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硅基毛细 泵回路微型冷却器

阅读：125发布：2023-03-09

专利汇可以提供硅基毛细泵回路微型冷却器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征是它由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合在一起而形成，其中在与硼硅酸玻璃接触的硅片（1）表面刻蚀有蒸发器（2）、冷凝器（3）、汽相通道（4）、液相通道（5）、储液腔（6）和硅片抽真空 /注液通道（9），而在硼硅酸玻璃（11）上则加工有抽真空/注液孔（12）；蒸发器（2）和冷凝器（3）分别位于硅片（1）的两端，它们之间通过汽相通道（4）及液相通道（5）相连通以便实现换热，储液腔（6）与蒸发器（2）的进液口相连通，硅片抽真空/注液通道（9）与硼硅酸玻璃（11）上加工的抽真空/注液孔（12）相贯通。本发明结构简单，制造方便，散热效果好。，下面是硅基毛细泵回路微型冷却器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征是它由以下方法制备而成：
首先，在半导体硅片上，利用MEMS工艺刻蚀形成微小型毛细泵回路（CPL）的微肋阵列毛细结构和微通道，所述微肋阵列毛细结构位于热管蒸发器处，由该部位未被刻蚀的硅片经隔断处理而形成，与之相邻的刻蚀部分则构成了沿冷却工质流动方向呈交错排列的微通道阵列；而热管的冷凝器，则由沿冷凝液流动方向并呈一定间距的微通道阵列组成，以实现微尺度下的强化流动换热；蒸发器和冷凝器之间通过汽相微通道和液相微通道实现连接，由此构成微小型毛细泵回路，而储液槽则与热管蒸发器相连；
其次，通过硅/玻璃静电键合技术，将硼硅酸玻璃与刻蚀有毛细结构、微通道和储液槽的硅片键合为一体，形成由玻璃密封的硅基毛细泵回路微型冷却器。
2.一种硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征是它由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合在一起而形成，其中在与硼硅酸玻璃接触的硅片（1）表面刻蚀有蒸发器（2）、冷凝器（3）、汽相通道（4）、液相通道（5）、储液腔（6）和硅片抽真空/注液通道（9），而在硼硅酸玻璃（11）上则加工有抽真空/注液孔（12）；蒸发器（2）和冷凝器（3）分别位于硅片（1）的两端，它们之间通过汽相通道（4）及液相通道（5）相连通以便实现换热，储液腔（6）与蒸发器（2）的进液口相连通，硅片抽真空/注液通道（9）与硼硅酸玻璃（11）上加工的抽真空/注液孔（12）相贯通。
3.根据权利要求2所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征在于所述蒸发器由微肋阵列毛细结构（7）或蒸发器微通道阵列（10）组成，而冷凝器则由冷凝器微通道阵列（8）组成。
4.根据权利要求3所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征在于构成蒸发器内微肋阵列毛细结构（7）的微肋形状为矩形、圆形或三角形结构。
5.根据权利要求2所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征在于所述汽相通道（4）和液相通道（5）的截面尺寸保持不变或者沿通道方向呈线性变化，其中汽相通道从蒸发器向冷凝器方向线性增大，而液相通道的变化则相反。
6.根据权利要求2所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征是所述的汽相通道（4）和液相通道（5）的截面为矩形、三角形或梯形。
7.根据权利要求2或6所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征在于所述的液相通道（5）的水力直径为100~500μm。
8.根据权利要求2所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征是所述的蒸发器（2）、冷凝器（3）、汽相通道（4）和液相通道（5）中的液体工质充注体积占热管内部总体积的
20%~40%。
9.根据权利要求2或8所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征在于所充注的液体工质为水、乙醇或FC-72环保低沸点相变工质。
10.根据权利要求2所述的硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征在于所述的硅基微冷却器能够直接与半导体微电子芯片集成为一体。

说明书全文

硅基毛细 泵回路微型冷却器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微型冷却器，尤其是一种集成硅基毛细泵回路（CPL），该CPL是由一对经静电键合工艺键合在一起的半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃构成的高效微冷却器件，在微电子器件的温控领域具有良好的应用前景，具体地说是一种硅基毛细泵回路微型冷却器。

