CN101097897A - 集成脉动芯片热管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成脉动芯片热管及其制备方法，集成脉动芯片热管由一对经阳极扩散焊接工艺键合在一起的硼硅酸玻璃和半导体硅片构成，其中，与硼硅酸玻璃接触的硅片表面经清洗、抛光处理后，再进行氧化反应生成氧化膜层，然后采用红外双面对准工艺，经显影、刻蚀，形成具有热管构型的微型冷却通道；在硼硅酸玻璃片上利用激光精准钻孔工艺在指定位置分别钻出抽真空孔和冷却液灌注孔，清洗后利用阳极扩散焊接工艺将硼硅酸玻璃片和刻蚀有微型冷却通道的硅片牢固键合在一起；检测微型冷却通道的流动性能后，再注入冷却液完成封装。本发明的集成脉动芯片热管具有脉动热管的优良散热性能以及微尺度效应下的强化换热能力。

Description

集成脉动芯片热管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种集成脉动芯片热管及其制备方法，制备的集成脉动芯片热管是由一对经阳极扩散焊(anodic bonding)工艺键合在一起的硼硅酸玻璃片和半导体硅片构成的高效导热元件，能广泛应用于微电子元件的冷却领域。
背景技术
现代微电子技术和大规模集成电路的迅速发展，使得微电子芯片的发热强度越来越大，如果这些热量不及时排出，将严重影响到微电子元件的工作性能和使用寿命，因此，急需发展一种有效的微电子冷却技术来满足这一散热需求。目前，比较常用的散热方式为由外及内散热，一般是通过风扇或其它散热元件与微电子元件直接接触，从而实现将热量从微电子元件中带出，进而降低电子元件的工作温度。这种散热方式由于散热热阻较大，使得散热效率较低。近年来随着微电子机械加工技术的迅速发展，将散热元件与芯片集成制作在硅片上已经成为一种有效的强化散热手段，而在各种电子元件散热技术中，脉动热管由于其独特的散热性能，是一种很有发展前途的散热技术，目前，该技术主要通过金属管或在金属板上制作来实现，然后再与电子元件接触实现散热，仍然没有摆脱传统的散热方式的不足。
通过必要的技术手段将脉动热管与芯片集成制作将是一种很有发展潜力的散热技术，尤其是这一技术集成了脉动热管散热的优势和微尺度散热的高效特性，不但可以有效克服传统散热方式的不足，而且能够使得散热效果得到强化。目前尚未有相关技术公开报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有散热技术的不足，提供一种集成脉动芯片热管及其制备方法，以缩短发热电子元件与散热元件之间的距离，有效降低散热热阻，提高散热效率，利用脉动热管的特性和微尺度强化换热方法增大换热量，使得微电子元件的工作性能更加可靠。
为实现这一目的，本发明提供的集成脉动芯片热管由一对经阳极扩散焊接工艺键合在一起的硼硅酸玻璃和半导体硅片构成，其中，与硼硅酸玻璃接触的硅片表面利用微电子机械加工工艺蚀刻有热管构型的微型冷却通道，在硼硅酸玻璃片上利用激光精准钻孔工艺在指定位置分别钻出抽真空孔和冷却液灌注孔。
集成脉动芯片热管的工作原理为：集成脉动芯片热管冷却液灌注孔的一端为芯片加热端，抽真空孔的一端为芯片冷凝端。工作时，在封闭的蛇形微型冷却通道回路中，充有一定量的冷却工质，该工质在表面张力和冷热端温差的作用下形成汽液塞状流随机地出现在蛇形回路中，通过相变(蒸发和冷凝)和汽液振荡实现热量传递。小管径和冷热端反复的弯折时形成脉动热管的两个基本条件，与普通热管不同，脉动热管内部不是单纯的相变换热，而是集显热传热、相变换热、膨胀功于一体，涉及多物理学科，多参数的汽液两相流系统。
本发明提供的集成脉动芯片热管的制备方法如下：
1、将硅片置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在110～130℃的温度下浸泡10～15分钟，然后经过冲洗后再在氮气环境中加热10～15分钟，待除去硅片表面的杂质后再对其进行双面抛光处理；
2、将经过上述处理的硅片置于900～1100℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4～5L/min，氧化时间为350～450分钟，使硅片上生成一层均匀的厚度为4000的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，将热管构型的微型冷却通道、抽真空孔和冷却液灌注孔的图形显影到硅片上，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，形成微型冷却通道及抽真空孔和冷却液灌注孔，刻蚀速率为3200～3300/min；冷却通道可以分为开式和闭式两种；
