分離，並接著與通過使用熱傳導性粘合劑、焊料等或者甚至其組合連接到熱產生元件的歧管分離。優選機械加工流體空腔86內的板85的表面88，以在其上按不幹擾垂直衝擊的微噴射管的圖形形成微鰭片。如此，可以利用適度增加壓降，例如小於1psig的壓降，來提升表面88上的有效對流熱傳遞係數。可以直接將歧管組件安裝到例如半導體晶片的熱產生表面上。
實例使用MLC工藝和玻璃陶瓷材料形成25mm×25mm×6mm的本發明的液體衝擊歧管結構。優選MLC工藝是因為它可以形成具有約0.05到0.50mm範圍內的流體微噴射管直徑，和低約0.225mm的微噴射管到微噴射管間距的本歧管結構。歧管底表面104具有圖3中所示的流體微噴射管陣列-過孔排洩管網絡排列，並包括約1600個輸入流體微噴射管孔和約1681個過孔排洩管孔，它們具有約126微米的燒結直徑。燒結的微噴射管到微噴射管的間距為約438微米。
為了測試上述歧管結構，在離玻璃陶瓷歧管結構165μm的地方安置具有多個熱傳感器的供電矽晶片。收集到的熱性能數據顯示使用具有2m/s的微噴射速率和10psig以下的總壓降的水作為冷卻流體，此歧管結構提供5.2E04W/m2K的對流熱傳遞係數。使用在700微米厚的矽晶片上的上述歧管結構，使用水冷卻，水的輸入溫度為22℃，而晶片電晶體平面處的最大溫度為約85℃，此結構提供256W/cm2的平均冷卻能力。顯然，通過減小微噴射管直徑和間距，根據本發明可以獲得每單元面積更高的熱除去速率。使用商業可獲得的CFD(計算機流體動力學)代碼的上述實例的詳細三維模型示出了收集的試驗數據和計算機模擬之間小於12％的偏離。
對於在各種工藝參數下的四個(4)不同的二維軸對稱模型，在下面的熱性能結果表中示出了本液體衝擊歧管的其它改進的熱性能。
上述實例基本上使用水做為冷卻流體來實施，然而，顯而易見而且需要理解地是，在本發明的歧管結構中可以使用其它公知的冷卻材料。優選流體是為了高熱傳遞速率，這是因為流體具有遠高於空氣的熱傳遞係數。然而，也可以在本歧管內採用液體金屬和空氣用於冷卻熱產生元件的表面。例如，液體金屬可以包括在室溫下為液體而且能夠產生非常高的冷卻速率能力，例如高於1000W/cm2的金屬，例如，GaIn和Hg。也可以在本流體傳輸和本發明的恢復歧管中採用氣體，例如但不局限於空氣、N2、CO2、H2、He、或其它惰性氣體，及其組合。
儘管沒有脫離本發明的新穎概念，圖9A-10示出了本發明的另一實施例。在此實施例中，使用本發明的液體微噴霧冷卻歧管200冷卻例如半導體晶片的熱產生元件250的表面252。參考圖9A的側視圖和圖9B的頂部平面圖，微噴霧冷卻歧管200由至少一個冷卻單元300組成，冷卻單元300具有至少一個液體微噴射管噴霧嘴240、至少一個氣流微噴射管嘴270(優選兩個)、至少一個排洩管線230和至少一個空腔262。
液體微噴射管噴霧嘴240和微噴射管嘴270橫穿歧管200，以使它們從其頂表面202向下延伸並位於空腔262之中。此液體微噴射管噴霧嘴240允許從歧管頂表面向目標表面252提供冷卻流體，以使冷卻流體具有垂直於目標表面252的輸入流速。冷卻流體在位於如圖9A中所示的歧管底表面204處的空腔262內離開微噴射管噴霧嘴240。至少一個排洩管線230也在垂直於目標表面252並平行於流體微噴射管陣列240的方向上穿過歧管的厚度。
