硅基毛细泵回路微型冷却器制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基毛细泵回路微型冷却器，属于微电子芯片的温控领域。本发明专利技术由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合而成，硅片与硼硅酸玻璃片接触的表面刻蚀有蒸发器、冷凝器、汽相通道、液相通道、储液腔和抽真空/注液通道；蒸发器和冷凝器由汽相通道和液相通道连接，形成闭合回路；蒸发器内部包括微小槽道；冷凝器包括冷凝微通道；硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；储液腔则与蒸发器相连。本发明专利技术能够直接与半导体微电子芯片集成为一体，从而有效降低芯片的温度和温度梯度，减少并削弱因局部高热流而造成的“热点”问题，保障芯片的安全可靠运行。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种硅基毛细泵回路微型冷却器，属于微电子芯片的温控领域。本专利技术由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合而成，硅片与硼硅酸玻璃片接触的表面刻蚀有蒸发器、冷凝器、汽相通道、液相通道、储液腔和抽真空/注液通道；蒸发器和冷凝器由汽相通道和液相通道连接，形成闭合回路；蒸发器内部包括微小槽道；冷凝器包括冷凝微通道；硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；储液腔则与蒸发器相连。本专利技术能够直接与半导体微电子芯片集成为一体，从而有效降低芯片的温度和温度梯度，减少并削弱因局部高热流而造成的“热点”问题，保障芯片的安全可靠运行。【专利说明】硅基毛细泵回路微型冷却器
本专利技术涉及一种高效微冷却器件，尤其涉及一种硅基毛细泵回路微型冷却器，属于微电子芯片的温控领域。
技术介绍
随着半导体信息通讯产业的快速发展，各种相关产品和设备的高度集成化和微小型化已成为重要发展趋势，由此导致微电子芯片工作热负荷快速增加并造成发热量过大的问题，严重影响其乃至整个系统的工作可靠性。同时，微电子芯片本身的发热不均将在表面产生“热点”(发热强度可超过107W/m2)，其存在被认为是造成芯片“热失控”、威胁系统安全的关键原因。针对微电子芯片冷却空间狭小、散热困难的特点，为将芯片温度控制在安全水平并提高其均温性、减少局部“热点”，亟需发展新型的微冷却技术。在各种微电子器件散热冷却技术中，微小型毛细泵回路(CPL)因其独特的散热性能和良好的空间适应性正日益受到关注，被认为是一种很有发展前景的新型微冷却散热技术。目前，该热管主要通过毛细管与金属板(块)的连接制作构成回路或直接在金属板上加工用于构成蒸发器和冷凝器的微小槽道结构来实现。如Wan等在《Journal of CentralSouth University Technology》(2008 年 15 卷 235-239 页)上发表的 “Design andperformance test of miniature capillary pumped loop for electronics cooling，，(电子冷却用小型毛细泵回路的设计和性能测试)中所提出的蒸发器和冷凝器相互分离、并通过毛细管将两者连接的毛细泵回路；以及专利号US20000702860，名称为“Cooling DeviceUsing Capillary Pumped Loop”(基于毛细泵回路的冷却装置)的美国专利中所公开的一种直接在平板上加工蒸发器、冷凝器和回路结构的平板毛细泵回路。由上述方法制作得到的毛细泵回路，一般通过与微电子器件的直接接触而将热量带出，由此降低其工作温度。这种散热模式在连接过程中会引入额外接触热阻，降低其散热效率，而在减少芯片表面局部“热点”方面也存在较大的局限；同时，还可能因材料兼容性而导致热应力集中的问题，当器件本身温度分布不均时表现更为严重。
技术实现思路
要解决的问题 针对现有CPL热管散热技术难以解决微电子芯片工作热负荷快速增加并造成发热量过大以及微电子芯片本身的发热不均将在表面产生局部“热点”的问题，本专利技术提供了一种硅基毛细泵回路微型冷却器，通过硅基CPL直接有效降低芯片“热点”部位的温度、提高散热冷却效率，结合CPL的自身特性和微尺度传热的优点增强传热温控能力，使微电子芯片的工作性能更加安全可靠。技术方案 为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案。