專利名稱：Sog結(jié)構(gòu)微熱管及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型硅基微型多槽道平板熱管散熱器，具體地說是一種用玻璃絲作為輔 助吸液芯的SOG結(jié)構(gòu)微熱管的制作。(二) 背景技術傳統(tǒng)冷卻技術，如風扇結(jié)合熱沉的強制對流制冷、半導體熱電制冷，因為受到傳熱能力 或加工成本等因素的制約，己無法滿足現(xiàn)今集成電路的散熱需求。熱管技術是一種無需外部 驅(qū)動，僅靠自身吸熱作為動力進行散熱的技術。已經(jīng)在大尺度散熱方面有著廣泛成熟的應用， 隨著MEMS工藝及微細加工技術的發(fā)展進步，微熱管(Micro heat pipe, MHP)冷卻技術成 為最有吸引力的集成電路和電子芯片散熱技術之一。相對于其它冷卻技術，微熱管具有無須 外界驅(qū)動力，體積小、重量輕、傳熱效率高、無噪聲、均熱效果好、能夠消除熱結(jié)、寬溫度 工作范圍等優(yōu)點，應用領域十分廣泛。從Cotter首先提出了微型熱管的概念以后，由于其良好的性能和廣闊的應用前景，微型 熱管得到了很大的發(fā)展。最初，人們著重于對單根微熱管的研究，如圖1所示。但單根微型 熱管結(jié)構(gòu)中，飽和蒸汽流以及液態(tài)工質(zhì)流共用同一個流動通道，而通道微小空間內(nèi)飽和蒸汽 的流動速度很高，于是在汽一液界面上液體和蒸汽存在很大的反向速度差，導致很大的界面 剪切摩擦力，嚴重影響了微型熱管的最大傳熱性能。為此人們提出了微型熱管陣列，如圖2 所示。這種陣列結(jié)構(gòu)相當于在一塊平板上放置了多根單溝槽微熱管，使熱管的最大傳熱能力 得到了一定的提高，但是由于同樣受到氣液界面巨大剪切力的限制，傳熱能力也是極為有限 的。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種毛細力顯著增加，從而加強了液態(tài)工質(zhì)的回流，提高了微型 熱管的最大傳熱能力，明顯改善了熱管性能的基于硅微機械(MEMS)工藝加工的SOG結(jié)構(gòu) 微熱管及其制作方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的SOG結(jié)構(gòu)微熱管的組成包括硅片襯底、覆蓋片和玻璃絲三 個主要部分構(gòu)成，硅片襯底上設置有溝槽，溝槽中放置平直的玻璃絲，覆蓋片通過刻蝕形成 一個與各條溝槽空腔連通的蒸汽腔，硅片襯底和覆蓋片通過靜電鍵合結(jié)合在一起，硅片襯底 的一角設置有一個由激光打出的圓孔。本發(fā)明SOG結(jié)構(gòu)微熱管還有這樣一些技術特征1、所述的溝槽平行設置；2、 所述的溝槽截面為非圓形截面結(jié)構(gòu)；3、 所述的圓孔直徑在500 1000微米；4、 所述的蒸汽腔為200微米深的矩形腔；5、 所述的覆蓋片為玻璃蓋片。SOG結(jié)構(gòu)微熱管的制作方法為結(jié)構(gòu)以硅片作為襯底，以有機玻璃作為覆蓋片，硅片襯 底上由MEMS技術加工出溝槽，在溝槽中放置玻璃絲，兩者通過靜電鍵合封接在一起形成封 閉結(jié)構(gòu)，然后由硅片上預留的小孔進行充液，并對此充液孔進行真空封閉，形成腔體內(nèi)部填 充有一定工質(zhì)的微型平板熱管結(jié)構(gòu)。本發(fā)明SOG結(jié)構(gòu)微熱管的制作方法還有這樣一些技術特征-1、 所述的覆蓋片玻璃蓋片通過刻蝕形成一個用以將各條溝槽的空腔進行連通的矩形蒸 汽腔；2、 所述的工質(zhì)為甲醇，乙醇，水或電子冷卻劑FC-72。為了提高微型熱管的最大傳熱能力，提高其在實際應用中的價值，本發(fā)明對微型熱管的 結(jié)構(gòu)進行了改良，使微型熱管陣列內(nèi)部的蒸汽空間互相連通，連通的蒸汽腔實際上相當于增 加了每根單獨熱管的蒸汽腔的體積，使得蒸汽腔內(nèi)蒸汽壓減小，即是減慢了蒸汽的流動速度， 從而減小了汽一液分界面的剪切力，使微熱管的性能得到極大的提升。以玻璃絲為輔助吸液 芯的硅微型多槽道平板熱管由兩層結(jié)構(gòu)組成硅基底上由MEMS技術加工出一系列平行的溝 槽，作為液態(tài)工質(zhì)的流動通道；更加重要的是本發(fā)明還對溝槽結(jié)構(gòu)進行了改進，在工質(zhì)回流 的溝槽中放置玻璃絲。為了提高使工質(zhì)的回流的毛細力，在溝槽中放置玻璃絲，玻璃絲的存 在可以改變液面的接觸角，可以使毛細力得到很大的提高，有效的克服了毛細極限對微熱管 最大傳熱能力的限制；玻璃絲的存在可以減小氣液界面彎月面的半徑，增加溝槽內(nèi)尖角區(qū)的 數(shù)量，提高工質(zhì)回流毛細力。