氣流通過氣流微噴射管嘴270注入空腔262，由此氣流包圍離開微噴射管噴霧嘴240的冷卻流體。氣流衝擊在液體流上，以分散此液體流並產生霧化液體噴霧的液體-氣體散布。此氣流同樣用於調節液體噴霧角度並將霧化液體噴霧推向目標表面252。將氣體和液體流以充足的速率和壓力注入空腔262，以能夠將氣體與液體混合併霧化液體，其中更高的氣體速率將產生更窄的液體噴霧角度。注入的氣體使空腔262外的霧化液體噴霧在向熱產生目標表面252的方向上進入間隙區域260。一旦進入間隙區域260，霧化液體噴霧蒸發接觸熱產生目標表面252。然後通過至少一個排洩管230從間隙區域260除去用過的冷卻蒸汽。如此，從目標表面252之上以垂直遠離目標表面的輸出流速除去這些用過的冷卻蒸汽。
如上所述，局部冷卻單元可以是統一形狀的並具有一致的尺寸和微噴射管或排洩管直徑，或者微噴射管和排洩管直徑可以互不相同，以適應不同的壓降分布需求。例如，參考圖9B和10，歧管310的每個冷卻單元230在其頂點可以包括4個獨立排洩管線230的四分之一，這樣，就等於一個完整的排洩管包圍每個微噴射管240。本發明的一個關鍵特徵是在冷卻單元結構中，相對於結構內的微噴射管到微噴射管的距離，在給定冷卻單元中排洩管位於較接近給定微噴射管。當排洩管輸出流位於冷卻單元的每個頂點時，每個冷卻單元的冷卻能力被最大化，這是因為有效消弱了相鄰冷卻單元中的相鄰流體微噴射管之間的相互作用，而且基本上或完全消除了局部冷卻單元之間的不希望的橫向排洩流。
根據本發明，圖9A-10的歧管也可以包括橫向排洩流(如圖5中參考數字35所代表的)，它可以被構建為兩個獨立部分用於提供更小的微噴射管(如圖7中所示和相關圖7的討論)，可以被附裝到用於預測試的矽板(如圖8所示和相關圖8的討論)，或者甚至其組合。適合用於本發明此實施例的氣體和液體包括常規公知的和用於冷卻/加熱襯底表面的那些氣體和液體。
應該理解地是，可以用連續、同樣的方式在整個目標表面區域上加熱和/或冷卻目標表面，或作為選擇，可以在目標表面區域上非均勻地加熱和/或冷卻目標表面。在其中非均勻地加熱和/或冷卻目標表面區域的情況下，本發明的歧管可以被設計並構建以按不同的速率並在不同的工藝條件下冷卻、加熱、或同時冷卻和加熱目標表面的不同區域，所述工藝條件基於位於目標表面區域上的變化的表面特徵，它包括但不局限於層次、材料、尺寸、參數等。在這方面，本發明的歧管可以具有多個穿過歧管的不同的冷卻單元，其中這些變化的冷卻單元可以被設計和構建以加熱和/或冷卻位於目標表面區域上的變化的表面特徵。例如，本發明的此歧管對於冷卻和/或加熱多晶片模塊是理想的。
權利要求
1.一種用於襯底的熱控制的液體衝擊歧管裝置，包括歧管體，用於附裝到襯底表面；微噴射管陣列，在與所述襯底表面垂直的方向上穿過所述歧管體；排洩管陣列，穿過所述歧管體，與所述微噴射管陣列相鄰並平行；以及所述歧管體的空腔，在所述襯底表面之上，其中所述微噴射管陣列將液體噴射到所述空腔中以與所述襯底表面接觸，用於所述襯底的熱控制，而所述排洩管陣列在與所述襯底表面垂直的所述方向上從所述空腔除去用過的液體。
2.根據權利要求1的裝置，其中所述歧管體包括選自如下的材料玻璃陶瓷材料、矽、AIN、SiC、Cu、Ni、其合金、及其組合。
3.根據權利要求1的裝置，其中所述歧管體和所述襯底包括熱膨脹係數一致的材料。
4.根據權利要求1的裝置，其中所述微噴射管陣列位於所述裝置的輸入歧管內，而所述排洩管陣列位於所述裝置的排洩歧管內，所述輸入歧管和排洩歧管相互穿插。
5.根據權利要求1的裝置，還包括所述歧管體內的多個冷卻單元，每個冷卻單元具有基本上在其中心並被所述排洩管陣列的至少三個排洩管包圍的所述微噴射管陣列的微噴射管。
6.根據權利要求5的裝置，其中所述多個冷卻單元在所述歧管體內形狀一致。
7.根據權利要求5的裝置，其中所述多個冷卻單元在所述歧管體內形狀不一致。
