一種具有功能通道結(jié)構(gòu)的硅基微型脈動熱管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及脈動熱管，特指一種有功能通道結(jié)構(gòu)的硅基微型脈動熱管所述的微型脈動熱管由一對半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片鍵合而成，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/注液孔與半導體硅片上的抽真空/注液微槽道的頂端位置相對應，所述硅片上刻蝕有若干微槽道，其特征在于：所述微槽道的寬度沿熱管長度方向呈線性變化。本發(fā)明克服了普通等截面通道硅基微型脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)難以形成整體定向循環(huán)運動和蒸發(fā)段易發(fā)生“燒干”等不足，通過調(diào)整脈動熱管通道截面尺寸和熱管構(gòu)型來實現(xiàn)提高其冷卻溫控性能和承載熱負荷的能力。
【專利說明】一種具有功能通道結(jié)構(gòu)的硅基微型脈動熱管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及脈動熱管，特指一種有功能通道結(jié)構(gòu)的硅基微型脈動熱管，能有效促進工質(zhì)循環(huán)運動的功能型通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，較之常規(guī)微型脈動熱管具有更佳的傳熱效果，可應用于集成IC電子元器件的高效冷卻溫控領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，各種微電子芯片的發(fā)熱強度越來越大，生成的熱量若無法及時排除，將嚴重影響微電子元件甚至整個系統(tǒng)的工作性能和使用壽命；因此，發(fā)展高效緊湊的微電子溫控技術(shù)，以解決芯片冷卻空間狹小、散熱困難等問題是當前該領(lǐng)域發(fā)展所面臨的緊迫任務(wù)。
[0003]在各種微電子器件散熱冷卻技術(shù)中，脈動熱管因其結(jié)構(gòu)簡單、無需吸液芯以及獨特的散熱性能和良好的空間適應性正日益受到關(guān)注，被認為是一種極具發(fā)展前景的新型散熱冷卻技術(shù)；但普通脈動熱管的整體尺寸較大，如何與散熱空間高度受限的微電子芯片尺寸進行有效匹配成為制約其在該領(lǐng)域應用的重要因素，最近，Qu等在《Internat1nalJournal of Heat and Mass Transfer》(國際傳熱傳質(zhì)雜志)(2Ol2 年卷 55, 21_22 期)上發(fā)表的“Start-up, heat transfer and flow characteristics of silicon-based micropulsating heat pipes”(娃基微型脈動熱管的啟動、傳熱和流動特性)一文中提出了一種通過MEMS工藝由硼硅酸玻璃和刻蝕有微槽道的硅片加工制作的微型脈動熱管技術(shù)，該技術(shù)可大幅減小脈動熱管的整體尺寸，并可將其直接與芯片集成為一體，真正實現(xiàn)芯片級(chip-level)冷卻功能，同時能有效解決因材料不兼容而導致的熱應力集中問題；但研究發(fā)現(xiàn)，隨著加熱功率的增加，微型脈動熱管蒸發(fā)段易出現(xiàn)液相體積份額逐漸減小、最后甚至完全消失呈現(xiàn)“燒干”的狀態(tài)，液相無法進入其中而被局限在冷凝段附近，振蕩被抑制，傳熱溫控能力顯著下降；同時，該文指出上述現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于微型脈動熱管通道水力直徑小至一定尺寸后工質(zhì)在其內(nèi)難以形成類似普通小型脈動熱管的整體循環(huán)運動，這對提高其傳熱溫控能力極為不利，實際應用中易引起芯片局部溫度的過熱；因此，如何利用MEMS技術(shù)在微加工方面的獨特優(yōu)勢適當調(diào)整或改進微型脈動熱管的通道結(jié)構(gòu)乃至熱管的整體構(gòu)型，以提高其承載熱負荷能力和冷卻溫控性能也成為該微型冷卻器發(fā)展應用的關(guān)鍵所在。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服普通等截面通道硅基微型脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)難以形成整體定向循環(huán)運動和蒸發(fā)段易發(fā)生“燒干”等不足，通過調(diào)整脈動熱管通道截面尺寸和熱管構(gòu)型來實現(xiàn)提高其冷卻溫控性能和承載熱負荷的能力。
[0005]本發(fā)明的工作原理如下:
通道截面尺寸的漸變可使通道內(nèi)液塞兩側(cè)產(chǎn)生不對稱表面張力，由此驅(qū)動氣泡(氣塞)朝某個方向運動，通過連續(xù)漸變的方式改變硅基微型脈動熱管通道截面尺寸即可實現(xiàn)相似功能，使熱管通道內(nèi)任一氣塞在兩側(cè)不對稱表面張力作用下形成向某個方向運動的效果。當該種作用遍及整個熱管通道回路后即可形成對內(nèi)部汽、液塞工質(zhì)整體定向循環(huán)運動的推動作用，促進其循環(huán)過程的發(fā)生。
[0006]圖1以穩(wěn)定工作的功能通道結(jié)構(gòu)微型脈動熱管某一通道內(nèi)局部單元為分析對象，給出了根據(jù)上述原理得出的汽塞兩側(cè)受力分析情況。
[0007]其中，左側(cè)汽塞與液塞之間的壓差為:
2σ
Ρ,--Ρι=— (I)
η
右側(cè)汽塞與液塞之間的壓差為:
1
Pr -Pz=—— (2) η
由于汽塞內(nèi)蒸汽的密度較小，因此圖1中假定整個氣塞內(nèi)壓力相等，根據(jù)式(I)和(2)可得氣塞兩側(cè)所受壓差為:
I I
βζ-Ρι=2σ(~—)>0(3)
忽略圖1中液膜的厚度，則汽塞左、右兩側(cè)半徑Λ和^可近似視為對應位置通道寬度的一半(假設(shè)通道橫截面為矩形)。
[0008]結(jié)合圖1，由式(3)可以發(fā)現(xiàn)汽塞受到自左向右的毛細力驅(qū)動，即在該變截面通道中氣塞上存在由較小截面向較大截面方向運動的作用力，并帶動相鄰液塞一起產(chǎn)生運動，依據(jù)該原理，當硅基微型脈動熱管的通道截面發(fā)生變化時，熱管通道內(nèi)的工質(zhì)會產(chǎn)生自我驅(qū)動力，促進其整體定向(順時針或逆時針)循環(huán)運動的形成。
[0009]本發(fā)明的變截面功能通道結(jié)構(gòu)微型脈動熱管在繼承普通等截面通道微型脈動熱管諸多優(yōu)點的同時，還具有如下優(yōu)勢:
1.變截面情況下脈動熱管任一通道內(nèi)的液塞與其相鄰兩側(cè)氣塞間表面張力大小不同，該不平衡作用力可驅(qū)使液塞從通道截面積小側(cè)朝截面積大側(cè)自發(fā)運動，由此促使熱管內(nèi)的汽、液塞在整個回路內(nèi)做定向循環(huán)運動，克服普通微型脈動熱管即使在加熱功率較高時其內(nèi)部工質(zhì)也難以形成整體循環(huán)運動的不足，增強傳熱能力。
[0010]2.變截面通道微型脈動熱管利于形成工質(zhì)定向循環(huán)運動的特點還可及時向蒸發(fā)段補充冷凝液，明顯抑制蒸發(fā)段“燒干”狀態(tài)的出現(xiàn)，有力提升其承載熱負荷的能力和冷卻溫控性能，由此平衡微電子芯片“熱點”溫度并增強其整體均溫性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為以穩(wěn)定工作的功能通道結(jié)構(gòu)微型脈動熱管某一通道內(nèi)局部單元為分析對象，得出的汽塞兩側(cè)受力分析情況示意圖。
圖2為本發(fā)明的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管硅片結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖3為本發(fā)明的第二種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管硅片結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖4為本發(fā)明的第三種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管硅片結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖5為本發(fā)明中構(gòu)成娃基微型脈動熱管的硼娃酸玻璃片結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖中標號說明:1、抽真空/注液微槽道；2、硅片；3、硅基上的微槽道；4、抽真空/注液孔；5、硼硅酸玻璃片。

【具體實施方式】
[0016]為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，下面將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0017]本發(fā)明通過MEMS靜電鍵合技術(shù)，將硼硅酸玻璃與刻蝕有功能槽道結(jié)構(gòu)的硅片通過陽極鍵合技術(shù)合為一體，形成由玻璃密封的功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管。
[0018]實施例1
如圖2和5所示，一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管由一對半導體硅片2和耐熱硼硅酸玻璃片5鍵合而成；其中硅片2與硼硅酸玻璃片接觸的表面通過等離子干刻技術(shù)刻蝕有矩形截面的微槽道3 ;硼硅酸玻璃片5上加工有抽真空/注液孔4 ;抽真空/注液孔4與半導體硅片上的抽真空/注液微槽道I的頂端位置相對應，抽真空/注液微槽道I接入微槽道3，從所述的抽真空/注液孔4充注50%體積分數(shù)的FC-72。
[0019]圖2中，娃片大小為50 mmX 35 mm,其中熱管縱向長度為40 mm,橫向?qū)挾葹?8mm,硅片上刻有16條中心線與硅片長端邊界相互平行的微槽道，并在兩側(cè)各形成8個U型彎頭；微槽道的橫截面形狀為矩形，深度280 μ m，寬度沿熱管通道長度方向呈連續(xù)線性變化，較小一側(cè)寬度為350 μ m，較大一側(cè)為700 μ m，對應的通道兩端橫截面當量直徑分別為321.3 μ m和400 μ m，而兩端之間的通道當量直徑則線性改變。
[0020]根據(jù)前述的工作原理，本功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管通過通道截面尺寸的改變使熱管通道內(nèi)汽、液塞具有朝順時針方向定向運動的趨勢，從而促進加熱功率較高情況下熱管內(nèi)工質(zhì)整體定向循環(huán)運動的形成，增強傳熱溫控能力。
[0021]實施例2
如圖3和5所示，同實施例1，所不同的是該功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管的微槽道3與圖2中的存在一定差別；本微槽道橫截面形狀與深度均與實施例1相同，但圖3中相鄰兩條微槽道的寬度僅有一條沿著熱管通道長度方向呈連續(xù)線性變化，其較小一側(cè)當量直徑為321.3 μ m，較大一側(cè)當量直徑為400 μ m ;而與之相鄰的另一條微槽道寬度525 ym保持不變，當量直徑為365.2 μπι。
