CN108666283A - 一种微通道散热器结构及其制备方法 - Google Patents

一种微通道散热器结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微通道散热器结构及其制备方法，包括内埋流道和进/出液口，设置于键合在一起的A硅片和B硅片中的A硅片内；还包括开口流道和分流流道；所述开口流道设置于B硅片中，与A硅片中的部分内埋流道一一对应并相通；所述开口流道贯穿B硅片；所述分流流道设置于散热器内部，与内埋流道和进/出液口相通。与现有技术相比，散热更均匀，散热效果更强，散热热流密度大于600W/cm2。当热流密度为600W/cm2时，散热器表面芯片的温升小于40℃。

Description

一种微通道散热器结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微通道散热器结构及其制备方法，涉及微电子散热技术领域。
背景技术
随着芯片功率的增大和集成度的提升，芯片的发热量显著增大；传统的远程散热技术已经不能满足大功率芯片的散热需求。散热能力不足，会导致芯片效率降低，甚至导致芯片失效；因此，有必要采用更高效率的冷却技术。
微流体散热技术是一种新兴的嵌入式芯片级增强冷却技术。它通过微尺度的连续流体对芯片进行直接冷却，最大限度地降低了远程散热模式中各热沉间热阻对散热效率的影响，从而大幅度提升芯片的冷却效率。
基于硅材料的MEMS加工技术日益成熟，可以实现数微米到数百微米尺寸微结构的加工。业内常用深硅干法刻蚀工艺、晶圆键合工艺等来制备硅基微通道散热器。由于硅材料与芯片的热膨胀系数相近，使用硅基微通道还能缓解高温过程中热应力不匹配对芯片的破坏。
目前，关于硅基微通道散热技术的专利很多，如CN1558448A、CN103839905A等。但是，微通道散热器的散热能力与其结构和制备工艺紧密相关，普通的硅基微流道结构简单、散热效率较低，不能满足未来芯片散热的需求。
发明内容
本发明提供了一种高效的微通道散热器结构，增强了散热效果，散热能力更均匀。
根据本发明提供的一种微通道散热器结构，包括内埋流道和进/出液口，设置于键合在一起的A硅片和B硅片中的A硅片内；其特征在于：还包括开口流道和分流流道；所述开口流道设置于B硅片中，与A硅片中的部分内埋流道一一对应并相通；所述开口流道贯穿B硅片；所述分流流道设置于散热器内部，与内埋流道和进/出液口相通。
所述分流流道为刻蚀的分流流道侧壁之间所形成的大面积相通的通道。
所述部分内埋流道为不包含任意相对两侧边缘部分内埋流道的中间部分内埋流道，或不包含四周边缘部分内埋流道的中间部分内埋流道。
所述分流流道由进/出液口导向内埋流道。
所述分流流道均匀布置。
所述开口流道的宽度与内埋流道的宽度相同。
所述内埋流道的宽度为5µm ~100µm，深度为30µm ~500µm。
所述分流流道设置于A硅片内部。
一种微通道散热器结构制备方法，用于制备上述微通道散热器结构，具体方法包括：
（1）提供待键合在一起制备微通道散热器的A硅片和B硅片；
（2）在A硅片和B硅片待键合的表面各生长一层SiO2，并控制其表面粗糙度以便于A硅片和B硅片的键合；
（3）在A硅片生长有SiO2的一侧表面刻蚀内埋流道和分流流道结构，并在A硅片另一表面刻蚀与所述分流流道相通的进/出液口；所述另一表面为与A硅片生长有SiO2的一侧表面相对的表面；
（4）将B硅片和刻蚀有内埋流道、进/出液口和分流流道结构的A硅片键合在一起得到具有内埋流道结构的C硅片；
（5）在B硅片远离其键合表面的表面刻蚀开口流道，并保证所述开口流道与所述部分内埋流道一一对应并相通。
所述（2）中，使用化学机械抛光技术控制其表面粗糙度。
所述（4）中，使用SiO2熔融键合工艺实现A硅片和B硅片的键合。
与现有技术相比，散热更均匀，散热效果更强，散热热流密度大于600W/cm2。当热流密度为600W/cm2时，散热器表面芯片的温升小于40℃。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的微通道散热器结构示意图。
图2为本发明其中一实施例的微通道散热器结构分解示意图。
图3为本发明其中一实施例的微通道散热器结构制备过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1到图3所示，根据本发明提供的一种微通道散热器结构，包括内埋流道2和进/出液口4，设置于键合在一起的A硅片和B硅片中的A硅片内；还包括开口流道1和分流流道3；所述开口流道1设置于B硅片中，与A硅片中的部分内埋流道2一一对应并相通；所述开口流道1贯穿B硅片；所述分流流道3设置于散热器内部，与内埋流道2和进/出液口4相通。