8.根據權利要求5的裝置，其中所述多個冷卻單元包括三角形冷卻單元陣列，每個所述三角形冷卻單元具有基本上在其所述中心的所述微噴射管和在所述三個頂點的每一個的中心的排洩管，以使所述微噴射管被單個排洩管的至少一半吸取能力包圍。
9.根據權利要求5的裝置，其中所述多個冷卻單元包括正方形冷卻單元陣列，每個所述正方形冷卻單元具有基本上在其所述中心的所述微噴射管和在所述四個頂點的每一個的中心的排洩管，以使所述微噴射管被一個完整排洩管的吸取能力包圍。
10.根據權利要求1的裝置，還包括所述歧管體內的至少一個橫向排洩管。
11.根據權利要求1的裝置，還包括附裝到所述歧管體的第二歧管體，所述第二歧管體具有分別與所述歧管體的所述微噴射管陣列和所述排洩管陣列對準的第二微噴射管陣列和第二排洩管陣列，所述第二微噴射管陣列和所述第二排洩管陣列具有與所述歧管體的所述微噴射管陣列和所述排洩管陣列不同的尺寸。
12.根據權利要求11的裝置，其中所述歧管體和所述第二歧管體包括熱膨脹係數一致的材料。
13.根據權利要求1的裝置，還包括第一預定無量綱幾何參數和第二預定無量綱幾何參數，所述第一預定無量綱幾何參數包括範圍從約3到約4無量綱單位的無量綱最小微噴射管間距，所述第二預定無量綱幾何參數包括範圍從約2到約3無量綱單位的無量綱間隙高度。
14.一種用於襯底的熱控制的液體衝擊歧管裝置，包括歧管體，用於附裝到襯底表面；液體微噴射管，穿過所述歧管體，並通向所述歧管體的第一空腔；氣體微噴射管，穿過與所述液體微噴射管相鄰的所述歧管體，並通向所述第一空腔；所述歧管體的第二空腔，與所述第一空腔相通，所述第二空腔大於所述第一空腔；以及排洩管，穿過所述歧管體，與所述液體微噴射管平行，所述排洩管在所述第二空腔內具有開口端，其中所述液體微噴射管將液體以及所述氣體微噴射管將氣體噴射到所述第一空腔中，以在其中形成霧化液體噴霧，所述霧化液體噴霧進入所述第二空腔以與所述襯底表面接觸，而所述排洩管在與所述襯底表面垂直的方向上從所述第二空腔除去用過的霧化液體。
15.根據權利要求14的裝置，還包括多個所述氣體微噴射管；多個所述液體微噴射管，其中每個液體微噴射管被所述多個氣體微噴射管的至少一個氣體微噴射管包圍；多個所述第一空腔，通向所述第二空腔，每個所述第一空腔具有被所述至少一個氣體微噴射管包圍的至少一個所述液體微噴射管；以及多個所述排洩管，在所述第二空腔內具有開口端，其中至少三個排洩管包圍每個所述液體微噴射管。
16.根據權利要求15的裝置，還包括多個具有至少三個頂點的冷卻單元，每個冷卻單元具有被所述至少一個氣體微噴射管和在所述冷卻單元的每個頂點中心的所述至少三個排洩管包圍的所述液體微噴射管。
17.根據權利要求14的裝置，其中所述液體微噴射管和所述氣體微噴射管位於所述裝置的輸入歧管內，而所述排洩管位於所述裝置的排洩歧管內，所述輸入歧管和排洩歧管相互穿插。
18.根據權利要求14的裝置，還包括所述歧管體內的至少一個橫向排洩管。
19.一種用於熱傳遞的系統，包括襯底，具有需要調節的溫度；歧管體，附裝到所述襯底的表面，所述歧管至少包括，微噴射管陣列，在與所述襯底表面垂直的方向上穿過所述歧管體；排洩管陣列，穿過所述歧管體，與所述微噴射管陣列相鄰並平行；以及所述歧管體的空腔，在所述襯底表面之上，其中所述微噴射管陣列將液體噴射到所述空腔中以與所述襯底表面接觸，用於所述襯底的熱控制，而所述排洩管陣列在與所述襯底表面垂直的所述方向上從所述空腔除去用過的熱液體。
20.一種用於熱控制襯底溫度的方法，包括以下步驟提供具有微噴射管陣列和排洩管陣列的歧管體，所述微噴射管陣列和排洩管陣列在相互平行並與襯底表面垂直的方向上穿過所述歧管體；將所述歧管體附裝到所述襯底表面，其中在所述歧管體和所述襯底表面之間形成空腔；將液體從所述微噴射管陣列噴射到所述空腔中；將所述液體與所述襯底表面接觸，用於控制所述襯底的溫度；以及在與所述襯底表面垂直的方向上通過所述排洩管陣列從所述空腔除去用過的所述液體，其中每個所述微噴射管被至少三個排洩管包圍以防止相鄰微噴射管之間的相互作用。
