專利名稱：硅基汽液相分離式散熱芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子元器件的散熱芯片，特別是涉及一種硅基汽液相分離式散熱芯片及 其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，芯片的集成度越來越高，性能也越來越強，其最終導致單 位面積上的功耗急劇增加，從而產(chǎn)生了致命的高熱流密度問題。高熱流密度芯片的散熱問題 已成為當前制約高集成度芯片技術(shù)發(fā)展的瓶頸，電子元器件可靠性的改善、功率容量的增加、 集成度的提高以及結(jié)構(gòu)的微小型化等都直接取決于芯片散熱問題的解決。目前基于半導體微 加工技術(shù)利用硅制作的微型散熱器已經(jīng)在高熱流密度電子元器件上獲得廣泛應用，其一般結(jié) 構(gòu)為在一硅基片加工出微流體溝槽，然后與另一基片鍵合，同時預留微流體的進出口。微流 體通過外接泵的驅(qū)動力在硅片溝槽內(nèi)循環(huán)流動，同時把吸自底部的電子元器件的熱能不斷帶 走。
現(xiàn)有的硅基散熱器主要存在以下缺點
1. 理論上，微溝槽的水力直徑越小，硅基散熱器的散熱能力越強。但現(xiàn)有的硅基散熱器
微溝槽的水力直徑小到100pm以下時，就極易發(fā)生堵塞。這主要是微流體在微溝槽內(nèi)流動時
伴有沸騰汽化，產(chǎn)生的氣泡增加了流體流動的阻力。
2. 現(xiàn)有的硅基散熱器需要增設(shè)微泵、微閥等結(jié)構(gòu)來驅(qū)動微流體循環(huán)流動，這樣就使得散 熱器的結(jié)構(gòu)更為復雜，不利于微型化。另外，微泵也需要額外的能源驅(qū)動，不利于環(huán)保。
公開號為CN1671019的發(fā)明專利申請公開一種背冷式高功率半導體激光器微通道熱沉結(jié) 構(gòu)，包括微通道部分和進出水底座。方法是用高導熱金屬材料加工微通道邊框，由半圓柱型 槽和微通道區(qū)構(gòu)成的微通道胚體，用高導熱金屬材料制備進出水底座包括互通的管道和小通 道區(qū)，將微通道胚體、微通道邊框和進出水底座組裝。該發(fā)明微通道的側(cè)壁與微通道頂壁為 一體化結(jié)構(gòu)，避免背景技術(shù)中分層結(jié)構(gòu)連接時引入的附加熱阻提高了器件整體散熱能力；采 用水流90度折轉(zhuǎn)進入微通道區(qū)時，以圓弧型切入微通道區(qū)方式，大大降低了水流局部壓降， 提高了熱沉整體性能；在熱沉整體結(jié)構(gòu)連接過程中，涉及到熱沉微通道區(qū)域的焊接只有一個 微通道底面，大大降低了微通道結(jié)構(gòu)受損的幾率，簡化了工藝難度和制作成本。
4公開號為CN1558448的發(fā)明專利申請公開一種用于高熱流密度電子元器件的散熱冷卻的 硅基微通道熱交換器，在半導體硅基片上蝕刻由多條沿冷卻液流動方向的縱向微通道和在垂 直于流動方向上具有一定相互間隔距離的多條橫向微通道構(gòu)成的微通道，縱向微通道和橫向 微通道形成縱橫交錯微通道陣列，并用耐熱玻璃封裝微通道。使用該發(fā)明時將微泵，連接管 與硅基微通道熱交換器連接在一起，形成一個強制循環(huán)回路。該發(fā)明的硅基微通道熱交換器 可以和其它IC元件集成在一起，也可以單獨制作硅基微通道熱交換器。
公開號為CN1529360的發(fā)明專利申請公開一種用于高熱流密度電子元器件的散熱冷卻 微型高效自循環(huán)電子冷卻器，包括一微通道蒸發(fā)器和一冷凝器，所述的微通道蒸發(fā)器具有一 個高導熱系數(shù)的金屬基座，沿該基座平面范圍內(nèi)布設(shè)有封閉在基座體中的微通道，該微通道 蒸發(fā)器的微通道的通過蒸汽管和液體管與冷凝器串接成一單向循環(huán)回路，微通道蒸發(fā)器處于 冷凝器之下的空間位置，使充于回路中的工作液體在回路中循環(huán)。該發(fā)明的電子冷卻器依靠 發(fā)熱電子元件(芯片)的熱量驅(qū)動工作液體在微通道蒸發(fā)器、蒸汽管、冷凝器及液體管所構(gòu)成 的回路內(nèi)循環(huán)流動，而無需機械泵等轉(zhuǎn)動部件，從而使裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，無噪音，所占 體積小，傳熱高效，具有優(yōu)良的性能價格比。
