專利名稱：微通道冷卻熱沉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器及其列陣器件、大規(guī)模集成電路等散熱的冷卻部件，也可推廣應(yīng)用于其他要求快速散熱和通過多方面實現(xiàn)整體散熱的場合，如晶體散熱等。
微通道熱沉最早是由土克曼(D.B.Tuckerman)在美國斯坦福大學(xué)(Stanford)提出的。土克曼在1981年5月電子器件通信(IEEE ELECTRONDEVICE LETTER)第2卷第5期發(fā)表的“大規(guī)模集成電路的高性能熱沉(High-Performance Heat Sinking for VISI)”一文中描述的微通道冷卻熱沉的結(jié)構(gòu)是在集成電路芯片的硅襯底背面用化學(xué)方法腐蝕苦干矩形溝槽，用蓋板耦合構(gòu)成冷卻液微通道，密封與外界連接而形成冷卻液回路。器件產(chǎn)生的熱量通過聯(lián)結(jié)層傳導(dǎo)到熱沉，被微通道中流動的冷卻液帶走而達到對集成電路芯片散熱的目的。該項技術(shù)已獲明顯效果，然而這種熱沉只能用于平面型的大規(guī)模集成電路和激光二極管列陣以及平面型半導(dǎo)體器件，它只能通過一個接觸面散熱。而且，由于傳導(dǎo)的熱阻與材料的熱導(dǎo)率成反比，微通道中冷卻液吸熱的等效熱阻與微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)
成反比(W和H分別為微通道的寬度和深度)，也就是說微通道的深寬比大則帶走熱量快，但是硅材料的熱導(dǎo)率不算太好，特別是用化學(xué)腐蝕方法制作微通道不易達到大的深寬比(槽深難于超過300微米)，因此限制了散熱效果。
為此，本發(fā)明旨在提供一種新結(jié)構(gòu)的微通道熱沉，以致克服上述已有技術(shù)的熱沉存在的缺限，提高熱沉冷卻效率，使其使用方便，應(yīng)用范圍拓寬。
本發(fā)明的微通道冷卻熱沉是由N塊(N≥4)均勻的良導(dǎo)熱金屬(或合金)薄片的熱沉片疊合封圍構(gòu)成的。這些熱沉片按疊合順序依次分為傳熱片1、通道片2、導(dǎo)流片3和過流片4。過流片4上開有圓孔41、45分別為進液孔和出液孔，以備通過“O”形圈密封與外部管道連接，過流片4直接與安裝座接觸。傳熱片是直接與被冷卻物體接觸，無孔或必要時也開有圓孔為進出液孔。通道片2上有平行密集的多條細狹縫23，細狹縫的寬度通常取值30～100微米，細狹縫的密度大于10條/毫米，細狹縫23大幅面地分布在通道片2的中部或者集中分布在圓形、環(huán)帶狀或條形區(qū)域里。在進出液孔的相應(yīng)位置也開有圓孔21和25，圓孔周圍均勻分布有寬縫22、24與圓孔21、25相通。在通道片2與過流片4之間有導(dǎo)流片3，導(dǎo)流片3上有M(M≥2)個長條形導(dǎo)流孔32、34，也有圓孔31、35。導(dǎo)流片上的長條形的導(dǎo)流孔32、34為的是跨接細狹縫23和寬縫22、24相通。這些熱沉薄片疊合粘結(jié)后，互相封圍，其中寬縫形成冷卻液流通的主通道，細狹縫形成微通道，導(dǎo)流孔則形成導(dǎo)流通道，過液孔形成了過液通道，熱沉片疊合成為一整體，成為一高抗壓強度的薄壁結(jié)構(gòu)，并具有圓形的進出液孔。
上述構(gòu)成熱沉的熱沉片均選用導(dǎo)熱性能優(yōu)良而物化性質(zhì)穩(wěn)定的金屬或合金材料，例如無氧銅、鍍銀紫銅、銀等等，熱沉片可以是方形、長方形、圓形或者是環(huán)帶狀的。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的微通道冷卻熱沉具有下列優(yōu)點1.冷卻效果更好。
理論和實驗都早已指出，冷卻液湍流層是起吸熱作用的主要部分，其熱阻與通道的深寬比成反比。已有技術(shù)中用化學(xué)腐蝕法刻制微通道受保護膠耐浸泡時間等等條件的限制，硅片蝕刻幾十微米寬度的槽深難以超過300微米；而且槽底平面很難保證，這也直接影響散熱效果。本發(fā)明采用薄片開縫然后疊合封圍所構(gòu)成的微通道，深寬比根本不受限制，可以大大改善湍流層的吸熱性能。槽深了通道截面就增大，冷卻液的總流量隨之增大，也有利于提高帶走熱量的速度。良導(dǎo)熱金屬和絕對平底的傳熱層最大限度地降低了被冷卻物體至冷卻液的熱阻，例如銅或銀的導(dǎo)熱率是硅片的近3倍，所以本發(fā)明的冷卻效果遠遠比上述已有技術(shù)好。
2.有廣泛的適用場合。
