專利名稱：制造電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種用于電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，且尤其涉及一種用于制造在設(shè)備冷卻系統(tǒng)中流體循環(huán)的微通道的處理。
背景技術(shù)：
高密度功率電子裝置的發(fā)展已經(jīng)使其越來越難以制造有效的冷卻系統(tǒng)。通過能夠散熱達(dá)500W/cm2的當(dāng)前硅基功率裝置，需要一種改善的熱控制方案。自然和強(qiáng)制通風(fēng)冷卻方案僅能處理達(dá)約1W/cm2的熱通量。常規(guī)液體冷卻板能夠?qū)崿F(xiàn)20W/cm2量級的熱通量。然而，微通道冷卻技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出極大地增強(qiáng)冷卻性能的能力，在約1000W/cm2量級上。
在某些提出的結(jié)構(gòu)中，在通過其循環(huán)冷卻劑流體以分散由設(shè)備產(chǎn)生的熱的功率設(shè)備的相反側(cè)上制造微通道。冷卻的效率取決于通道的寬度和均勻性。在某些限制中，例如，較窄的通道易于更好地散熱，這是由于其與冷卻劑流體較好的接觸。然而，在較窄通道中增加的熱傳遞通常由橫跨通道的增加的壓力損失補(bǔ)償，其會導(dǎo)致在強(qiáng)制冷卻流體通過該系統(tǒng)方面的挑戰(zhàn)。另一限制是微通道的非均勻性，這會導(dǎo)致會不利地影響功率設(shè)備性能的過熱點(diǎn)，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備的擊穿。硅是通常使用的用于微通道制造的材料。然而，由具有導(dǎo)熱性比硅高的材料制成的通道顯示出較好的效率，這是由于其較好的熱傳輸熱性。
而且，雖然已經(jīng)提出并測試這種結(jié)構(gòu)，但是仍然缺乏用于其制造的有效率且經(jīng)濟(jì)的方法?，F(xiàn)有技術(shù)中沒有進(jìn)行足夠簡單可靠地制造均勻微通道的迫切需要。
因此，對于制造具有較窄通道寬度和較好均勻性的通道，需要改進(jìn)當(dāng)前的技術(shù)。尤其，存在以有效、低成本方式制造這種設(shè)備的需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例涉及到這個和其它需要。在一個實施例中，制造電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的方法包括在基板的內(nèi)部表面上形成導(dǎo)熱層和激光燒蝕導(dǎo)熱層以形成多個微通道。
當(dāng)參考附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更容易理解，其中在附圖中，相同的字符表示相同的部件。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明方面制造的功率設(shè)備的示范性冷卻系統(tǒng)；圖2是具有圖1中示出的功率設(shè)備的冷卻系統(tǒng)的剖面圖；圖3-9示出了根據(jù)電鍍技術(shù)用于在圖1和2中所示類型設(shè)備的微通道制造步驟；圖10-12示出了根據(jù)圖3-9實施例變形的微通道制造步驟；圖13是描述根據(jù)圖3-9的實施例制造微通道方法的流程圖；圖14-20示出了根據(jù)圖10-12的微通道制造步驟；圖21是根據(jù)該方法另一變形制造微通道方法的流程圖；圖22-26示出了根據(jù)激光燒蝕技術(shù)的微通道形成的制造步驟；和圖27是根據(jù)圖22-26實施例制造微通道方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1是用于設(shè)備如功率電子設(shè)備的電子電路組件10的示意性表示。