CN104540373A - 一种用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于智能手机冷却的低熔点合金硅基微型冷却器，其技术方案是在两个半导体硅片上分别刻蚀内含针肋阵列的腔槽、注液通道和注液孔，然后通过静电键合技术将两者键合为一体，并将熔点低于45℃的合金在熔化状态下通过注液孔和注液通道充注到硅基腔槽内形成微型冷却器。本发明的微型冷却器具有和智能手机相匹配的体积尺寸，而其内部的针肋阵列则能够有效提升低熔点合金的固液相变传热性能，使之有效保障智能手机工作于45℃的上限安全温度内。本发明的低熔点合金硅基微型冷却器能够直接与半导体芯片集成为一体，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于智能手机散热的高效冷却温控器件，尤其涉及一种低熔点合金硅基微型冷却器，属于微电子器件温控领域。
背景技术
随着大规模/超大规模集成电路技术的快速发展，电子元器件的物理尺寸越来越小，而功率则不断提高，由此导致微电子芯片工作热负荷增加并造成单位面积发热量过大的问题，严重影响整个系统的安全稳定性，缩短产品使用寿命。以近年来广泛流行的智能手机为例，芯片集成度和运行速度的不断提高有利于实现功能多元化并满足消费者需求，但由此却带来手机发热量日益突出的问题。特别是在夏季户外高温情况下，因散热困难手机温升过快将严重影响其工作性能，而当其表面温度超过45℃的人体耐热安全温度时，还将造成皮肤烫伤等安全问题。相对于电脑散热而言，智能手机的散热尺寸空间大幅减小，散热异常困难，目前已成为温控领域的难题，并引起国内外的关注。
鉴于智能手机冷却空间高度紧凑、上限允许温度低(45℃)的特点，如何寻找与之相匹配的有效温控手段成为当务之急。最近，Ge和Liu在《ASME Journal of Heat Transfer》(2013年135卷054503)上发表的“Keeping Smartphones Cool With Gallium Phase Change Material”(采用镓相变材料冷却智能手机)提出了通过使用液态金属镓实现智能手机冷却的方案。铯、镓和铷等液态金属及其合金具有在常温附近下即可实现固液转化的特点，相变温度低且可吸收大量热，而其热导率又远高于水、空气及许多非金属介质(如镓的导热率约为水的60倍)，使其具有优于传统流动工质的热传输能力，能够更好地解决高热流密度的冷却问题。
显然，低熔点合金对于已有的冷却方式而言是一个实质性的拓展，但与许多金属和半导体材料相比，低熔点合金的热导率仍相对偏低，如何进一步提高其热导率，使其在固液相变过程中快速吸收热量对其应用极为重要；同时，传统微型冷却器的体积仍大都难以满足智能手机高度紧凑的需要。基于上述原因，如何有效利用低熔点合金的上述优点、发展与之相匹配并适用于智能手机的微型冷却器已成为重要研究方向，具有极高的应用价值。
发明内容
针对智能手机冷却空间高度紧凑、散热上限安全温度低的要求，本发明提出了一种硅基腔体带内微肋阵列的微型冷却器，并通过把低熔点合金注入硅基腔体内，利用低熔点合金固液相变温度低、吸热量大和分布其间的硅微肋阵列可有效增强低熔点合金导热能力的特点，该硅基微型冷却器能够有效匹配智能手机的尺寸要求并最大限度提高其冷却温控效果，使之更加安全可靠。
本发明的原理为：一种内部腔体带微肋阵列并充注低熔点合金的硅基微型冷却器，室温情况下，硅基微型冷却器腔体内的低熔点合金处于固体状态，但当智能手机进入温度较高的环境中(比如夏季室外)并因其芯片工作散热困难而使温度升高接近45℃时低熔点合金将发生固液相变，开始熔化并快速吸收大量的热，在熔化过程完全结束之前的较长时间内可控制与硅基直接集成的手机芯片温度不会持续升高，维持在安全范围以内。当手机进入空调环境后，温度下降，低熔点合金释放热量，发生凝固，下次高温环境下将再次固液相变吸热。如此循环，可有效保障智能手机在高温环境下的稳定工作和减小对人体的健康危害。
本发明采用的技术方案为：一种用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，包括第一半导体硅片、第二半导体硅片；所述第一半导体硅片、第二半导体硅片通过高压静电键合为一体；所述的第一半导体硅片上有第一腔槽；所述第一腔槽内刻蚀有第一针肋阵列；所述第一腔槽两侧刻有与之相连通的注液通道；所述第二半导体硅片上有第二腔槽；所述第二腔槽内刻蚀有第二针肋阵列；所述第二腔槽两侧有注液孔；所述的第一针肋阵列和第二针肋阵列尺寸相同，所述的第一针肋阵列和第二针肋阵列中的针肋位置重合；所述的第一针肋阵列和第二针肋阵列之间充有低熔点合金；所述的注液孔与注液微通道的顶端位置相对应；所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器能够直接与半导体芯片集成为一体。上述方案通过高压静电键合技术，将刻蚀有针肋的两个硅片键合为一体，形成密封的硅基腔体结构，两硅片所带针肋顶面之间完全重合，连接硅基腔体内上、下表面。