公告號為CN2636418的實用新型專利提供一種可用于對各種元器件散熱冷卻的脈沖熱管 式電子元器件散熱冷卻器。其結(jié)構(gòu)包括一塊金屬散熱接觸板塊，用于與需冷卻散熱的電子元 器件接觸連接，在該金屬散熱接觸板上設(shè)置有由多圈毛細金屬管構(gòu)成的脈沖熱管框體，在所 說的多圈毛細金屬管中有液體于抽真空狀態(tài)下封裝入毛細金屬管中的部分空間，這些液體能 在毛細金屬管內(nèi)形成交替的汽彈及液彈，從而構(gòu)成所述的脈沖熱管。該實用新型具有高的傳 熱效率和散熱能力，適用于冷卻電子元件發(fā)熱模塊，如晶體管、半導體、可控硅整流器、功
率模塊等。
公開號為CN1507039的發(fā)明專利申請公開一種可用作電子元器件的散熱冷卻裝置，特別 是用于高熱流密度電子元器件的散熱冷卻裝置的熱驅(qū)動換熱器。整個換熱器裝置包括微通道 熱交換器、兩個具有單向?qū)üδ艿奈⒅够亻y(出口微止回閥和入口微止回閥)和貯液罐，所 說的微通道熱交換器具有一個有高導熱系數(shù)的金屬基座，在該基座的平面上布設(shè)有封閉在基 座體內(nèi)的微通道，該熱驅(qū)動換熱器按貯液罐、入口微止回閥、微通道熱交換器的微通道、出 口微止回閥、再回到貯液罐的順序用管道串接成一單向循環(huán)回路，使充于回路中的液體工質(zhì) 在回路中循環(huán)。該熱驅(qū)動換熱器可適合于機箱內(nèi)電子芯片等發(fā)熱強度高，而體積又非常受限 制的場合。如應用在計算機芯片散熱上。
公告號為CN1936412的發(fā)明專利提供一種能滿足微流體器件質(zhì)量輕，功耗小要求的自增壓供液系統(tǒng)。包括貯液箱、氣體發(fā)生器、壓力傳感器和壓力控制器，貯液箱與氣體發(fā)生器通 過管道連通，所述管道連通壓力傳感器，壓力控制器通過電路與壓力傳感器和氣體發(fā)生器連 接；氣體發(fā)生器包括密閉容器，密閉容器內(nèi)設(shè)有裝藥桶，裝藥桶內(nèi)裝有固體化學藥品，加熱 器緊密接觸固體化學藥品，加熱器的電源導線引出到密閉容器外部并連接壓力控制器。氣體 發(fā)生器使用電加熱器將固體化學藥品加熱分解產(chǎn)生氣體。壓力氣體將所需的液體壓入流體器 件，達到供液的目的。本發(fā)明質(zhì)量輕，功耗小、使用方便，能滿足微流體器件發(fā)展的要求， 具有良好應用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種能夠克服以上硅基散熱器的缺點，提高硅基散熱器散熱效能的硅基 汽液相分離式散熱芯片及其制備方法。
本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片為上下兩層結(jié)構(gòu)，分別為上硅片和下硅片，在上 硅片上設(shè)有冷卻液體加載口、液體汽化室和氣體微通道，液體汽化室設(shè)于上硅片中部，氣體 微通道設(shè)于液體汽化室的外側(cè)并與氣體微通道連通，冷卻液體加載口設(shè)于液體汽化室兩側(cè)； 在下硅片上設(shè)有冷卻液體儲槽和液體微通道，液體微通道設(shè)于冷卻液體儲槽內(nèi)；上硅片與下 硅片通過硅-硅鍵合技術(shù)對準鍵合形成芯片整體。
冷卻液體通過冷卻液體加載口引入冷卻液體儲槽的槽口，由于表面張力的親水作用，冷 卻液體能夠自行填充入冷卻液體儲槽和液體微通道；同時由于表面張力的疏水作用而止于液 體汽化室和氣體微通道，最后把冷卻液體加載口密封。
所述上下層結(jié)構(gòu)可以有多組上下層結(jié)構(gòu)。
所述冷卻液體可以是水、乙醇、乙醇與水的混合物、丙酮、氟利昂、類似氟利昂物質(zhì)、 氨水或含有各種金屬納米顆粒的水溶液等。
所述氣體微通道可為一組相互間有一定距離的平行微溝道，所述微溝道的尺寸最好為寬 度1(xm lmm, 間隔lpm lmm，長度100|jm 5cm，深度lnm lmm。
所述冷卻液體儲槽最好為環(huán)形微溝道，所述環(huán)形微溝道的尺寸最好為寬度50^un 5cm， 長度100|xm 5cm，深度ljam lmm。
所述液體微通道可為一組相互間有一定距離的平行微溝道，所述微溝道的尺寸最好為寬 度ljjm lmm， 間隔ltim lmm，長度100(jm 5cm，深度lpm lmm。
所述液體汽化室可設(shè)在液體微通道的正上方。
所述液體汽化室的面積最好大于液體微通道的總面積。