由于本發(fā)明的進出液孔都是圓形孔，采用“O”形圈與外界連接，這種連接方式比橡皮片的密封可靠，而且裝配方便，易于實現(xiàn)模塊拼接，因此可以推廣應(yīng)用于任何要求快速散熱的器件，特別是適合于有相當厚度和要求通過多面實現(xiàn)整體散熱的器件，如固體激光器的工作物質(zhì)、光功能晶體器件、大功率電氣元器件等等。
3.電連接方便。
用金屬熱沉片疊合成的熱沉導(dǎo)電性能優(yōu)良，用于冷卻高功率激光二極管等大電流半導(dǎo)體器件時正好充當芯片的下電極，固定在接通外部管道的金屬基座上，可以實現(xiàn)可靠的電連接。
4.熱沉片的結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，成品率高。
已有技術(shù)中硅片蝕刻工藝條件苛刻，速度極慢，最快的氫氧化鉀(KOH)蝕刻工藝只能達到每小時4微米，而且槽溝越深溝底平面形狀越難保證，直接影響散熱效果。而本發(fā)明的熱沉可以采用任何先進的辦法刻細狹縫或?qū)捒p，比如用激光加工的辦法等，這種激光切割工藝成熟，操作方便，速度快，成品率也高。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1是大面積冷卻用的微通道冷卻熱沉的結(jié)構(gòu)分解圖。
圖2是圖1熱沉的A-A剖視圖及其局部放大圖。
圖3是圖1熱沉的B-B剖視圖。
圖4是端面條形冷卻的微通道冷卻熱沉的結(jié)構(gòu)展示圖。
圖5是供高功率激光倍頻晶體使用的由圖1熱沉組合的微通道冷卻熱沉。
實施例1
如圖1所示，熱沉片的數(shù)量N＝4，熱沉片為長方形或方形，是做為大面積冷卻用微通道冷卻熱沉，依次排列有傳熱片1、通道片2、導(dǎo)流片3和過流片4疊合封圍而成。圖2是其A-A剖視及局部放大圖，圖3是其B-B剖視圖。傳熱片1上無孔。通道片2上有寬縫22和24，細狹縫23和圓孔21和25。導(dǎo)流片3上有M＝2個長條形的導(dǎo)流孔32和34，有圓孔31和35。過流片4上有圓孔41和45。通道片2和導(dǎo)流片3夾在傳熱片1和過流片4之間，形成高抗壓強度的薄壁結(jié)構(gòu)，疊合封圍下寬縫22、24形成冷卻液流淌的主通道，細狹縫23形成微通道，通道片上的圓孔21、導(dǎo)流片上的圓孔31與過流片的上41和圓孔25，35與45分別對準形成進液和出液孔。使用時，用“O”形圈將進出液孔與冷卻液管道連接(圖中未畫)，冷卻液由進液孔41、31、21通過主通道22和導(dǎo)流通道32進入微通道23，再經(jīng)導(dǎo)流通道34和主通道24匯集到出液孔25、35、45流出，在此過程中熱量被微通道23中流動的冷卻液不斷地帶走，實現(xiàn)冷卻的目的。
開縫當然不限于直線走向，所以這種微通道熱沉可以大面積冷卻的并不僅僅是矩形區(qū)域，它可以根據(jù)實際需要，對諸如圓形的、環(huán)帶狀的等等各種特定形狀的區(qū)域?qū)嵭欣鋮s。
實施例2這種大面積冷卻的微通道冷卻熱沉還不難組合使用于不同的冷卻對象。圖5就是供高功率激光倍頻晶體使用的雙面冷卻的微通道冷卻熱沉的半剖視圖。其結(jié)構(gòu)是兩塊大面積冷卻的微通道熱沉的進、出液孔由連接通道7和“O”形圈密封連接，被夾板10和11夾持并用螺釘9緊固。圖中12是冷卻液進或出的輸液嘴，以便與冷卻液源接連?？拷斠鹤斓臒岢恋倪M出液孔同時又充當冷卻液通往另一熱沉的過道，因此這只熱沉中采用帶圓孔的傳熱片1。需要冷卻的激光倍頻晶體被置于兩塊大面積冷卻的微通道冷卻熱沉之間，在圖中的13為倍頻晶體。不言而喻，這個位置也可以放置其他需要冷卻的對象。
由此可以舉一反三，根據(jù)需要不難組合成能從三面、四面等多面進行冷卻的微通道冷卻熱沉。
實施例3圖4為端面條形冷卻的微通道冷卻熱沉的結(jié)構(gòu)展示圖，可供激光二極管列陣等使用。熱沉片為長條形，熱沉片的數(shù)量N＝6，包括傳熱片1、通道片2、3片導(dǎo)流片3、5和6，以及1片過流片4組成。其中通道片2上的細狹縫23密布在位于其一端的條形區(qū)域，另一端的一側(cè)開有圓孔21，并有均布在圓孔21周圍與圓孔21相通的至少3條寬縫22；導(dǎo)流片6的一端刻有多條導(dǎo)流縫63，另一端有圓孔61、65，并有均布在圓孔65周圍與圓孔65相通的至少3條寬的導(dǎo)流縫64；導(dǎo)流片3和導(dǎo)流片5都在其對準細狹縫23的頂端的位置上刻有長條形的導(dǎo)流孔(分別為36和56)，并分別在對應(yīng)于22與23和64與63之間的間隙位置上有長條形的導(dǎo)流孔32和54，還相應(yīng)地具有圓孔31和51；傳熱片1上無孔，過流片4上有圓孔41和45。