作为本发明的进一步改进，所述第一针肋阵列和第二针肋阵列之间所充注的低熔点合金为镓铟合金或伍德铟合金。
优选地，所述伍德铟合金为含19.1％铟的伍德合金。
优选地，所述充注的低熔点合金体积占整个腔槽体积的95％。
优选地，所述的第一针肋阵列和第二针肋阵列为等间距顺排或叉排排列。
优选地，所述的第一针肋阵列和第二针肋阵列中的单个针肋横截面形状为圆形。
优选地，所述的第一针肋阵列和第二针肋阵列中的单个针肋横截面形状为正三角形或正方形。
优选地，本发明对于硅基腔体的尺寸选择，以针肋横截面为圆形，排列方式为顺排为例，半导体硅片长度取10～20mm，宽度为10～15mm，厚度为0.3mm或0.5mm；腔槽长度取10～15mm，宽度为8～15mm，深度为0.1～0.25mm；第一针肋阵列、第二针肋阵列中的单个针肋直径为0.1mm～0.3mm，针肋与相邻针肋间的中心距取0.3～0.6mm，针肋高度为0.1～0.25mm。
本发明通过加热可使低熔点合金发生固液相变，完全熔化为液态后即可注入微型冷却器腔体内。冷却器腔体内的针肋阵列可有效提高低熔点合金固液相转变过程的导热能力，能够快速吸收大量热量，使手机芯片的工作性能更加安全可靠。相比于现有技术，本发明的有益效果还具有以下几点：
(1)本发明中所述的低熔点合金较之无机相变材料具有导热能力强和使用寿命长等优点，长期熔化/凝固热循环后相变吸放热性能稳定。
(2)本发明中所述的硅基微型冷却器面积仅为数平方厘米，厚度为0.6mm或1mm，能够满足智能手机冷却空间高度紧凑的要求。
(3)本发明中所述的硅基微型冷却器结构简单，可复制性和移植性强，便于批量加工。
(4)本发明所述的硅基微型冷却器，结合低熔点合金相变温度低、吸热量大和针肋传热的优点，可使智能手机工作性能更加安全可靠。
(5)本发明所述的硅基微型冷却器，低熔点合金不腐蚀硅，不会因泄露而损害设备。(6)本发明中将硅基微型冷却器能与微电子芯片集成制作于一体，无需额外功耗而显著提高芯片的冷却效果和承载热负荷的能力。
附图说明
图1为本发明中构成低熔点合金硅基微型冷却器的第一半导体硅片结构图；
图2为本发明中构成低熔点合金硅基微型冷却器的第二半导体硅片结构图；
图3为本发明另一种实施例的第一半导体硅片的结构图；
图4为本发明另一种实施例的第二半导体硅片的结构图。
图中标号说明：1-第一半导体硅片；2-第一针肋阵列；3-第一腔槽；4-注液通道；5-第二半导体硅片；6-第二针肋阵列；7-第二腔槽；8-注液孔。
具体实施方式
为进一步了解本发明专利的内容，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明专利进行详细描述。
在本发明中，本硅基微型冷却器可与智能手机半导体芯片直接集成，主要通过针肋阵列内低熔点合金的固液相变实现对手机芯片的在高温环境下的直接冷却温控。本发明选用伍德铟合金作为低熔点充注液体，也可以选用镓铟合金。此外本发明对于硅基腔体的尺寸选择，以针肋横截面为圆形，排列方式为顺排为例，半导体硅片长度取10～20mm，宽度为10～15mm，厚度为0.3mm或0.5mm；腔槽长度取10～15mm，宽度为8～15mm，深度为0.1～0.25mm；第一针肋阵列、第二针肋阵列中的单个针肋直径为0.1mm～0.3mm，针肋与相邻针肋间的中心距取0.3～0.6mm，针肋高度为0.1～0.25mm。
本发明在操作中的具体实施过程为：首先将第一半导体硅片1、第二半导体硅片5均带有针肋阵列的一面通过高压静电键合在一起，然后对低熔点的合金进行加热，由于该合金的熔点低，加热至60℃后将迅速熔化，通过注射器吸取后即可通过放置在端面朝上的注液孔8注入注液通道4，液态下该合金在硅表面具有优异的延展性，使其能很快渗入硅基腔槽内，并均匀分布于针肋之间。为使该合金液化后能更快更均匀的充入腔槽内，在注液孔8另外一端将连接医用真空泵同时进行抽吸，待腔槽内部基本充满后，用密封胶将注液孔密封，由此完成充注封装步骤。
实施例1