3、将硼硅酸玻璃片在清洗液中清洗10～15分钟，然后利用激光精准钻孔工艺在指定位置分别钻出抽真空孔和冷却液灌注孔，再将玻璃片放入清洗液中冲洗1～2分钟，最后利用阳极扩散焊接工艺将硼硅酸玻璃片和刻蚀有微型冷却通道的硅片牢固键合在一起，构成集成脉动芯片。
4、检测微型冷却通道的流动性能。将蒸馏水从硼硅酸玻璃片的冷却液灌注孔注入，检验液体是否能够在微型通道中顺利流通，经检验符合要求后再将清洗液注入微型冷却通道中，反复冲洗1～2分钟。
5、冷却液体封装过程如下：首先用注射器将已去除溶解空气的冷却工质注满整个微型冷却通道回路，将抽真空孔用硅胶封好，使其完全与外界空气隔绝，将冷却液灌注孔用洁净的小玻璃片盖好；然后将集成脉动芯片放入盛有冷却工质的玻璃器皿中，并将玻璃器皿放入冰箱冷藏室，待硅胶固化后，将集成脉动芯片从冰箱取出，再通过缓慢加热使冷却工质气化后从冷却液灌注孔跑出，待集成脉动芯片微型冷却通道内剩余的冷却工质达到设定体积容量时，用硅胶将冷却液灌注孔封好。至此，完成本发明集成脉动芯片热管的制备。
本发明的充注过程简单可行，而且有效，充分考虑了集成脉动芯片微通道内液体微小容量的特点。操作过程同时要求结合显微镜进行观察。
本发明成功设计和制作了一个集成脉动芯片热管，由于具有脉动热管的优良散热性能以及微尺度效应下的强化换热能力，使得集成脉动芯片热管既能够克服传统散热方式的不足又能明显地达到强化换热的目的。
附图说明
图1为闭式集成脉动芯片热管半导体硅片结构图。
图1中，1为硅片，2为冷却液灌注孔，3为微型冷却通道，4为抽真空孔。
图2为开式集成脉动芯片热管半导体硅片结构图。
图2中，1为硅片，2为冷却液灌注孔，3为微型冷却通道，4为抽真空孔。
图3为闭式集成脉动芯片热管硼硅酸玻璃片结构图。
图3中，2为冷却液灌注孔，4为抽真空孔，5为硼硅酸玻璃片。
图4为开式集成脉动芯片热管硼硅酸玻璃片结构图。
图4中，2为冷却液灌注孔，4为抽真空孔，5为硼硅酸玻璃片。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
本发明的集成脉动芯片热管由硼硅酸玻璃片和刻蚀有微型冷却通道的硅片键合在一起而构成。其中，在硅片和硼硅酸玻璃接触的一面刻有闭式微型冷却通道或开式微型冷却通道，在硅片及硼硅酸玻璃片上相对应的位置钻有抽真空孔和冷却液灌注孔。
本发明的闭式集成脉动芯片热管半导体硅片结构如图1所示，硅片的一个面上利用微电子工艺蚀刻有热管构型微型冷却通道3、冷却液灌注孔2以及抽真空孔4。微型冷却通道3为闭式回路，通道界面为梯形或三角形，冷却液灌注孔2及抽真空孔4分别位于微型冷却通道3的两侧。
本发明的开式集成脉动芯片热管半导体硅片结构如图2所示，硅片的一个面上利用微电子工艺蚀刻有热管构型微型冷却通道3、冷却液灌注孔2以及抽真空孔4。微型冷却通道3为开式，通道界面为梯形或三角形，冷却液灌注孔2及抽真空孔4分别位于微型冷却通道3的两个端口。
图3为闭式集成脉动芯片热管硼硅酸玻璃片结构图。如图3所示，在硼硅酸玻璃片5上分别钻有抽真空孔4和冷却液体灌注孔2，硼硅酸玻璃片5上的抽真空孔4和冷却液体灌注孔2分别与闭式集成脉动芯片热管半导体硅片上的抽真空孔4和冷却液体灌注孔2的位置相对应。
图4为开式集成脉动芯片热管硼硅酸玻璃片结构图。如图3所示，在硼硅酸玻璃片5上分别钻有抽真空孔4和冷却液体灌注孔2，硼硅酸玻璃片5上的抽真空孔4和冷却液体灌注孔2分别与开式集成脉动芯片热管半导体硅片上的抽真空孔4和冷却液体灌注孔2的位置相对应。
以下以闭式集成脉动芯片热管为例，结合附图1和附图3，对本发明的制备方法作进一步的描述。
首先将硅片1置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在110～130℃的温度下浸泡10～15分钟，然后经过冲洗后再在氮气环境中加热10～15分钟，待除去硅表1面的杂质后对其进行双面抛光处理。
将经过上述处理过的硅片1置于900～1100℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4～5L/min，氧化时间为350～450分钟，使硅片1上生成一层均匀的厚度为4000的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，热管构型的微型冷却通道3、抽真空孔4和冷却液灌注孔2的图形显影到硅片1上，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，以形成微型冷却通道3及抽真空孔4和冷却液灌注孔2，刻蚀速率为3200～3300/min。