電路組件10包括襯底12。襯底12可包括通常用在功率電子設(shè)備中的半導(dǎo)體如硅、金鋼砂、氧化鋁、氮化鋁、氮化鎵或其組合。設(shè)備14安裝成接近基板12的表面，如圖1中所示。圖描述了安裝到基板12上的六個這種設(shè)備14。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，可將任意數(shù)量的設(shè)備或者甚至是單個設(shè)備安裝到基板上。相似地，可將任意所需設(shè)備、尤其是在需要抽出或散熱的操作期間產(chǎn)生足夠熱的設(shè)備安裝到基板上。這種設(shè)備可包括例如固態(tài)轉(zhuǎn)換設(shè)備。
而且，系統(tǒng)10包括設(shè)置在基板12相對表面上的傳導(dǎo)層16。傳導(dǎo)層16可包括任意適合的導(dǎo)熱材料如銅。傳導(dǎo)層可用作設(shè)備14和冷卻系統(tǒng)之間的散熱界面，這是由于其增強(qiáng)的熱傳輸特性。
將熱交換層18設(shè)置在傳導(dǎo)層16上。熱交換層18包括用于流動冷卻劑的微通道22。合適的冷卻劑包括油、水、乙二醇、航空燃料或其組合。應(yīng)當(dāng)注意，可使用液體或氣體冷卻劑，且本發(fā)明并非意指限于任一個或任意特定的冷卻介質(zhì)。支管20貼附到熱交換層18。支管20進(jìn)一步包括充料室24，用于將冷卻劑導(dǎo)向至微通道，和排料室26以從微通道排除冷卻劑。支管結(jié)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)在圖2中示出。
圖2是圖1中示出的電路組件10的剖面圖。其上安裝了設(shè)備14的基板10的表面表示為外部表面28，其上形成了傳導(dǎo)層16的相對側(cè)表示為內(nèi)部表面30。熱交換層18設(shè)置在傳導(dǎo)層16上，且在熱交換層18中形成微通道22。微通道22從傳導(dǎo)層16延伸到支管20。支管20具有在面對微通道22的表面上形成的兩組通道32和34。充料室24通過通道組32將冷卻劑引入到微通道22中，另外其也稱為進(jìn)料支管。出料室26通過通道組34將冷卻劑從微通道22排除，且這些通道稱作出料支管。以下將描述微通道22的制造。
圖3-9示出了根據(jù)一個實施例的微通道22的制造步驟。如圖3中所示，提供具有內(nèi)部表面30的基板22?；?2可以是半導(dǎo)體，且在這種情況下其由金鋼砂制成。傳導(dǎo)層16設(shè)置在基板12上。使用沉積技術(shù)如電鍍形成傳導(dǎo)層。在該實施例中，傳導(dǎo)層的厚度小于約300微米。而且，傳導(dǎo)層16由具有良好導(dǎo)熱性的材料如銅制成?？梢允褂玫钠渌牧习ń鸷豌y。
然后將犧牲層36設(shè)置在傳導(dǎo)層16上，如圖4中所示。在該實例中，犧牲層36由硅制成，盡管可使用其他材料。在示出的實施例中，所形成的犧牲層36厚度小于約400微米。應(yīng)當(dāng)注意，犧牲層36的厚度可根據(jù)所需微通道的深度而變化。
圖5描述了在圖4的犧牲層36中的通道形成。在所示出的實施例中，由參考數(shù)字38表示溝槽，且參考數(shù)字40表示通道肋。通道通過使用蝕刻劑蝕刻犧牲層36來形成。例如，氫氧化鉀溶液是用于由硅制成的犧牲層的蝕刻劑。氫氧化鉀優(yōu)先蝕刻硅，同時不影響下部傳導(dǎo)層16。在蝕刻之前，在一個實例中，可形成肋的區(qū)域可以被掩蔽，并然后將氫氧化鉀溶液用于去除暴露到氫氧化鉀溶液的硅區(qū)。而且，繼續(xù)暴露到氫氧化鉀溶液直到達(dá)到傳導(dǎo)層16。形成如圖中所描述的垂直通道。通道的溝槽38具有與所形成的犧牲層36的厚度相關(guān)的深度。在本實施例中，溝槽38具有小于約400微米的深度。在特定實例中，溝槽38具有從約300微米到約400微米的深度。形成通道導(dǎo)致肋40具有小于約200微米的寬度。在特定實施例中，肋40具有約100微米到約200微米的寬度。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，肋寬度取決于蝕刻技術(shù)的固有限制，例如所使用的掩模的限制。