背景技术

[0002] 随着半导体信息通讯产业的快速发展，各种相关产品和设备的高度集成化和微小型化已成为重要发展趋势，由此导致微电子器件工作热负荷快速增加并造成发热量过大的问题，严重影响其乃至整个系统的工作可靠性。同时，微电子器件本身的发热不均将在表面7 2
产生“热点”（发热强度可超过10W/m），其存在被认为是造成 “热失控”、威胁系统安全的关键原因。针对微电子器件冷却空间狭小、散热困难的特点，为将其温度控制在安全水平并提高其均温性、减少局部“热点”，亟需发展新型的微冷却技术。

[0003] 在各种微电子器件散热冷却技术中，微小型毛细泵回路（CPL）因其独特的散热性能和良好的空间适应性正日益受到关注，被认为是一种很有发展前景的新型微冷却散热技术。目前，该热管主要通过毛细管与金属板（块）的连接制作构成回路或直接在金属板上加工用于构成蒸发器和冷凝器的微小槽道结构来实现。如Wan等在《Journal of Central South University Technology》（2008年15卷235-239 页）上发表的“Design and performance test of miniature capillary pumped loop for electronics cooling”（电子冷却用小型毛细泵回路的设计和性能测试）中所提出的蒸发器和冷凝器相互分离、并通过毛细管将两者连接的毛细泵回路；以及专利号US 6443222 B12，名称为“Cooling Device Using Capillary Pumped Loop”（基于毛细泵回路的冷却装置）的美国专利中所公开的一种直接在平板上加工蒸发器、冷凝器和回路结构的平板毛细泵回路。由上述方法制作得到的毛细泵回路，一般通过与微电子器件的直接接触而将热量带出，由此降低其工作温度。这种散热模式在连接过程中会引入额外接触热阻，降低其散热效率，而在减少器件表面局部“热点”方面也存在较大的局限；同时，还可能因材料兼容性而导致热应力集中的问题，当器件本身温度分布不均时表现更为严重。

[0004] 近年来，随着微电子机械加工（MEMS）技术的迅猛发展，在发热微电子器件（特别是芯片）上直接集成和构建微散热冷却器件，以此实现“芯片级冷却”已成为一种全新的冷却模式。采用该种冷却方式后，可重点针对 “热点”部位进行冷却温控处理，能够在减少传统冷却成本、降低能耗的基础上更加有效地平衡芯片温度、降低局部热应力，以保证其高效可靠运行。通过必要的技术手段将CPL与硅基芯片直接集成制作于一体将是一种很有发展潜力的芯片冷却温控技术，该技术综合了CPL散热和微尺度传热高效紧凑的优点，不仅能够有效克服针对微电子芯片传统散热方式的不足，并可使冷却效果得到进一步提高。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有CPL热管散热技术难以适应“芯片级冷却”需要的不足，设计一种硅基毛细泵回路微型冷却器，通过硅基CPL直接有效降低芯片“热点”部位的温度、提高散热冷却效率，结合CPL的自身特性和微尺度传热的优点增强传热温控能力，使微电子器件的工作性能更加安全可靠。

[0006] 本发明的技术方案之一是：一种硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征是它由以下方法制备而成：
首先，在半导体硅片上，利用MEMS工艺刻蚀形成微小型毛细泵回路（CPL）的微肋阵列毛细结构和微通道，所述微肋阵列毛细结构位于热管蒸发器处，由该部位未被刻蚀的硅片经隔断处理而形成，与之相邻的刻蚀部分则构成了沿冷却工质流动方向呈交错排列的微通道阵列；而热管的冷凝器，则由沿冷凝液流动方向并呈一定间距的微通道阵列组成，以实现微尺度下的强化流动换热；蒸发器和冷凝器之间通过汽相微通道和液相微通道实现连接，由此构成微小型毛细泵回路，而储液槽则与热管蒸发器相连；
其次，通过硅/玻璃静电键合技术，将硼硅酸玻璃与刻蚀有毛细结构、微通道和储液槽的硅片键合为一体，形成由玻璃密封的硅基毛细泵回路微型冷却器。

[0007] 本发明的技术方案之二是：一种硅基毛细泵回路微型冷却器，其特征是它由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合在一起而形成，其中在与硼硅酸玻璃接触的硅片1表面刻蚀有蒸发器2、冷凝器3、汽相通道4、液相通道5、储液腔6和硅片抽真空/注液通道9，而在硼硅酸玻璃11上则加工有抽真空/注液孔12；蒸发器2和冷凝器3分别位于硅片1的两端，它们之间通过汽相通道4及液相通道5相连通以便实现换热，储液腔6与蒸发器2的进液口相连通，硅片抽真空/注液通道9与硼硅酸玻璃11上加工的抽真空/注液孔12相贯通。