一种硅基毛细泵回路微型冷却器，所述的微型冷却器由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合而成；所述的硅片与硼硅酸玻璃片接触的表面刻蚀有蒸发器、冷凝器、汽相通道、液相通道、储液腔和抽真空/注液通道；所述的蒸发器和冷凝器由汽相通道和液相通道连接，形成闭合回路；所述的蒸发器内部包括微小槽道；所述的冷凝器包括冷凝微通道；所述的冷凝微通道由沿冷凝液流动方向刻蚀的硅片构成；所述的硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；所述的抽真空/注液孔与冷凝器相连的抽真空/注液微通道的顶端位置相对应；所述的储液腔则与蒸发器相连。所述的硅基微冷却器能够直接与半导体微电子芯片集成为一体。优选地，所述的蒸发器的微小槽道结构由微肋阵列毛细结构或蒸发微通道构成。更优选地，所述的微肋阵列毛细结构为蒸发器处未被刻蚀的且经隔断处理后的硅片；所述的蒸发微通道由沿冷却工质流动方向被刻蚀的硅片部分构成。优选地，所述的冷凝微通道为等间距阵列，且间距为300-700 μ m。优选地，所述的微肋阵列毛细结构的微肋横截面的形状为矩形、三角形或圆形；所述的蒸发微通道和冷凝微通道的截面为矩形、三角形或梯形。优选地，所述的汽相通道和液相通道的截面尺寸保持不变或者沿通道方向呈线性变化。更优选地，所述的汽相通道和液相通道的截面尺寸沿通道方向线性变化，其中汽相通道从蒸发器向冷凝器方向线性增大，而液相通道从蒸发器向冷凝器方向线性减小。优选地，所述的抽真空/注液微通道内液体工质充注体积占整个硅基毛细泵回路总体积的40%?60%。更优选地，所充注液体工质为环保低沸点相变工质，水、乙醇、FC-72。本专利技术对于硅基CPL微通道的尺寸选择，其水力直径通常可介于100-500μπι之间，其中热管蒸发器部位通道水力直径较小，可取100-300μπι，冷凝器部位微通道水力直径则可取200-500 μ m ;而对连接蒸发器和冷凝器的汽、液相通道，则要求液相通道的尺寸较汽相通道小，以利于工质在热管内的循环工作。本专利技术通过半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片静电键合技术，将硼硅酸玻璃与刻蚀有毛细结构、微通道和储液槽的硅片键合为一体，形成由玻璃密封的硅基CPL，使用时采用一定技术手段将娃基CPL与半导体微电子芯片集成为一体,通过娃基CPL直接有效降低芯片“热点”部位的温度、提高散热冷却效率，结合CPL的自身特性和微尺度传热的优点增强传热温控能力，使微电子芯片的工作性能更加安全可靠。有益效果 相比于现有技术，本专利技术的有益效果为: (1)本专利技术中所涉及的CPL蒸发器内部包括微肋阵列毛细结构，且该微肋阵列由蒸发器处未被刻蚀的且经隔断处理后的硅片构成，具有微通道分隔强化换热的功能，通过对微通道进行隔断处理所形成的微肋阵列，可破坏边界层的充分发展，以此使整个微通道沿长度方向的平均边界层厚度变薄，从而起到强化换热的效果。同时，该种结构在减小工质流动阻力的同时，还能显著增强CPL蒸发器的润湿/自润湿效果，延迟其在较高热负荷情况下因工质不足而造成的烧干问题，提高热管的传热极限； (2)本专利技术中所述的蒸发器和冷凝器由汽相通道和液相通道连接，蒸发器硅基吸收来自微电子芯片工作产生的热量，冷却工质接受热量后发生蒸发相变，由液相变为汽相。在蒸发器和冷凝器工质压差的作用下，蒸发形成的汽相工质经汽相回路向冷凝器运动，在冷凝器处经冷却后又恢复为液相，在压差作用下冷却液沿液相回路返回蒸发器，继续吸热蒸发，如此往复，循环工作。通过该过程，可使芯片温度较高的“热点”部位热量经与其直接集成在一起的CPL传递至温度较低的部位，实现减小和平衡温差的作用； (3)本专利技术所述的硅基CPL微型冷却器，由于具有传统CPL的特点和微尺度下的传热强化的优势，使其在有效克服传统散热方式难以应对“芯片级冷却”不足的同时又兼具强化换热的功能； (4)本专利技术中连接蒸发器和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征在于，所述的微型冷却器由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片（11）键合而成；所述的硅片（1）与硼硅酸玻璃片接触的表面刻蚀有蒸发器（2）、冷凝器（3）、汽相通道（4）、液相通道（5）、储液腔（6）和抽真空/注液通道（9）；所述的蒸发器（2）和冷凝器（3）由汽相通道（4）和液相通道（5）连接，形成闭合回路；所述的蒸发器（2）内部包括微小槽道；所述的冷凝器（3）包括冷凝微通道（8）；所述的冷凝微通道（8）由沿冷凝液流动方向刻蚀的硅片构成；所述的硼硅酸玻璃片（11）上加工有抽真空/注液孔（12）；所述的抽真空/注液孔（12）与冷凝器相连的抽真空/注液微通道（9）的顶端位置相对应；所述的储液腔（6）则与蒸发器（2）相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：屈健，王谦，何志霞，王颖泽，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：