如图1-2所示，本低熔点合金硅基微型冷却器中第一半导体硅片1与第二半导体硅片5通过高压静电键合为一体。第一半导体硅片1上有第一腔槽3；第一腔槽3内通过MEMS干刻技术刻蚀有第一针肋阵列2；第一腔槽3两侧刻有与之相连通的注液通道4；第二半导体硅片5上有第二腔槽7；第二腔槽7内刻蚀有第二针肋阵列6，第二针肋阵列6两侧通过激光打孔技术获得注液孔8，该注液孔8为贯穿的通孔；第一针肋阵列2和第二针肋阵列6的排列方式为等间距顺排；注液孔8与注液通道4的顶端位置相对应；从所述的注液通道4内充注95％体积分数的液态伍德铟合金(含19.1％铟的伍德合金)，该合金的熔化相变温度为43℃；由于该合金在硅表面的延展性好，加热完全熔化后用注射器通过注液孔并配合医用真空泵即可注入硅基腔槽内；最后，用密封胶将注液孔密封。
在图中，半导体硅片长度为15mm，宽度为11mm，厚度为0.3mm；腔槽的长度为10mm，宽度为9mm，深度为0.18mm；第一针肋阵列2和第二针肋阵列6内单个圆形针肋直径为0.2mm，针肋与相邻针肋间的中心距为0.6mm，针肋高度为0.18mm；注液通道4长度为2mm，宽度为0.6mm。
实施例2
如图3-4所示，同实施例1，所不同的是，第一针肋阵列2和第二针肋阵列6的排列方式由等间距顺排改为叉排排列。
实施例3
同实施例1，所不同的是，第一针肋阵列2和第二针肋阵列6中单个针肋的横截面形状为正方形。
实施例4
同实施例1、实施例3，所不同的是，第一针肋阵列2和第二针肋阵列6中单个针肋的横截面形状为正三角形。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其中针肋的直径、针肋间的中心距、针肋数量和高度均可根据实际需要而进行调整。虽然以上描述了本发明的一个具体实施方式，但本领域内的科技人员应当理解，这些实施实例可以做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (8)
1.一种用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，包括第一半导体硅片(1)、第二半导体硅片(5)；所述第一半导体硅片(1)、第二半导体硅片(5)通过高压静电键合为一体；
所述第一半导体硅片(1)上有第一腔槽(3)，所述第一腔槽(3)内刻蚀有第一针肋阵列(2)，所述第一腔槽(3)两侧刻有与之相连通的注液通道(4)；
所述第二半导体硅片(5)上有第二腔槽(7)，所述第二腔槽(7)内刻蚀有第二针肋阵列(6)，所述第二腔槽(7)两侧有注液孔(8)；
所述第一针肋阵列(2)和第二针肋阵列(6)尺寸相同，所述第一针肋阵列(2)和第二针肋阵列(6)中的针肋位置重合；所述第一针肋阵列(2)和第二针肋阵列(6)之间充有低熔点合金；所述注液孔(8)与注液通道(4)的顶端位置相对应；
所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器能够直接与半导体芯片集成为一体。
2.根据权利要求1所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，所述低熔点合金为镓铟合金或伍德铟合金。
3.根据权利要求2所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，所述伍德铟合金为含19.1％铟的伍德合金。
4.根据权利要求1或2所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，所述低熔点合金体积占整个腔槽体积的95％。
5.根据权利要求1所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，所述第一针肋阵列(2)和第二针肋阵列(6)为等间距顺排或叉排排列。
6.根据权利要求1所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，所述第一针肋阵列(2)和第二针肋阵列(6)中的单个针肋横截面形状为圆形。
7.根据权利要求1所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，所述第一针肋阵列(2)和第二针肋阵列(6)中的单个针肋横截面形状为正三角形或正方形。
8.根据权利要求1或6所述的用于智能手机散热的低熔点合金硅基微型冷却器，其特征在于，半导体硅片长度取10～20mm，宽度为10～15mm，厚度为0.3mm或0.5mm；腔槽长度取10～15mm，宽度为8～15mm，深度为0.1～0.25mm；第一针肋阵列(2)和第二针肋阵列(6)中的单个针肋直径为0.1mm～0.3mm，针肋与相邻针肋间的中心距取0.3～0.6mm，针肋高度为0.1～0.25mm。
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