硅基毛細泵回路微型冷卻器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型冷卻器，尤其是一種集成硅基毛細栗回路(CPL)，該CPL是由一對經(jīng)靜電鍵合工藝鍵合在一起的半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃構(gòu)成的高效微冷卻器件，在微電子器件的溫控領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，具體地說是一種硅基毛細栗回路微型冷卻器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導體信息通訊產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各種相關(guān)產(chǎn)品和設(shè)備的高度集成化和微小型化已成為重要發(fā)展趨勢，由此導致微電子器件工作熱負荷快速增加并造成發(fā)熱量過大的問題，嚴重影響其乃至整個系統(tǒng)的工作可靠性。同時，微電子器件本身的發(fā)熱不均將在表面產(chǎn)生“熱點”(發(fā)熱強度可超過107W/m2)，其存在被認為是造成“熱失控”、威脅系統(tǒng)安全的關(guān)鍵原因。針對微電子器件冷卻空間狹小、散熱困難的特點，為將其溫度控制在安全水平并提高其均溫性、減少局部“熱點”，亟需發(fā)展新型的微冷卻技術(shù)。
[0003]在各種微電子器件散熱冷卻技術(shù)中，微小型毛細栗回路(CPL)因其獨特的散熱性能和良好的空間適應(yīng)性正日益受到關(guān)注，被認為是一種很有發(fā)展前景的新型微冷卻散熱技術(shù)。目前，該熱管主要通過毛細管與金屬板(塊)的連接制作構(gòu)成回路或直接在金屬板上加工用于構(gòu)成蒸發(fā)器和冷凝器的微小槽道結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。如Wan等在《Journal of CentralSouth University Technology》(2OO8 年 I5 卷 235-239 頁)上發(fā)表的 “Design andperformance test of miniature capillary pumped loop for electronics cooling，，(電子冷卻用小型毛細栗回路的設(shè)計和性能測試)中所提出的蒸發(fā)器和冷凝器相互分離、并通過毛細管將兩者連接的毛細栗回路；以及專利號US 6443222 B12，名稱為“Cooling DeviceUsing Capillary Pumped Loop”(基于毛細栗回路的冷卻裝置)的美國專利中所公開的一種直接在平板上加工蒸發(fā)器、冷凝器和回路結(jié)構(gòu)的平板毛細栗回路。由上述方法制作得到的毛細栗回路，一般通過與微電子器件的直接接觸而將熱量帶出，由此降低其工作溫度。這種散熱模式在連接過程中會引入額外接觸熱阻，降低其散熱效率，而在減少器件表面局部“熱點”方面也存在較大的局限；同時，還可能因材料兼容性而導致熱應(yīng)力集中的問題，當器件本身溫度分布不均時表現(xiàn)更為嚴重。
[0004]近年來，隨著微電子機械加工(MEMS)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在發(fā)熱微電子器件(特別是芯片)上直接集成和構(gòu)建微散熱冷卻器件，以此實現(xiàn)“芯片級冷卻”已成為一種全新的冷卻模式。采用該種冷卻方式后，可重點針對“熱點”部位進行冷卻溫控處理，能夠在減少傳統(tǒng)冷卻成本、降低能耗的基礎(chǔ)上更加有效地平衡芯片溫度、降低局部熱應(yīng)力，以保證其高效可靠運行。通過必要的技術(shù)手段將CPL與硅基芯片直接集成制作于一體將是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男酒鋮s溫控技術(shù)，該技術(shù)綜合了 CPL散熱和微尺度傳熱高效緊湊的優(yōu)點，不僅能夠有效克服針對微電子芯片傳統(tǒng)散熱方式的不足，并可使冷卻效果得到進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有CPL熱管散熱技術(shù)難以適應(yīng)“芯片級冷卻”需要的不足，設(shè)計一種硅基毛細栗回路微型冷卻器，通過硅基CPL直接有效降低芯片“熱點”部位的溫度、提高散熱冷卻效率，結(jié)合CPL的自身特性和微尺度傳熱的優(yōu)點增強傳熱溫控能力，使微電子器件的工作性能更加安全可靠。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案之一是:
一種硅基毛細栗回路微型冷卻器，其特征是它由以下方法制備而成:
首先，在半導體硅片上，利用MEMS工藝刻蝕形成微小型毛細栗回路(CPL)的微肋陣列毛細結(jié)構(gòu)和微通道，所述微肋陣列毛細結(jié)構(gòu)位于熱管蒸發(fā)器處，由該部位未被刻蝕的硅片經(jīng)隔斷處理而形成，與之相鄰的刻蝕部分則構(gòu)成了沿冷卻工質(zhì)流動方向呈交錯排列的微通道陣列；而熱管的冷凝器，則由沿冷凝液流動方向并呈一定間距的微通道陣列組成，以實現(xiàn)微尺度下的強化流動換熱；蒸發(fā)器和冷凝器之間通過汽相微通道和液相微通道實現(xiàn)連接，由此構(gòu)成微小型毛細栗回路，而儲液槽則與熱管蒸發(fā)器相連；