實驗發(fā)現(xiàn)，熱管發(fā)展到微型階段，對性能影響最大的就是毛細 極限，通過玻璃絲的放置，該結(jié)構(gòu)所能提供的毛細力顯著增加，從而加強了液態(tài)工質(zhì)的回流， 提高了微型熱管的最大傳熱能力，明顯改善了熱管性能。覆蓋片采用有機玻璃片，增強了可 視性，可以對微熱管的工作狀態(tài)進行實時的觀察和監(jiān)控，在玻璃上刻一個200微米深的矩形 腔，作為飽和蒸汽的流通空間。此連通的蒸汽流通空間將減弱汽一液分界面上，由于蒸汽流 和液體流高速反向運動帶來的剪切摩擦力，從而提高熱管的攜帶極限，最終增加熱管的最大 傳熱量。然后將硅襯底和玻璃蓋片兩部分用靜電鍵合結(jié)合在一起，充液，封裝，最終完成該 SOG微熱管的制作。本發(fā)明還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征微型平板熱管結(jié)構(gòu)，有效降低了汽液高速反向運動帶來的界面摩擦剪切力，使熱管傳熱性能顯著提高，而且具有良好的啟動性和均溫性，采用非圓形微溝槽作為液體流動通道的微 型多溝槽平板熱管，還具有高熱流密度和低制造成本等優(yōu)點。關于溝槽結(jié)構(gòu)，可以采用三角形截面，矩形截面或者其它非圓形截面的各種槽道結(jié)構(gòu)， 再加十.玻璃絲的輔助作用，使得毛細力顯著增加，最終使得熱管性能更加優(yōu)越。在硅片刻蝕出溝槽以后要在其上用激光打出一個微孔，以作為充液的進液孔。充液完成 后封閉此孔。本發(fā)明的優(yōu)點在于-1、 硅的導熱系數(shù)較高，制成的微熱管傳熱性能較好，以硅片制作微熱管還可以實現(xiàn)微熱 管與大規(guī)模集成電路的單片集成，拓展了熱管的使用范圍；2、 以玻璃作為蓋片，除了玻璃和硅的熱膨脹系數(shù)接近以外，還可以得到很好的可視性效 果，便于及吋對熱管的工作狀況進行監(jiān)控；3、 由于熱管內(nèi)部蒸汽空間連通，使得影響熱管性能的汽液界面剪切力顯著降低，從而提 升了熱管的性能和最大傳熱能力；4、 由于玻璃絲的存在，增大了熱管內(nèi)部工質(zhì)回流的毛細驅(qū)動力，極大地減小了毛細極限 對熱管最大傳熱能力的影響，使得熱管性能得到了改善。(四)


圖l是單根微熱管結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是微熱管陣列結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是玻璃蓋片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是硅片襯底結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是硅片襯底背面示意圖；圖7是微熱管實際應用示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細的描述圖中l(wèi).硅片襯底；2.工質(zhì)回流溝槽；3.玻璃蓋片；4.玻璃絲；5.連通的蒸汽腔；6.注液孔7.CPU; 8.SOG微熱管；9.散熱鋁板。結(jié)合圖3，本實施例SOG微熱管的組成包括硅片襯底， 玻璃片和玻璃絲三個主要部分構(gòu)成；同時結(jié)合圖5，襯底硅片上通過各向異性腐蝕刻蝕出一 系列平行的三角形溝槽2，溝槽的尖角區(qū)可以為工質(zhì)的回流提供毛細力，同時也是工質(zhì)回流 的通道，在溝槽中放置平直的玻璃絲3，玻璃絲的存在可以減小氣液界面彎月面的半徑，這 在一個方面使得毛細力得到了提高；另一方面，通過合理的控制微熱管的充液量，玻璃絲的存在可以增加溝槽內(nèi)尖角區(qū)的數(shù)量，從而又使得毛細力得到了進一步的提高，最終使微熱管 的最大傳熱能力得到提高；如圖6所示，在硅片的一角有一個由激光打出的直徑為500 1000 微米的圓孔6，它可以作為熱管工質(zhì)的充裝口，在充液完成后只需封閉該口即可實現(xiàn)一個密 封的包含一定量工質(zhì)的微熱管；同時結(jié)合圖4，玻璃蓋片通過刻蝕形成一個大的矩形腔5，用 以將各條溝槽的蒸汽腔進行連通，形成一個大的蒸汽腔，連通的蒸汽腔實際上相當于增加了 每根單獨熱管的蒸汽腔的體積，使得蒸汽腔內(nèi)蒸氣壓減小，即是減慢了蒸汽的流動速度，從 而減小了氣液分界面的剪切力，使微熱管的性能得到極大的提升。