所述氣體微通道可交叉設(shè)在冷卻液體儲槽的上方。所述氣體微通道與液體汽化室相通并交叉分布。 所述冷卻液體儲槽與液體微通道相通并環(huán)形分布。
所述冷卻液體儲槽和液體微通道的表面特征與上層液體汽化室和氣體微通道的表面特征 相反，比如當冷卻液體為水時，冷卻液體儲槽和液體微通道的表面特征表現(xiàn)為親水，上層液 體汽化室和氣體微通道的表面特征表現(xiàn)為疏水。
本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片的制備方法包括以下步驟
1) 上硅片正面結(jié)構(gòu)的加工
(1) 將上硅片清洗后烘干；
(2) 在上硅片表面旋涂光刻膠層；
(3) 利用掩膜版曝光并顯影出液體汽化室和氣體微通道的圖案；
(4) 采用等離子氣體腐蝕(ICP)刻蝕出液體汽化室和氣體微通道；
(5) 除去光刻膠層。
2) 上硅片背面結(jié)構(gòu)的加工
(1) 濺射A1膜阻擋層；
(2) 在阻擋層上旋涂光刻膠層，光刻出冷卻液體加載口的圖案；
(3) 腐蝕A1膜阻擋層；
(4) 采用等離子氣體腐蝕(ICP)刻蝕出冷卻液體加載口；
(5) 腐蝕去除上硅片表面的A1膜阻擋層；
(6) 在上硅片正面濺射導熱疏水膜。
3) 下硅片的加工
(1) 將下硅片清洗后烘干；
(2) 在下硅片濺射Au膜；
(3) 在Au膜上旋涂光刻膠層；
(4) 利用掩膜版曝光并顯影出冷卻液體儲槽和液體微通道的圖案；
(5) 腐蝕Au膜；
(6) 采用等離子氣體腐蝕(ICP)刻蝕出冷卻液體儲槽和液體微通道；
(7) 濺射親水性導熱材料膜；
(8) 去除光刻膠層。
4) 芯片鍵合
將上述加工后的上硅片和下硅片對準鍵合，完成硅基汽液相分離式散熱芯片的制備。
7本發(fā)明的硅基汽液相分離式散熱芯片的工作原理是電子元器件釋放的熱能傳至微溝槽的 液體，液體汽化進入汽化室，同時在表面張力作用下儲液槽的液體自行補充回微溝槽，汽化 的氣體然后在汽化室頂部冷凝回落，同時把熱能通過頂層釋放到外部環(huán)境。不僅如此，本發(fā) 明的另一個特殊之處還在于增設(shè)了氣體微通道與儲液槽相連，這樣汽化后產(chǎn)生的壓力可以通 過氣體微通道傳至儲液槽，從而在儲液槽和液體微溝槽間形成壓差增強液體循環(huán)回流。所以， 本發(fā)明的硅基汽液相分離式散熱芯片在工作時，冷卻液體是經(jīng)過汽化-冷凝-汽化-冷凝等周而 復始的過程實現(xiàn)循環(huán)不止。本發(fā)明的硅基汽液相分離式散熱芯片由于利用了液體相變時溫度 不變原理，因此電子元器件能夠被保護在冷卻液體的相變溫度以內(nèi)穩(wěn)定工作。
由于本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片實現(xiàn)了芯片內(nèi)的氣體和液體相對獨立的流動
通道，因此本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點
1. 由于微通道內(nèi)冷卻液體在芯片內(nèi)是處于開放式狀態(tài)，因此小到lpm的微通道液體流 動沸騰時也不會堵塞。
2. 由于使得微通道內(nèi)冷卻液體能夠自行循環(huán)流動，而且液體的流動完全是靠表面張力來
驅(qū)動的，不需要額外增設(shè)微泵、微閥等微結(jié)構(gòu)，因此芯片更為簡單緊湊，適合于微型化。
3. 由于利用液體相變時吸收大量的熱量但溫度不變的換熱原理，因此能夠很好地保護電
子元器件穩(wěn)定工作，換熱效率高。
4. 本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片完全采用半導體微加工的方法制備，有利于與 電子元器件直接集成在一起，不僅有利于電子元器件向更高功率發(fā)展，而且結(jié)構(gòu)簡單、制作 方便、成本低廉。


圖1為本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片實施例的上硅片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片實施例的下硅片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片的制造方法的上硅片結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。
