一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微電子芯片的溫控領(lǐng)域，尤其是一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著各電子器件及設(shè)備(如計(jì)算機(jī)芯片等)向高性能和微小型化的發(fā)展趨勢，它們工作時將產(chǎn)生工作熱負(fù)荷快速增加并造成發(fā)熱量過大的問題，嚴(yán)重影響電子器件的工作性能及安全可靠性。同時，微電子芯片本身的發(fā)熱不均將在局部表面產(chǎn)生“熱點(diǎn)”，其存在被認(rèn)為是造成芯片“熱失效”、威脅系統(tǒng)安全的關(guān)鍵原因。針對微電子芯片冷卻空間狹小、散熱困難的特點(diǎn)，為將芯片溫度控制在安全水平并提高其均溫性、減少局部“熱點(diǎn)”，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，微小型環(huán)路熱管(LPH)因其散熱性能卓越和結(jié)構(gòu)布置正日益受到關(guān)注，被認(rèn)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(xì)管與金屬板(塊)的連接制作構(gòu)成環(huán)路或直接在金屬板上加工用于構(gòu)成蒸發(fā)器的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)和冷凝器的U型槽道結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。如Chu等在《Heat Transfer一AsianResearch》(2004年 33 卷42-55 頁)上發(fā)表的“Design of miniature loop heat pipe”(小型環(huán)路熱管的設(shè)計(jì))中所提出的蒸發(fā)器毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)和冷凝器相互分離、并通過管道將兩者連接的環(huán)路熱管；以及專利號US20130233521A1，名稱為“Loop heat pipe and electronicequipment using the same”(基于環(huán)路熱管的冷卻裝置)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)的平板環(huán)路熱管，該平板環(huán)路熱管可有多個蒸發(fā)器或冷凝器。由上述方法制作得到的毛細(xì)泵回路，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，降低散熱效率，而在減少芯片表面局部“熱點(diǎn)”方面也存在較大的局限；同時，還可能因材料兼容性而導(dǎo)致熱應(yīng)力集中的問題，當(dāng)器件本身溫度分布不均時表現(xiàn)更為嚴(yán)重。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]針對現(xiàn)有LPH散熱技術(shù)難以有效解決微電子芯片工作熱負(fù)荷快速增加并造成其本身發(fā)熱不均在表面產(chǎn)生局部“熱點(diǎn)”的問題，本實(shí)用新型提供了一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，能夠有效降低芯片“熱點(diǎn)”部位的溫度、提高散熱冷卻效率，結(jié)合LPH的自身特性和微尺度傳熱的優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)傳熱溫控能力，使微電子芯片的工作性能更加安全可靠。
[0005]為解決上述問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案。
[0006]一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器，其特征在于，包括鍵合在一起的半導(dǎo)體硅片、耐熱硼硅酸玻璃片；所述硅片與硼硅酸玻璃片接觸的表面上刻蝕有蒸發(fā)器、冷凝器、液體補(bǔ)償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸發(fā)器和冷凝器的兩端分別通過液相通道和汽相通道相連接，形成閉合回路；所述液相通道上設(shè)有儲液腔；所述蒸發(fā)器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸發(fā)器與抽真空/注液通道連通，所述硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔，所述抽真空/注液孔能夠與抽真空/注液微通道連通。
[0007]優(yōu)選地，所述冷凝蛇型通道為數(shù)個等間距排列、且連通的U型通道構(gòu)成。
[0008]優(yōu)選地，所述蒸發(fā)器的微小槽道結(jié)構(gòu)為數(shù)個貫穿于液相通道、汽相通道之間的蒸發(fā)微通道，或者為微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)，所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)為多個以陣列排列的在所述硅片上經(jīng)刻蝕留下的微肋構(gòu)成，微肋之間形成微通道。
[0009]優(yōu)選地，所述微肋的橫截面為矩形、三角形或圓形，所述微肋的陣列排列方式為順排或叉排，所述微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)中微肋寬度為100?300 μπκ長度為400?1200 μ??，兩列微肋之間的間距為50?300 μ m，兩行微肋之間的間距為50?300 μ m。