在于犧牲層中形成通道之后，進(jìn)行電鍍，如圖6中所示。在一個實例中，可通過電鍍術(shù)進(jìn)行電鍍。電鍍基本上覆蓋通道，并形成了如所示出的電鍍材料上部層46。在該實施例中，電鍍材料包括導(dǎo)熱材料如銅、銀、金或其合金。在所示出的實例中，使用銅。
去除在通道肋40上方形成的電鍍材料的上部層46以暴露出犧牲層36，如圖7中所示?？赏ㄟ^研磨去除電鍍材料?？蛇M(jìn)行研磨以使電鍍材料的頂部表面和肋40都位于相同平面上以暴露出犧牲層36。
圖8示出了在犧牲層36中的微通道形成。使用氫氧化鉀溶液蝕刻由硅制成的暴露出的犧牲層36。氫氧化鉀溶液蝕刻硅，而用于電鍍的形成傳導(dǎo)肋44的銅保留。在先前為硅的傳導(dǎo)肋之間的區(qū)域形成了微通道22。在微通道22的寬度和高度的縱橫比方面對微通道進(jìn)行限定。對于冷卻系統(tǒng)，希望其具有盡可能高的縱橫比。微通道22的寬度按照肋40的寬度，且小于約200微米。在具體實施例中，微通道具有從約100微米到約200微米的寬度。微通道為約400微米深。在特定實例中，微通道的深度可從約300微米到約400微米變化?；谖⑼ǖ赖膶挾群蜕疃龋⑼ǖ赖目v橫比在從約1∶2到約1∶3的范圍內(nèi)。
圖9示出了在冷卻系統(tǒng)中支管20和設(shè)備14的附加物。在形成微通道之后，將支管20貼附到其間形成了微通道的導(dǎo)熱肋44上。而且，已經(jīng)貼附到基板12外部表面上的設(shè)備由參考數(shù)字14表示。事實上，可將單個設(shè)備或多個設(shè)備安裝于示出的基板上。應(yīng)當(dāng)注意，在需要所使用的特定處理的情況下且根據(jù)所使用的特定處理，事實上在形成微通道之前安裝設(shè)備。
圖10-12描述出對具有其它傳導(dǎo)層的微通道制造步驟的變形。圖10描述出其上方形成了傳導(dǎo)層16的基板12?；逡彩前雽?dǎo)體材料。傳導(dǎo)層16通過使用濺射技術(shù)的沉積在基板12上形成。濺射獲得本實施例中約1微米的厚度。傳導(dǎo)層16由具有良好導(dǎo)熱性的材料如銅制成。第二傳導(dǎo)層48如銅沉積在層16上方，如圖11中所示，并通過構(gòu)成這些層的材料之間的直接粘合固定到下部層。將第二傳導(dǎo)層48電鍍到第一傳導(dǎo)層16上方。圖12示出了在第二傳導(dǎo)層48上犧牲層36的形成。所形成的犧牲層36的典型厚度小于約400微米。層36的厚度根據(jù)所需微通道22的深度而變化。然后隨之是參考圖5-8討論的制造步驟，以在犧牲層36中形成微通道。
使用圖13的流程圖50概述了上面描述的形成微通道22的方法。在圖13的步驟52處，將傳導(dǎo)層沉積在襯底內(nèi)表面上。而且，通過濺射技術(shù)或電鍍沉積該傳導(dǎo)層?？蛇x地，可將第二傳導(dǎo)層增加到傳導(dǎo)層上方，如由步驟54表示的。然后在步驟56中將犧牲層沉積在傳導(dǎo)層上。在步驟58處，蝕刻犧牲層至傳導(dǎo)層以形成通道。然后在步驟60中電鍍所蝕刻的犧牲層，從而基本上填充圖6中示出的通道。而且，在步驟62中，例如通過研磨去除電鍍材料的薄表面以暴露出犧牲層的表面。然后在步驟64中蝕刻剩余的犧牲層以形成微通道?？墒褂脜⒖疾襟E58所討論的選擇性蝕刻劑。該蝕刻劑去除了犧牲層，同時保留電鍍材料未蝕刻。蝕刻的犧牲層區(qū)域形成了由熱交換肋分離的微通道。在步驟66中，增加支管和設(shè)備。在微通道形成設(shè)備安裝到基板上之后，將支管貼附到面對微通道的表面上。