制作好的硅片襯底和玻璃 蓋片通過靜電鍵合結(jié)合在一起，形成一個通過圓孔5與外界連通的封閉腔體；然后通過圓孔 5對熱管抽真空，之后注入一定量的工作液體，并將其密封，即可制成一個SOG微熱管。由 于采用硅片作為熱管的制作材料，同時整個SOG結(jié)構(gòu)微熱管的制作步驟都與目前集成電路常 用的CMOS工藝相兼容，所以該SOG微熱管可以很容易的集成到大規(guī)模集成電路中?，F(xiàn)在 筆記本電腦中開始應用熱管進行散熱，通常是將CPU的熱量通過熱管傳遞給裝在鍵盤下或底 板上的一塊鋁制的散熱板，再由導熱板將熱量散發(fā)出去。如圖7所示。CPU熱量通過SOG 平板熱管傳給一塊大面積散熱鋁板，再通過鋁板將熱量散逸出去，這種方式能更好地將熱量 傳給外界環(huán)境。
權利要求
1. 一種SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于SOG結(jié)構(gòu)微熱管的組成包括硅片襯底、覆蓋片和玻璃絲三個主要部分構(gòu)成，硅片襯底上設置有溝槽，溝槽中放置平直的玻璃絲，覆蓋片通過刻蝕形成一個與各條溝槽空腔連通的蒸汽腔，硅片襯底和覆蓋片通過靜電鍵合結(jié)合在一起，硅片襯底的一角設置有一個由激光打出的圓孔。
2、 根據(jù)權利要求l所述的SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于所述的溝槽平行設置。
3、 根據(jù)權利要求l或2所述的SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于所述的溝槽截面為非圓形截面 結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權利要求1所述的SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于所述的圓孔直徑在500-1000微米。
5、 根據(jù)權利要求1所述的SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于所述的蒸汽腔為200微米深的矩形 腔。
6、 根據(jù)權利要求l所述的SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于所述的覆蓋片為玻璃蓋片。
7、 一種SOG結(jié)構(gòu)微熱管的制作方法，其特征在于結(jié)構(gòu)以硅片作為襯底，以有機玻璃作為 覆蓋片，硅片襯底上由MEMS技術加工出溝槽，在溝槽中放置玻璃絲，兩者通過靜電鍵合封 接在一起形成封閉結(jié)構(gòu)，然后由硅片上預留的小孔進行充液，并對此充液孔進行真空封閉， 形成腔體內(nèi)部填充有一定工質(zhì)的微型平板熱管結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)權利要求7所述的SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于所述的覆蓋片玻璃蓋片通過刻蝕形 成一個用以將各條溝槽的空腔進行連通的矩形蒸汽腔。
9、 根據(jù)權利要求7所述的SOG結(jié)構(gòu)微熱管，其特征在于所述的工質(zhì)為甲醇，乙醇，水或電 子冷卻劑FC-72。
全文摘要
本發(fā)明提供了SOG(Silicon on Glass)微熱管及其制作方法。結(jié)構(gòu)以硅片作為襯底，以有機玻璃作為覆蓋片，兩者通過靜電鍵合封接在一起形成封閉結(jié)構(gòu)，然后由硅片上預留的小孔進行充液，并對此充液孔進行真空封閉，形成腔體內(nèi)部填充有一定工質(zhì)的微型平板熱管結(jié)構(gòu)。由于玻璃絲的存在既可以減小氣液界面彎月面的半徑，又能夠增加溝槽內(nèi)尖角區(qū)的數(shù)量，從而提高了工質(zhì)回流的毛細力。覆蓋片采用玻璃片，增強了可視性，可以對微熱管的工作狀態(tài)進行實時的觀察和監(jiān)控，在玻璃上刻蝕矩形腔，作為飽和蒸汽的流通空間。此連通的蒸汽流通空間可以減弱汽—液分界面上由于蒸汽流和液體流高速反向運動帶來的剪切摩擦力，從而提高熱管的攜帶極限，最終增加熱管的最大傳熱量。
文檔編號F28D15/02GK101266112SQ20081006421
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月1日 優(yōu)先權日2008年4月1日
發(fā)明者劉曉為, 磊 徐, 超 王, 王喜蓮, 霍明學 申請人:哈爾濱工業(yè)大學