将硼硅酸玻璃片5在清洗液中清洗10～15分钟，然后利用激光精准钻孔工艺在指定位置分别钻出抽真空孔4和冷却液体灌注孔2，再将玻璃片5放入清洗液中冲洗1～2分钟，最后利用阳极扩散焊接工艺将硼硅酸玻璃片5和刻蚀有微型冷却通道3的硅片1牢固键合在一起，构成加热集成脉动芯片。
检测微型冷却通道的流动性能。将蒸馏水从硼硅酸玻璃片5的冷却液灌注孔2注入，检验液体是否能够在微型冷却通道3中顺利流通，经检验符合要求后再将清洗液注入微型冷却通道3中，反复冲洗1～2分钟。
进行冷却液体的封装，过程如下：首先用注射器将除去溶解空气的冷却工质注满整个微型冷却通道3的回路，将冷凝端的抽真空孔4用硅胶封好，使其完全与外界空气隔绝，另一端冷却液灌注孔2用洁净的小玻璃片盖好，然后放入盛有冷却工质的玻璃器皿中，并将玻璃器皿放入冰箱冷藏室，待硅胶固化后，将集成脉动芯片从冰箱取出，再缓慢加热集成脉动芯片的冷凝端，使冷却工质气化后从冷却液灌注孔2跑出，待集成脉动芯片微型冷却通道2内剩余的冷却工质占据一定体积容量时，用硅胶将冷却液灌注孔2封好。至此，完成了本发明的集成脉动芯片热管的制备。
本发明的充注过程简单可行，而且有效，充分考虑了集成脉动芯片微通道内液体微小容量的特点。操作过程要求结合显微镜进行观察。

Claims (2)

1、一种集成脉动芯片热管，其特征在于由硼硅酸玻璃片(5)和硅片(1)键合在一起而构成，其中，在与硼硅酸玻璃片(5)接触的硅片(1)表面刻有闭式微型冷却通道或开式微型冷却通道，在闭式微型冷却通道的两边或开式微型冷却通道的两个端口分别开有抽真空孔(4)和冷却液灌注孔(2)，在硼硅酸玻璃片上钻有抽真空孔(4)和冷却液灌注孔(2)分别与硅片上孔的位置对应。
2、一种权利要求1的集成脉动芯片热管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)首先将硅片(1)置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在110～130℃的温度下浸泡10～15分钟，然后经过冲洗后再在氮气环境中加热10～15分钟，除去硅片(1)表面的杂质后再进行双面抛光处理；
2)将经过上述处理的硅片(1)置于900～1100℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4～5L/min，氧化时间为350～450分钟，使硅片(1)上生成一层均匀的厚度为
Figure A2007100434390002C1
的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，将热管构型的微型冷却通道(3)、抽真空孔(4)和冷却液灌注孔(2)的图形显影到硅片(1)上，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，形成微型冷却通道(3)及抽真空孔(4)和冷却液灌注孔(2)，刻蚀速率为
Figure A2007100434390002C2
3)将硼硅酸玻璃片(5)在清洗液中清洗10～15分钟，然后利用激光精准钻孔工艺在指定位置分别钻出抽真空孔(4)和冷却液灌注孔(2)，再将玻璃片(5)放入清洗液中冲洗1～2分钟，最后利用阳极扩散焊接工艺将硼硅酸玻璃片(5)和刻蚀有微型冷却通道(3)的硅片(1)牢固键合在一起，构成集成脉动芯片；
4)将蒸馏水从冷却液灌注孔(2)注入，检验液体是否能够在微型冷却通道(3)中顺利流通，经检验符合要求后再将清洗液注入微型冷却通道(3)中，反复冲洗1～2分钟；
5)用注射器将除去溶解空气的冷却工质注满整个微型冷却通道(3)的回路，将抽真空孔(4)用硅胶封好，使其完全与外界空气隔绝，将冷却液灌注孔(2)用洁净的小玻璃片盖好；然后将集成脉动芯片放入盛有冷却工质的玻璃器皿中，并将玻璃器皿放入冰箱冷藏室，待硅胶固化后，将集成脉动芯片从冰箱取出，再通过缓慢加热使冷却工质气化后从冷却液灌注孔(2)跑出，待集成脉动芯片微型冷却通道(3)内剩余的冷却工质达到设定体积容量时，用硅胶将冷却液灌注孔(2)封好，完成集成脉动芯片热管的制备。
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