[0022]同樣，在加熱功率較高時如圖3所示的槽道結(jié)構(gòu)下該硅基微型脈動熱管通道內(nèi)汽、液塞也可實現(xiàn)朝順時針方向的定向運動。
[0023]實施例3
同實施例1和實施例2，功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管的微槽道橫截面形狀與深度均與實施例1相同，熱管縱向長度為40 mm，橫向?qū)挾葹?4.5mm，硅片上刻有14條微槽道，并在兩側(cè)各形成7個U型彎頭；微槽道的橫截面形狀為矩形，深度280 μ m，所不同的是其微槽道如圖4中3所示；此時微槽道寬度的變化是由微槽道中的一邊界沿著通道長度方向呈連續(xù)線性變化，而另一邊界則與硅片邊界平行，其中較小一側(cè)寬度為280 μ m，較大一側(cè)為770 μ m，所對應的通道兩端截面當量直徑分別為280 μπι和410 μπι。
[0024]該種情況下，與實施例1結(jié)構(gòu)較為相似，加熱功率較高時工質(zhì)在熱管回路內(nèi)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)整體定向循環(huán)運動，提高冷卻溫控能力。
【權(quán)利要求】
1.一種功能通道結(jié)構(gòu)娃基微型脈動熱管，所述的微型脈動熱管由一對半導體娃片和耐熱硼硅酸玻璃片鍵合而成，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/注液孔與半導體硅片上的抽真空/注液微槽道的頂端位置相對應，所述硅片上刻蝕有若干微槽道，其特征在于:所述微槽道的寬度沿熱管長度方向呈線性變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:所述的微槽道的寬度沿熱管長度方向呈線性增大或減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:所述微槽道的中心線與硅片長端邊界相互平行，微槽道兩邊沿通道長度呈線性增大或減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:熱管縱向長度為40 mm,橫向?qū)挾葹?8 mm,娃片上刻有16條中心線與娃片長端邊界相互平行的微槽道，并在兩側(cè)各形成8個U型彎頭；微槽道的橫截面形狀為矩形，深度280 μ m，寬度沿熱管通道長度方向呈連續(xù)線性變化，較小一側(cè)寬度為350 μ m，較大一側(cè)為700 μ m，對應的通道兩端橫截面當量直徑分別為321.3 μπι和400 μ m，而兩端之間的通道當量直徑則線性改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:所述微槽道中，相鄰兩條微槽道的寬度僅有一條微槽道的兩邊沿著熱管通道長度方向呈連續(xù)線性變化，該微槽道的中心線與硅片長端邊界相互平行；另一條微槽道寬度保持不變，微槽道的兩邊與硅片長端邊界相互平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:熱管縱向長度為40 mm,橫向?qū)挾葹?8 mm,娃片上刻有16條中心線與娃片長端邊界相互平行的微槽道，并在兩側(cè)各形成8個U型彎頭；微槽道的橫截面形狀為矩形，深度280 ym，相鄰兩條微槽道的寬度僅有一條沿著熱管通道長度方向呈連續(xù)線性變化，其較小一側(cè)當量直徑為321.3 μ m，較大一側(cè)當量直徑為400 μ m ;而與之相鄰的另一條微槽道寬度525 μ m保持不變，當量直徑為365.2 μπι。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:所述微槽道中的一邊界沿著通道長度方向呈連續(xù)線性變化，而另一邊界則與硅片邊界平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:熱管縱向長度為40 mm，橫向?qū)挾葹?4.5mm，硅片上刻有14條微槽道，并在兩側(cè)各形成7個U型彎頭；微槽道的橫截面形狀為矩形，深度280 μ m，微槽道寬度的變化是由微槽道中的一邊界沿著通道長度方向呈連續(xù)線性變化，而另一邊界則與硅片邊界平行，其中較小一側(cè)寬度為280 μ m，較大一側(cè)為770 μ m，所對應的通道兩端截面當量直徑分別為280 μπι和410 μπι。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:所述的微槽道橫截面形狀為矩形、梯形或部分梯形部分三角形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管，其特征在于:所述的抽真空/注液微通道內(nèi)液體工質(zhì)充注體積占整個熱管回路總體積的35°/Γ65% ;所充注液體工質(zhì)為環(huán)保低沸點的相變工質(zhì)FC-72、FC7100或R141b。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功能通道結(jié)構(gòu)硅基微型脈動熱管在微電子器件散熱冷卻的用途。
【文檔編號】F28D15/04GK104132569SQ201410025799
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】屈健, 孫芹, 王謙, 韓新月 申請人:江蘇大學