[0008] 所述蒸发器由微肋阵列毛细结构7或蒸发器微通道阵列10组成，而冷凝器则由冷凝器微通道阵列8组成。

[0009] 构成蒸发器内微肋阵列毛细结构7的微肋形状为矩形、圆形或三角形结构。

[0010] 所述汽相通道4和液相通道5的截面尺寸保持不变或者沿通道方向呈线性变化，其中汽相通道从蒸发器向冷凝器方向线性增大，而液相通道的变化则相反。

[0011] 所述的汽相通道4和液相通道5的截面为矩形、三角形或梯形。

[0012] 所述的液相通道5的水力直径为100~500μm。

[0013] 所述的蒸发器2、冷凝器3、汽相通道4和液相通道5中的液体工质充注体积占热管内部总体积的20%~40%。

[0014] 所充注的液体工质为水、乙醇或FC-72环保低沸点相变工质。

[0015] 所述的硅基微冷却器能够直接与半导体微电子芯片集成为一体。

[0016] 本发明的有益效果是：本发明中所涉及的CPL蒸发器结构具有微通道分隔强化换热的功能，通过对微通道进行隔断处理所形成的微肋阵列，可破坏边界层的充分发展，以此使整个微通道沿长度方向的平均边界层厚度变薄，从而起到强化换热的效果。同时，该种结构在减小工质流动阻力的同时，还能显著增强CPL蒸发器的润湿/自润湿效果，延迟其在较高热负荷情况下因工质不足而造成的烧干问题，提高热管的传热极限。

[0017] 对于硅基CPL微通道的尺寸选择，其水力直径通常可介于100~500μm之间，其中热管蒸发器部位通道水力直径较小，可取100~300μm，冷凝器部位微通道水力直径则可取200~500μm；而对连接蒸发器和冷凝器的汽、液相通道，则要求液相通道的尺寸较汽相通道小，以利于工质在热管内的循环工作。

[0018] 硅基CPL注液孔与热管冷凝器相连，首先通过注液口对微通道回路进行抽真空处理，待其内部空气充分排除后可充注一定量的液相冷却工质（注意：液体工质充注量可控制在热管内部空间体积的20%~40%），然后将注液口密封，即获得硅基CPL微型冷却器。

[0019] 硅基CPL的工作原理为：蒸发器硅基吸收来自微电子芯片工作产生的热量，冷却工质接受热量后发生蒸发相变，由液相变为汽相。在蒸发器和冷凝器工质压差的作用下，蒸发形成的汽相工质经汽相回路向冷凝器运动，在冷凝器处经冷却后又恢复为液相，在压差作用下冷却液沿液相回路返回蒸发器，继续吸热蒸发，如此往复,循环工作。通过该过程，可使芯片温度较高的“热点”部位热量经与其直接集成在一起的CPL传递至温度较低的部位，实现减小和平衡温差的作用。

[0020] 本发明所述的硅基CPL微型冷却器，由于具有传统CPL的特点和微尺度下的传热强化的优势，使其在有效克服传统散热方式难以应对“芯片级冷却”不足的同时又兼具强化换热的功能。将本发明的硅基CPL与微电子芯片集成制作于一体，能够有效改善芯片的散热冷却效果和承载热负荷的能力。

[0021] 本发明能消除高热流密度微电子器件“热点”、促进散热冷却，它通过在半导体硅片上刻蚀用于形成毛细泵回路的蒸发器、冷凝器、储液腔、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道结构，并用加工有抽真空/注液孔的耐热硼硅酸玻璃将其封装。蒸发器和冷凝器内分别含有微肋阵列毛细结构和微通道阵列，前者利于破坏并减薄工质流动边界层厚度、增强蒸发过程润湿/自润湿效果，以此提高传热温控效果，后者则具有微尺度下强化流动凝结换热的特点。本发明的硅基毛细泵回路微型冷却器可直接与半导体微电子芯片集成为一体，符合“芯片级冷却”的需要。

[0022] 本发明结构简单，制造方便，散热效果好。附图说明

[0023] 图1为本发明的一种构成毛细泵回路微型冷却器的硅片结构图。

[0024] 图1中，1硅片，2蒸发器，3冷凝器，4为汽相通道，5为液相通道，6为储液腔，7为矩形微肋阵列毛细结构，8为冷凝微通道阵列，9抽真空/注液微通道图2为本发明的另一种构成毛细泵回路微型冷却器的硅片结构图。