根據(jù)另一電鍍實施例，提供了一種形成微通道的方法，如圖14-20中所示。在示出的實施例中，在基板12上形成傳導(dǎo)層16，如圖14中所示。使用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的沉積技術(shù)如濺射形成傳導(dǎo)層。傳導(dǎo)層16的典型厚度小于約300微米，盡管這并不改變。合適的基板還包括在功率電子設(shè)備中使用的半導(dǎo)體如Si、SiC、氧化鋁、AlN、GaN或其組合。如之前所述，傳導(dǎo)層16由導(dǎo)電材料如Cu、Ag、Au或其任意組合或者任意其它合適的材料制成。
如圖15中所示，借助于粘附層68在傳導(dǎo)層16上形成犧牲層36。粘附層68夾在層16和36之間，并促進(jìn)粘附層68和傳導(dǎo)層16之間和在粘附層68和犧牲層36之間的粘合。粘附層68的典型厚度為約12微米至約14微米。合適的粘附材料包括熱固性材料、熱塑性材料或環(huán)氧樹脂。在該實例中，犧牲層36由硅制成，盡管可使用其它材料。犧牲層36的典型厚度小于約400微米。層36的厚度根據(jù)所需的微通道的深度而變化。
圖16示出了在犧牲層36中通道的形成。元件40是肋，犧牲層36中的通道38和粘附層68通過鋸切至傳導(dǎo)層16來形成，以形成肋40。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋸切具有110取向面的硅形成良好的垂直通道。而且，可使用本領(lǐng)域中公知的鋸切方法。在一個實例中，使用熱電碳葉片(thermocarbon blade)且調(diào)整鋸切參數(shù)以形成約100微米寬的通道。溝道38可具有小于約400微米的深度。在特定實例中，溝道38可具有約300微米至約400微米的深度。本實施例中，通道的形成導(dǎo)致肋40具有小于約200微米的寬度。在特定實施例中，肋40具有約100微米至約200微米的寬度。
在圖17中，將電鍍材料增加到犧牲層16上，以基本上填充溝道38，并形成電鍍材料的表面46，與上述的實施例中相同。接下來，如圖18中所示，研磨電鍍材料以暴露出犧牲層36。該研磨獲得了犧牲層36的頂表面和在相同平面上的電鍍材料。
在研磨之后，蝕刻暴露出的犧牲層36至粘附層68，如圖19中所示。通過優(yōu)先蝕刻在肋之間保留的犧牲層的蝕刻劑進(jìn)行蝕刻。可選地，使用隨后蝕刻掩蔽的方法，以去除暴露到蝕刻劑的區(qū)域。氫氧化鉀溶液對于由硅制成的犧牲層是可接受的蝕刻劑。氫氧化鉀優(yōu)先蝕刻硅，而不會影響下部粘附層68。繼續(xù)暴露到氫氧化鉀溶液直到達(dá)到粘附層68。然后蝕刻粘附層68以暴露出傳導(dǎo)層16，如圖20中所示。而且，使用蝕刻粘附層同時保留傳導(dǎo)層16未蝕刻的蝕刻劑。該蝕刻導(dǎo)致了傳導(dǎo)肋44的形成。在傳導(dǎo)肋44之間的先前為硅和粘著劑的區(qū)域形成了微通道22。獲得的肋和微通道的尺寸與上面對于第一實施例描述的相似。
圖21是示出在電鍍之前應(yīng)用鋸切以形成微通道的方法的流程圖70。在步驟72處，將傳導(dǎo)層沉積在基板上。
然后借助于粘附層將犧牲層粘著到傳導(dǎo)層上，由步驟74表示。在步驟76處，通過鋸切在犧牲層中形成通道。鋸切導(dǎo)致在犧牲層肋處形成堆積物，其在清洗過程中被去除。應(yīng)當(dāng)注意，由鋸切獲得的通道形狀取決于所使用的材料。在一個實例中，如上所述，具有110取向的硅用作在垂直通道中由鋸切導(dǎo)致的犧牲層。在鋸切以形成通道之后，于步驟78處，將電鍍材料沉積在被鋸切的犧牲層上。在步驟80處去除作為電鍍結(jié)果形成的表面以暴露出犧牲層。在步驟82處，蝕刻暴露出的犧牲層，和在步驟84處，通過蝕刻去除粘附層以形成微通道。在溝道形成之后，在步驟86處增加支管和設(shè)備，以形成設(shè)備冷卻系統(tǒng)。