其次，通過硅/玻璃靜電鍵合技術(shù)，將硼硅酸玻璃與刻蝕有毛細結(jié)構(gòu)、微通道和儲液槽的硅片鍵合為一體，形成由玻璃密封的硅基毛細栗回路微型冷卻器。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案之二是:
一種硅基毛細栗回路微型冷卻器，其特征是它由一對半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片鍵合在一起而形成，其中在與硼硅酸玻璃接觸的硅片I表面刻蝕有蒸發(fā)器2、冷凝器3、汽相通道4、液相通道5、儲液腔6和硅片抽真空/注液通道9，而在硼硅酸玻璃11上則加工有抽真空/注液孔12 ;蒸發(fā)器2和冷凝器3分別位于硅片I的兩端，它們之間通過汽相通道4及液相通道5相連通以便實現(xiàn)換熱，儲液腔6與蒸發(fā)器2的進液口相連通，硅片抽真空/注液通道9與硼硅酸玻璃11上加工的抽真空/注液孔12相貫通。
[0008]所述蒸發(fā)器由微肋陣列毛細結(jié)構(gòu)7或蒸發(fā)器微通道陣列10組成，而冷凝器則由冷凝器微通道陣列8組成。
[0009]構(gòu)成蒸發(fā)器內(nèi)微肋陣列毛細結(jié)構(gòu)7的微肋形狀為矩形、圓形或三角形結(jié)構(gòu)。
[0010]所述汽相通道4和液相通道5的截面尺寸保持不變或者沿通道方向呈線性變化，其中汽相通道從蒸發(fā)器向冷凝器方向線性增大，而液相通道的變化則相反。
[0011]所述的汽相通道4和液相通道5的截面為矩形、三角形或梯形。
[0012]所述的液相通道5的水力直徑為100~500 μ m。
[0013]所述的蒸發(fā)器2、冷凝器3、汽相通道4和液相通道5中的液體工質(zhì)充注體積占熱管內(nèi)部總體積的20%~40%。
[0014]所充注的液體工質(zhì)為水、乙醇或FC-72環(huán)保低沸點相變工質(zhì)。
[0015]所述的硅基微冷卻器能夠直接與半導體微電子芯片集成為一體。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明中所涉及的CPL蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)具有微通道分隔強化換熱的功能，通過對微通道進行隔斷處理所形成的微肋陣列，可破壞邊界層的充分發(fā)展，以此使整個微通道沿長度方向的平均邊界層厚度變薄，從而起到強化換熱的效果。同時，該種結(jié)構(gòu)在減小工質(zhì)流動阻力的同時，還能顯著增強CPL蒸發(fā)器的潤濕/自潤濕效果，延遲其在較高熱負荷情況下因工質(zhì)不足而造成的燒干問題，提高熱管的傳熱極限。
[0017]對于硅基CPL微通道的尺寸選擇，其水力直徑通常可介于100~500 μπι之間，其中熱管蒸發(fā)器部位通道水力直徑較小，可取100~300 μ m，冷凝器部位微通道水力直徑則可取200~500 μ m ;而對連接蒸發(fā)器和冷凝器的汽、液相通道，則要求液相通道的尺寸較汽相通道小，以利于工質(zhì)在熱管內(nèi)的循環(huán)工作。
[0018]硅基CPL注液孔與熱管冷凝器相連，首先通過注液口對微通道回路進行抽真空處理，待其內(nèi)部空氣充分排除后可充注一定量的液相冷卻工質(zhì)(注意:液體工質(zhì)充注量可控制在熱管內(nèi)部空間體積的20%~40%)，然后將注液口密封，即獲得硅基CPL微型冷卻器。
[0019]硅基CPL的工作原理為:蒸發(fā)器硅基吸收來自微電子芯片工作產(chǎn)生的熱量，冷卻工質(zhì)接受熱量后發(fā)生蒸發(fā)相變，由液相變?yōu)槠唷Ｔ谡舭l(fā)器和冷凝器工質(zhì)壓差的作用下，蒸發(fā)形成的汽相工質(zhì)經(jīng)汽相回路向冷凝器運動，在冷凝器處經(jīng)冷卻后又恢復為液相，在壓差作用下冷卻液沿液相回路返回蒸發(fā)器，繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此往復，循環(huán)工作。通過該過程，可使芯片溫度較高的“熱點”部位熱量經(jīng)與其直接集成在一起的CPL傳遞至溫度較低的部位，實現(xiàn)減小和平衡溫差的作用。
[0020]本發(fā)明所述的硅基CPL微型冷卻器，由于具有傳統(tǒng)CPL的特點和微尺度下的傳熱強化的優(yōu)勢，使其在有效克服傳統(tǒng)散熱方式難以應(yīng)對“芯片級冷卻”不足的同時又兼具強化換熱的功能。將本發(fā)明的硅基CPL與微電子芯片集成制作于一體，能夠有效改善芯片的散熱冷卻效果和承載熱負荷的能力。
[0021]本發(fā)明能消除高熱流密度微電子器件“熱點”、促進散熱冷卻，它通過在半導體硅片上刻蝕用于形成毛細栗回路的蒸發(fā)器、冷凝器、儲液腔、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道結(jié)構(gòu)，并用加工有抽真空/注液孔的耐熱硼硅酸玻璃將其封裝。蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)分別含有微肋陣列毛細結(jié)構(gòu)和微通道陣列，前者利于破壞并減薄工質(zhì)流動邊界層厚度、增強蒸發(fā)過程潤濕/自潤濕效果，以此提高傳熱溫控效果，后者則具有微尺度下強化流動凝結(jié)換熱的特點。本發(fā)明的硅基毛細栗回路微型冷卻器可直接與半導體微電子芯片集成為一體，符合“芯片級冷卻”的需要。<