[0025] 图2中，1硅片，2蒸发器，3冷凝器，4为汽相通道，5为液相通道，6为储液腔，10为蒸发微通道阵列，8为冷凝微通道阵列，9抽真空/注液微通道图3本发明中构成毛细泵回路微型冷却器的耐热硼硅酸玻璃结构图
图3中，11为硼硅酸玻璃片，12为抽真空/注液孔。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图及实例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

[0027] 实施例一。

[0028] 本发明的硅基CPL微型冷却器由耐热硼硅酸玻璃和硅片通过静电键合方式结合在一起。其中，在硅片和硼硅酸玻璃接触的一侧刻蚀有微通道、微肋阵列毛细结构、储液腔，在硼硅酸玻璃片上与硅片相对应的位置加工有抽真空/注液孔。

[0029] 构成硅基CPL微型冷却器的半导体硅片结构如图1所示，通过MEMS刻蚀工艺在硅片1的一个面上刻蚀蒸发器2、冷凝器3、汽相通道4、液相通道5和储液槽6，蒸发器含有矩形微肋阵列毛细结构7，冷凝器含有微通道8和注液通道9，其中刻蚀部分均用阴影斜线标记。

[0030] 图3为构成CPL微型冷却器的硼硅酸玻璃片结构图。在硼硅酸玻璃片11上通过激光打孔方式制作抽真空/注液孔12，该孔与硅基CPL半导体硅片（图1）上与冷凝器相连的抽真空/注液微通道9的顶端位置相对应。

[0031] 当硅片表面经刻蚀形成CPL热管回路图形后，即可通过静电键合技术将该表面与包含小孔的硼硅酸玻璃封装起来，形成硅基CPL微型冷却器，然后充注封装30%体积分数的纯水。

[0032] 本硅基CPL微型冷却器可与微电子芯片直接集成，通过水在热管回路内的相变和汽、液两相运动实现对芯片的直接冷却和“热点”消除功能。

[0033] 图1中，硅片上汽相通道4的宽度为800μm，液相通道5的宽度为500μm，冷凝器内含有8条宽度400μm的微通道，蒸发器内沿矩形微肋长度方向共有10条宽度240μm的微通道，而沿微肋宽度方向的间距则为500μm。微通道干法刻蚀深度为200μm，由此形成的矩形截面的汽相通道、液相通道、冷凝器微通道和蒸发器微通道的水力直径分别为320μm、285.7μm 、267.7μm和218.2μm。而与蒸发器相连的矩形储液腔6的大小则为
3000μm×2500μm，通过该储液腔能够有效控制不同热负荷下蒸发器工质液体的蒸发量，并承担调节冷凝器冷却散热面积的任务，由此控制芯片的工作温度。

[0034] 实施例二。

[0035] 对于毛细泵回路的蒸发器,除实施例一所述的微肋阵列毛细结构外，也可以是图2所示的与冷凝器类似的微通道阵列结构10。与图1所示硅片刻蚀结构相近，汽相通道、液相通道、冷凝器和蒸发器微通道的水力直径分别为320μm、285.7μm 、267.7μm和218.2μm。

[0036] 实施例三。

[0037] 本实施例为将实施例一和实施例二所述的毛细泵回路微型冷却器的汽相通道4和液相通道5进行变截面处理，使汽相通道的截面积从蒸发器向冷凝器方向呈线性增大变化，通道宽度由600μm增加到1200μm，对应通道水力直径由300μm增加到342.9μm；而液相通道的截面积变化则与汽相通道刚好相反，从蒸发器向冷凝器方向呈线性减小变化，通道宽度由700μm减小到300μm，对应通道水力直径由311.1μm减小到240μm。经过以上调整，有利于增强冷却工质在汽相通道和液相通道内的自发运动效果，减小流动阻力，从而使工质在整个毛细泵回路微型冷却器内的流动更加畅通，提高其运行性能。

[0038] 但本发明的实施方式并不受上述三个实施例的限制，其中汽相和液相微通道宽度以及冷凝器和蒸发器内微通道的宽度和数量可根据实际需要而进行调整。而微通道的刻蚀深度同样也可以进行调整。

[0039] 本发明的微型CPL，可与微电子芯片直接集成为一体，从而有效降低芯片的温度和温度梯度，减少并削弱因局部高热流而造成的“热点”问题，保障芯片的安全可靠运行。

[0040] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

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