根據(jù)另一實施例，通過對具有內(nèi)表面和外表面的基板的激光燒蝕形成微通道。將銅或者任意這種傳導(dǎo)材料設(shè)置在基板的內(nèi)表面上以形成導(dǎo)熱層，通過在傳導(dǎo)層中逐漸變深的通道的連續(xù)燒蝕而在銅層中形成微通道。
圖22-26示出了通過激光燒蝕進(jìn)行微通道形成的制造步驟。如圖22中所示，在基板12上形成銅層88?；?2是通常在功率電子設(shè)備中使用的半導(dǎo)體材料，例如是上述材料中的一種。在一個實例中，通過電鍍工藝將銅層88沉積在基板12上?？梢允褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它技術(shù)。盡管可使用其它厚度，但是在本實例中，該電鍍導(dǎo)致具有約400微米厚度的銅層88。
激光燒蝕銅層88，如圖23中所示，以形成部分燒蝕的通道90。在一個實例中，在連續(xù)的激光燒蝕步驟中，將硅樹脂脫模劑或其它清洗介質(zhì)施加在銅層88上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，燒蝕工藝會導(dǎo)致在重新貼附到微通道側(cè)壁上的連續(xù)形成的微通道中的堆積物。在燒蝕步驟之間施加清洗劑有效地去除了該堆積物，或者至少防止其重新粘附到微通道側(cè)壁上。然后對該銅層進(jìn)行激光燒蝕并再次用硅樹脂脫模劑對其濺射。在每次應(yīng)用清洗劑之后，擦拭該表面以去除作為激光燒蝕結(jié)果形成的堆積物。在另一實施例中，在連續(xù)的激光燒蝕通路之間用水沖洗基板以去除所形成的堆積物。
可選地，使用化學(xué)蝕刻清洗。在這種情況下，可將化學(xué)蝕刻停止層施加到銅層88上。然后對銅層88進(jìn)行激光燒蝕。在激光燒蝕之后，將氯化鐵溶液設(shè)置在銅層上，且清洗掉由燒蝕獲得的堆積物以形成局部燒蝕的通道90。該燒蝕和蝕刻工藝可在連續(xù)的通路中完成，直到實現(xiàn)了所需深度。
可選地，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)在有水的情況下進(jìn)行激光燒蝕，例如，激光束通過水并燒蝕基板。便利地，這會導(dǎo)致作為連續(xù)激光通過結(jié)果形成的清除堆積物，且會導(dǎo)致更快的激光燒蝕率但是需要更好的激光功率。
圖24示出了具有比圖23中示出的那些深的通道的局部燒蝕的通道90。再次將硅樹脂脫模劑施加到銅層上并之后進(jìn)行激光燒蝕，和擦拭堆積物以形成更深的通道90。相似地，當(dāng)將化學(xué)蝕刻停止層施加到銅層上時，形成的堆積物在施加氯化鐵溶液之后清除。重復(fù)參考圖24描述的步驟，以逐步形成微通道至所需深度，如圖25中所示。由激光燒蝕獲得的微通道22通常為V形。在本實施例中，微通道的典型厚度為小于約200微米。在具體實施例中，該厚度可從約100微米至約200微米而變化。該微通道小于約400微米深。在特定實施例中，微通道的深度可從約300微米至約400微米而變化。在微通道形成之后，可去除硅樹脂脫模劑或者在燒蝕期間使用的其它化學(xué)試劑。在一個實例中，將50體積百分比的檸檬烯和丙醇溶液用于去除粘附硅樹脂脫模劑。此外，甚至可將氮?dú)庥糜诖档舳逊e物。
如圖26中所示，此時可增加支管20和設(shè)備14。支管20的表面包括入料支管和出料支管，該入料支管與微通道流體連通并可對其進(jìn)行操作以將冷卻劑引入到微通道22中，該出料支管與微通道22流體連通并可對其進(jìn)行操作以將冷卻劑從微通道22排出，與前面實施例中的相同。將設(shè)備14安裝成接近基板12的外表面。如上所述，在某些應(yīng)用中，在激光燒蝕和增加支管之前安裝設(shè)備。