當傳熱片1、通道片2、導(dǎo)流片3、導(dǎo)流片5、導(dǎo)流片6和過流片4依次迭合互相封圍后，圓孔41、61、51、31和21對準并構(gòu)成進液孔，圓孔65和45對準構(gòu)成出液孔；寬縫22形成主通道，細狹縫23形成微通道，導(dǎo)流孔32形成跨接于其間的導(dǎo)流通道；導(dǎo)流縫63形成導(dǎo)流通道，寬縫64形成回流的主通道，過液孔54形成跨接于其間的過流通道；過液孔36與56對準，形成微通道與導(dǎo)流通道之間的過流通道。工作時，冷卻液從進液孔輸入，經(jīng)主通道和過流通道進入微通道，通過微通道的冷卻液由頂端的過流通道到達導(dǎo)流通道，最后經(jīng)那里的過流通道和主通道匯至出液孔流出。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻的具有供冷卻液流通的微小通道的微通道冷卻熱沉，其特征在于基本結(jié)構(gòu)是1)由N(N≥4)塊厚度均勻金屬薄片的熱沉片疊合封圍而構(gòu)成，熱沉片分為傳熱片(1)、通道片(2)、導(dǎo)流片(3)和過流片(4)；2)通道片(2)上有多條密集的細狹縫(23)、圓形孔(21)、(25)和均勻分布在圓孔周圍并與圓孔相通的寬縫(22)和(24)；3)導(dǎo)流片(3)上有能夠?qū)⑼ǖ榔?2)上的細狹縫與寬縫相接通的長條形導(dǎo)流孔(32)和(34)，圓孔(31)和(35)；4)過流片(4)上有圓孔(41)和(45)；5)傳熱片(1)一面接觸被冷卻物體，另一面是通道片(2)，通道片(2)與過液片(4)之間是導(dǎo)流片(3)，所有熱沉片在疊合封圍下寬縫(22)和(24)形成冷卻液流通的主通道，細狹縫(23)形成微通道，導(dǎo)流孔(32)和(34)形成分別將寬縫(22)和(24)與細狹縫(23)接通的導(dǎo)流通道，圓孔(21)與(31)、(41)，圓孔(25)與(35)、(45)分別對準形成進液孔和出液孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻熱沉，其特征在于傳熱片(1)上無孔，或者有與通道片(2)上圓孔(21)和(25)相對應(yīng)的圓形孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻熱沉，其特征在于熱沉片是長方形、方形、圓形或者是環(huán)帶狀的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻熱沉，其特征在于細狹縫(23)大幅面地分布在通道片(2)的中部或者集中分布在圓形、環(huán)帶狀或條形區(qū)域里。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的冷卻熱沉，其特征在于分布于通道片(2)上的細狹縫(23)的密度大于10條/毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻熱沉，其特征在于導(dǎo)流片(3)上有M(M≥2)個長條形的導(dǎo)流孔(32)、(34)、(36)、(54)和(56)及圓孔(31)、(51)、(61)和(65)，或者還有導(dǎo)流縫(63)和(64)。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器及其列陣器件、大規(guī)模集成電路等散熱冷卻器件的一種微通道冷卻熱沉。它由N(N≥4)塊厚度均勻的薄金屬片的熱沉片疊合封圍而成。熱沉片分為傳熱片、通道片、含有導(dǎo)流孔和圓孔或者還有導(dǎo)流縫的導(dǎo)流片以及含有圓孔的過流片。通道片上分布多條密集的細狹縫構(gòu)成冷卻的微通道，通道片上均布圓孔周圍與圓孔相通的寬縫形成主通道。它具有冷卻效果好，使用廣泛靈活，結(jié)構(gòu)與制造工藝簡單的優(yōu)點。
文檔編號H01L23/473GK1158549SQ9611626
公開日1997年9月3日 申請日期1996年2月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月29日
發(fā)明者陸雨田 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所