[0010]優(yōu)選地，所述冷凝蛇形通道的截面為梯形，冷凝蛇形通道的通道水力直徑為500?2000 μm ;蒸發(fā)器的微小槽道結(jié)構(gòu)的通道水力直徑取100?200 μm。
[0011]優(yōu)選地，所述液相通道的直徑小于汽相通道的直徑。
[0012]優(yōu)選地，所述汽相通道從蒸發(fā)器向冷凝器方向線性增大；液相通道從液體補(bǔ)償器向冷凝器方向線性減小。
[0013]優(yōu)選地，所述抽真空/注液微通道內(nèi)液體工質(zhì)充注體積占整個硅基環(huán)路總體積的25%?40%。
[0014]優(yōu)選地，所述充注液體工質(zhì)為水、乙醇、電子冷卻液FC-72中的一種。
[0015]優(yōu)選地，所述的硅基微冷卻器的硅片能夠直接與半導(dǎo)體微電子芯片集成為一體。
[0016]本實(shí)用新型通過半導(dǎo)體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片靜電鍵合技術(shù)，將硼硅酸玻璃與刻蝕有蒸發(fā)器、冷凝器、液體補(bǔ)償器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道的半導(dǎo)體硅片鍵合為一體，形成由玻璃密封的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器。本實(shí)用新型中所述的蒸發(fā)器和冷凝器由液體補(bǔ)償器、汽相通道和液相通道連接，形成閉合回路。蒸發(fā)器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?。在蒸發(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(yùn)動，在冷凝器處經(jīng)冷卻后又恢復(fù)為液相，在壓差作用下冷卻液沿液相回路進(jìn)入液體補(bǔ)償器，并返回蒸發(fā)器，繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此往復(fù)，循環(huán)工作。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果為:
[0018](I)使用時將娃基微型環(huán)路熱管冷卻器與半導(dǎo)體微電子芯片集成為一體，使芯片溫度較高的“熱點(diǎn)”部位熱量經(jīng)與其直接集成在一起的LPH傳遞至溫度較低的部位，實(shí)現(xiàn)減小和平衡溫差的作用；使硅基微型環(huán)路熱管冷卻器直接有效降低芯片“熱點(diǎn)”部位的溫度，提高散熱、冷卻效率，結(jié)合硅基微型環(huán)路熱管冷卻器的自身特性和微尺度傳熱的優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)傳熱溫控能力，使微電子芯片的工作性能更加安全可靠。
[0019](2)本實(shí)用新型中所述的硅基微型環(huán)路熱管冷卻器內(nèi)部包括微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)，該微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)是多個以陣列排列的由所述硅片上刻蝕留下的微肋構(gòu)成，兩排微肋之間的間隔較小，能夠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(qiáng)化換熱的效果。同時，該微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)能夠減小工質(zhì)流動阻力，顯著增強(qiáng)所述LPH蒸發(fā)器的潤濕/自潤濕效果，延遲其在較高熱負(fù)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。
[0020](3)本實(shí)用新型所述的硅基LPH冷卻器，由于具有傳統(tǒng)LPH的特點(diǎn)和微尺度下的傳熱強(qiáng)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(qiáng)化換熱的功能。
[0021](4)本實(shí)用新型中連接蒸發(fā)器和冷凝器的汽相通道和液相通道的直徑線性變化，有利于因未完全液化或汽化的汽-液兩相工質(zhì)呈泰勒流狀態(tài)在汽/液相通道內(nèi)的循環(huán)工作。
[0022](5)本實(shí)用新型中將硅基LPH與微電子芯片集成制作于一體，能夠有效減少傳統(tǒng)冷卻成本、降低能耗，且能夠改善芯片的散熱冷卻效果和承載熱負(fù)荷的能力。
【附圖說明】
[0023]圖1為所述半導(dǎo)體娃片表面的刻蝕結(jié)構(gòu)一種實(shí)施例不意圖。
[0024]圖2為所述半導(dǎo)體娃片表面的刻蝕結(jié)構(gòu)另一種實(shí)施例不意圖。
[0025]圖3為所述耐熱硼硅酸玻璃結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中:
[0027]1-半導(dǎo)體硅片，2-蒸發(fā)器，3-冷凝器，4-液體補(bǔ)償器，5-液相通道，6_汽相通道，7-蒸發(fā)微通道，8-冷凝蛇形通道，9-抽真空/注液微通道，10-微肋陣列毛細(xì)結(jié)構(gòu)，11-耐熱硼硅酸玻璃片，12-抽真空/注液孔。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于此。
[0029]實(shí)施例1
[0030]一種硅基微型環(huán)路熱管冷卻器包括鍵合在一起的半導(dǎo)體硅片I和耐熱硼硅酸玻璃片11，所述半導(dǎo)體硅片I能夠與半導(dǎo)體微電子芯片集成為一體。如圖1所示，所述硅片I與所述硼硅酸玻璃片11接觸的表面刻