在圖27的流程圖92中概述了圖22-26的制造方法。在步驟96處，對導(dǎo)熱層進(jìn)行激光燒蝕。在暴露出導(dǎo)熱層之前，測量并規(guī)格化激光參數(shù)如曝光時間、激光功率，且其通常取決于激光的特性和設(shè)計、用于傳導(dǎo)層的材料和微通道的所需深度。在步驟98處，在激光燒蝕之后，將樹脂脫模劑施加于導(dǎo)熱層上，且擦拭該層以去除堆積物。重復(fù)多次步驟96和98直到獲得所需的通道尺寸。在一個實例中，重復(fù)步驟96和98足夠次數(shù)，以獲得約100微米的通道深度。激光燒蝕導(dǎo)致V形的通道。在微通道形成之后，進(jìn)行清洗。該清洗包括擦洗、施加溶劑或吹氣的組合。在步驟102處，將支管和設(shè)備安裝在處理的基板和熱傳導(dǎo)層上。
雖然在此僅示出并描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可作出很多改進(jìn)和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附的技術(shù)方案意指覆蓋落入到本發(fā)明真實精神之內(nèi)的所有的這種改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種制造電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的方法，包括在基板(12)的內(nèi)表面上形成導(dǎo)熱層(88)；和激光燒蝕導(dǎo)熱層(88)以形成多個微通道。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中激光燒蝕包括在多個通路中燒蝕導(dǎo)熱層(88)，每個通路都將微通道的深度增加至最終需要的深度。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中形成導(dǎo)熱層(88)包括濺射。
4.如權(quán)利要求1的方法，包括從每個激光燒蝕通路之間的微通道清洗堆積物。
5.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括施加清洗劑以去除在連續(xù)的激光燒蝕通路之間的堆積物，并從微通道擦拭掉堆積物，其中清洗劑包括硅樹脂脫模劑。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述微通道具有約1∶2至約1∶3的寬度與高度的縱橫比。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中微通道形成V形通道。
8.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括將功率電子設(shè)備(14)安裝成與基板(12)的外表面相接近。
9.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括提供與微通道流體連通的入料支管(32)，以將冷卻劑引入到微通道中，并提供與微通道流體連通的出料支管(34)，以將冷卻劑從微通道排出。
10.如權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括提供進(jìn)料室(24)以將冷卻劑引入到進(jìn)料支管，并提供出料室(26)以從出料支管排出冷卻劑。
全文摘要
一種制造電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的方法，包括在基板(12)的內(nèi)表面上形成導(dǎo)熱層(88)和激光燒蝕導(dǎo)熱層(88)以形成微通道。
文檔編號H01L23/34GK1988763SQ20061006411
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者K·M·杜羅徹, S·J·古德文, E·W·巴爾克, C·J·卡普斯塔 申請人:通用電氣公司