21.根據權利要求20的方法，其中所述歧管體還包括多個冷卻單元，每個冷卻單元具有至少三個頂點和被以所述頂點為中心的所述至少三個排洩管包圍的所述微噴射管陣列的微噴射管，用於基本上消除相鄰冷卻單元之間的橫向排洩流。
22.根據權利要求20的方法，其中所述多個冷卻單元包括位於所述歧管中的多個變化的冷卻單元，用於控制所述襯底表面上的各種不同溫度。
23.根據權利要求21的方法，其中所述多個冷卻單元具有選自如下的幾何形狀三角形冷卻單元、正方形冷卻單元、形狀一致的冷卻單元、形狀不一致的冷卻單元及其組合。
24.根據權利要求20的方法，其中所述液體包括用於通過冷卻所述襯底控制所述溫度的冷卻液體。
25.根據權利要求20的方法，其中所述液體包括用於通過加熱所述襯底控制所述溫度的加熱液體。
26.根據權利要求20的方法，其中所述歧管體能夠以約100W/cm2以上的速率控制所述溫度，而將總內部液體壓降維持在約10psig以下。
27.根據權利要求20的方法，還包括所述歧管體內的至少一個橫向排洩管，用於從所述空腔除去不希望的物質。
28.根據權利要求20的方法，還包括將第二歧管體附裝到所述歧管體，所述第二歧管體具有分別與所述歧管體的所述微噴射管陣列和所述排洩管陣列對準的第二微噴射管陣列和第二排洩管陣列，其中所述第二微噴射管陣列和所述第二排洩管陣列具有比所述歧管體的所述微噴射管陣列和所述排洩管陣列小的尺寸。
29.根據權利要求20的方法，其中所述空腔包括全部通向第二空腔的多個第一空腔，所述方法還包括以下步驟在所述歧管體內提供氣體微噴射管陣列，所述微噴射管陣列和所述氣體微噴射管陣列具有通向所述多個第一空腔的末端，其中每個第一空腔具有與至少一個氣體微噴射管相鄰的微噴射管；將所述液體從所述微噴射管陣列以及將氣體從所述氣體微噴射管噴射到所述多個第一空腔中；混合在所述多個第一空腔中的所述液體和所述氣體以形成霧化液體噴霧；將所述霧化液體噴霧從所述多個第一空腔轉移到所述第二空腔中；將所述襯底表面與在所述第二空腔中的所述霧化液體噴霧接觸；以及通過所述排洩管陣列從所述第二空腔除去用過的蒸發的液體分子。
30.根據權利要求29的方法，還包括多個具有至少三個頂點的冷卻單元，每個冷卻單元包括與通向所述第一空腔的所述至少一個氣體微噴射管相鄰的所述微噴射管，以及至少三個排洩管，每個在所述至少三個頂點的每一個的中心，用於防止相鄰微噴射管之間的相互作用。
全文摘要
本發明提供了用於熱控制襯底的歧管裝置、系統和方法，其中將歧管體附裝到襯底表面用於加熱或冷卻襯底，所述歧管體具有在與襯底表面垂直的方向上穿過歧管體並相互平行的微噴射管陣列和排洩管陣列。歧管體的空腔位於襯底表面之上，從而將液體從液體微噴射管噴射到所述空腔中以與襯底表面接觸，而排洩管從所述空腔垂直除去用過的液體。所述歧管體被設計並構建成多個冷卻單元，其中每個冷卻單元具有被至少三個排洩管包圍的液體微噴射管，用於防止在相鄰冷卻單元中的相鄰液體微噴射管之間的相互作用。氣體微噴射管也可以穿過歧管體以形成與襯底表面接觸的霧化液體噴霧。
文檔編號H01L23/473GK1870880SQ200610080939
公開日2006年11月29日 申請日期2006年5月23日 優先權日2005年5月25日
發明者G·納塔拉詹, R·J·貝扎馬, L·W·赫倫, D·G·貝格爾, B·米歇爾 申請人:國際商業機器公司