圖5為本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片的制造方法的下硅片結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。
具體實施例方式
參見圖1 3，本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片為上下兩層結(jié)構(gòu)，分別為上硅片和 下硅片，在上硅片1上設(shè)有冷卻液體加載口 11、液體汽化室12和氣體微通道13，液體汽化 室12設(shè)于上硅片1中部，氣體微通道13設(shè)于液體汽化室12的外側(cè)并與氣體微通道13連通， 冷卻液體加載口 11設(shè)于液體汽化室12兩側(cè)；在下硅片2上設(shè)有冷卻液體儲槽21和液體微通道22，液體微通道22設(shè)于冷卻液體儲槽21內(nèi)；上硅片與下硅片通過硅-硅鍵合技術(shù)對準鍵合
形成芯片整體。
冷卻液體通過冷卻液體加載口 11引入冷卻液體儲槽21的槽口，由于表面張力的親水作 用，冷卻液體能夠自行填充入冷卻液體儲槽21和液體微通道22;同時由于表面張力的疏水 作用而止于液體汽化室12和氣體微通道13，最后把冷卻液體加載口密封。 .
所述冷卻液體可以是水、乙醇、乙醇與水的混合物、丙酮、氟利昂、類似氟利昂物質(zhì)、 氨水或含有各種金屬納米顆粒的水溶液等。
所述氣體微通道13可為一組相互間有一定距離的平行微溝道，所述微溝道的尺寸為寬度 l阿 lmm， 間隔l|jm lmm，長度100|jm 5cm，深度1(jm lmm。
所述冷卻液體儲槽21為環(huán)形微溝道，所述環(huán)形微溝道的尺寸為寬度5(Him 5cm，長度 廳pm 5cm， 深度1^m lmm。
所述液體微通道22為一組相互間有一定距離的平行微溝道，所述微溝道的尺寸為寬度 1(jm lmm， 間隔1(am lmm，長度100nm 5cm，深度lpm lmm。
所述液體汽化室12設(shè)在液體微通道22的正上方，所述液體汽化室12的面積大于液體微 通道22的總面積。
所述氣體微通道13交叉設(shè)在冷卻液體儲槽21的上方，所述氣體微通道13與液體汽化室 12相通并交叉分布。
所述冷卻液體儲槽21與液體微通道22相通并環(huán)形分布。
所述冷卻液體儲槽21和液體微通道22的表面特征與上層液體汽化室12和氣體微通道 13的表面特征相反，比如當冷卻液體為水時，冷卻液體儲槽21和液體微通道22的表面特征 表現(xiàn)為親水，上層液體汽化室12和氣體微通道13的表面特征表現(xiàn)為疏水。
上下層結(jié)構(gòu)可以有多組上下層結(jié)構(gòu)。
以下實施例給出本發(fā)明所述硅基汽液相分離式散熱芯片的制備方法。
1) 上硅片正面結(jié)構(gòu)的加工
(1) 將硅片A清洗后烘干；
(2) 在硅片A表面旋涂光刻膠層4;
(3) 利用掩膜版8曝光并顯影出液體汽化室和氣體微通道13的圖案；
(4) 采用等離子氣體腐蝕(ICP)刻蝕出液體汽化室和氣體微通道13;
(5) 除去光刻膠層4。
2) 上硅片背面結(jié)構(gòu)的加工(1) 濺射A1膜阻擋層5;
(2) 在阻擋層5上旋涂光刻膠層6，光刻出冷卻液體加載口 11的圖案；
(3) 腐蝕A1膜阻擋層5;
(4) 采用等離子氣體腐蝕(ICP)刻蝕出冷卻液體加載口 11;
(5) 腐蝕去除硅片A表面的A1膜阻擋層5;
(6) 在硅片A正面濺射導熱疏水膜7。3)下硅片的加工
(1) 將硅片B清洗后烘干；
(2) 在硅片B濺射Au膜51;
(3) 在Au膜51上旋涂光刻膠層52;
(4) 利用掩膜版53曝光并顯影出冷卻液體儲槽和液體微通道22的圖案；
(5) 腐蝕Au膜51;
(6) 采用等離子氣體腐蝕(ICP)刻蝕出冷卻液體儲槽和液體微通道22;
(7) 濺射親水性導熱材料膜54;
(8) 去除光刻膠層52。4)芯片鍵合
將上述加工后的上硅片和下硅片按圖1所示對準鍵合，完成硅基汽液相分離式散熱芯片的制備。
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權(quán)利要求
1.硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于為上下兩層結(jié)構(gòu)，分別為上硅片和下硅片，在上硅片上設(shè)有冷卻液體加載口、液體汽化室和氣體微通道，液體汽化室設(shè)于上硅片中部，氣體微通道設(shè)于液體汽化室的外側(cè)并與氣體微通道連通，冷卻液體加載口設(shè)于液體汽化室兩側(cè)；在下硅片上設(shè)有冷卻液體儲槽和液體微通道，液體微通道設(shè)于冷卻液體儲槽內(nèi)；上硅片與下硅片對準鍵合。
2. 如權(quán)利要求l所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述上下層結(jié)構(gòu)為多組 上下層結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述氣體微通道為一組 相互間有間距的平行微溝道，所述微溝道的尺寸為寬度lpm lmm，間隔lnm lmm，長度 100nm 5cm， 深度lpm lmm。
4. 如權(quán)利要求1所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述冷卻液體儲槽為環(huán) 形微溝道，所述環(huán)形微溝道的尺寸為寬度5(^m 5cm，長度10(Hun 5cm，深度lpm lmm。
5. 如權(quán)利要求1所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述液體微通道為一組 相互間有間距的平行微溝道，所述微溝道的尺寸為寬度lpm lmm，間隔lpm lmm，長度 100(jm 5cm，深度ljjm lmm。
6. 如權(quán)利要求1所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述液體汽化室設(shè)在液 體微通道的正上方。
7. 如權(quán)利要求1或6所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述液體汽化室的 面積大于液體微通道的總面積。
8. 如權(quán)利要求1所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述氣體微通道交叉設(shè) 在冷卻液體儲槽的上方；所述冷卻液體儲槽與液體微通道相通并環(huán)形分布。
9. 如權(quán)利要求1或8所述的硅基汽液相分離式散熱芯片，其特征在于所述氣體微通道與 液體汽化室相通并交叉分布。
10. 如權(quán)利要求1所述的硅基汽液相分離式散熱芯片的制備方法，其特征在于包括以下 步驟1)上硅片正面結(jié)構(gòu)的加工(1) 將上硅片清洗后烘干；(2) 在上硅片表面旋涂光刻膠層；(3) 利用掩膜版曝光并顯影出液體汽化室和氣體微通道的圖案；(4) 采用等離子氣體腐蝕刻蝕出液體汽化室和氣體微通道；(5) 除去光刻膠層；2)上硅片背面結(jié)構(gòu)的加工(1) 濺射A1膜阻擋層；(2) 在阻擋層上旋涂光刻膠層，光刻出冷卻液體加載口的圖案；(3) 腐蝕A1膜阻擋層；(4) 采用等離子氣體腐蝕刻蝕出冷卻液體加載口；(5) 腐蝕去除上硅片表面的A1膜阻擋層；(6) 在上硅片正面濺射導熱疏水膜；3) 下硅片的加工(1) 將下硅片清洗后烘干；(2) 在下硅片濺射Au膜；(3) 在Au膜上旋涂光刻膠層；(4) 利用掩膜版曝光并顯影出冷卻液體儲槽和液體微通道的圖案；(5) 腐蝕Au膜；(6 )采用等離子氣體腐蝕刻蝕出冷卻液體儲槽和液體微通道；(7) 濺射親水性導熱材料膜；(8) 去除光刻膠層；4) 芯片鍵合將上述加工后的上硅片和下硅片對準鍵合，完成硅基汽液相分離式散熱芯片的制備。
全文摘要
硅基汽液相分離式散熱芯片及其制備方法，涉及一種電子元器件的散熱芯片。提供一種能夠克服以上硅基散熱器的缺點，提高硅基散熱器散熱效能的硅基汽液相分離式散熱芯片及其制備方法。散熱芯片為上下兩層結(jié)構(gòu)，分別為上硅片和下硅片，在上硅片上設(shè)有冷卻液體加載口、液體汽化室和氣體微通道，在下硅片上設(shè)有冷卻液體儲槽和液體微通道。1)加工上硅片正面結(jié)構(gòu)，2)加工上硅片背面結(jié)構(gòu)，3)加工下硅片，4)再將上硅片和下硅片對準鍵合。
文檔編號H01L23/427GK101667561SQ200910112478
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者艷 張, 張保平, 張春權(quán), 張玉龍, 李燕飛, 羅仲梓, 蔣書森, 谷丹丹 申請人:廈門大學