如图1和图2所示，开口流道1设置在B硅片的中部，且开口区域小于内埋区域，与A硅片中的部分内埋流道2一一对应，从而增强中间开口的散热效果。设置分流流道3，使冷却液在内埋流道和进/出液口4之间的流散更均匀，从而使散热更均匀。
作为本发明的一种具体实施方式，如图2所示，所述分流流道3为刻蚀的分流流道侧壁5之间所形成的大面积相通的通道。
所述部分内埋流道为不包含任意相对两侧边缘部分内埋流道的中间部分内埋流道，或不包含四周边缘部分内埋流道的中间部分内埋流道。所述部分内埋流道可以为如图2所示不保护上下相对两侧边缘部分内埋流道的中间部分流道，也可以是不包含左右相对两侧边缘部分内埋流道的中间部分流道，也可以是不包含上下左右四周边缘部分内埋流道的中间部分内埋流道。作为本发明的一种实施方式，图2和图3中的实施方式为不包含上下相对两侧边缘部分内埋流道的中间部分流道。
所述分流流道3由进/出液口4导向内埋流道2。作为本发明的一种实施方式，如图2所示，分流流道侧壁5所分割形成的分流流道3一端开口朝向进/出液口4，另一端开口朝向内埋流道2。
作为本发明的一种实施方式，所述分流流道3均匀布置，以使冷却液在内埋流道2和进/出液口4之间的流散均匀。
作为本发明的一种实施方式，所述开口流道1的宽度与内埋流道2的宽度相同。
所述内埋流道2的宽度为5µm ~100µm，深度为30µm ~500µm。优选地，所述内埋流道2的宽度为10µm ~50µm，深度为100µm ~300µm。作为本发明的一种实施方式，宽度为50 µm，深度为300 µm。
作为本发明的一种实施方式，所述分流流道3与内埋流道2的深度相同。
作为本发明的一种实施方式，所述分流流道3设置于A硅片内部。
如图3所示，一种微通道散热器结构制备方法，用于制备上述微通道散热器结构，具体方法包括：
（1）提供待键合在一起制备微通道散热器的A硅片和B硅片；
（2）在A硅片和B硅片待键合的表面各生长一层SiO2，并控制其表面粗糙度以便于A硅片和B硅片的键合；
（3）在A硅片生长有SiO2的一侧表面刻蚀内埋流道2和分流流道3结构，并在A硅片另一表面刻蚀与所述分流流道相通的进/出液口4；所述另一表面为与A硅片生长有SiO2的一侧表面相对的表面；
（4）将B硅片和刻蚀有2内埋流道、进/出液口4和分流流道3结构的A硅片键合在一起得到具有内埋流道结构的C硅片；
（5）在B硅片远离其键合表面的表面刻蚀开口流道1，并保证所述开口流道1与所述部分内埋流道一一对应并相通，得到高效率的微通道散热器结构。
作为本发明的一种实施方式，所述（2）中，使用化学机械抛光技术控制其表面粗糙度。
作为本发明的一种实施方式，所述（4）中，使用SiO2熔融键合工艺实现A硅片和B硅片的键合。
本发明技术方案通过分步刻蚀工艺，制备开口微流道与闭口微流道相结合的高散热效率微通道散热器结构，散热器散热效果更强，散热热流密度大于600W/cm2；通过添加分流流道，增强微通道散热器内流体的均匀性，提升散热器散热的均匀性，散热更均匀。
在芯片底部设置上述微通道散热器，芯片底部直接连接开口流道；开口流道周围分布有内埋流道；冷却液体从进液口进入，经分流流道到达内埋流道和开口流道，再从出液口循环流出。将大功率芯片焊接在微流道开口区域，使用去离子水作为冷却工质，对其散热性能进行测试：当热流密度为600W/cm2时，散热器表面芯片的温升小于40℃，即芯片表面温度最高点和最低点差值小于40℃。而普通的微通道散热器，只能解决热流密度为400W/cm2的散热问题。

Claims (9)

1.一种微通道散热器结构，包括内埋流道和进/出液口，设置于键合在一起的A硅片和B硅片中的A硅片内；其特征在于：还包括开口流道和分流流道；所述开口流道设置于B硅片中，与A硅片中的部分内埋流道一一对应并相通；所述开口流道贯穿B硅片；所述分流流道设置于散热器内部，与内埋流道和进/出液口相通。
2.根据权利要求1所述的微通道散热器结构，其特征在于：所述分流流道为刻蚀的分流流道侧壁之间所形成的大面积相通的通道。
3.根据权利要求1所述的微通道散热器结构，其特征在于：所述部分内埋流道为不包含任意相对两侧边缘部分内埋流道的中间部分内埋流道，或不包含四周边缘部分内埋流道的中间部分内埋流道。
4.根据权利要求1所述的微通道散热器结构，其特征在于：所述分流流道由进/出液口导向内埋流道。
5.根据权利要求1所述的微通道散热器结构，其特征在于：所述分流流道均匀布置。
6.根据权利要求1所述的微通道散热器结构，其特征在于：所述开口流道的宽度与内埋流道的宽度相同。
7.根据权利要求1所述的微通道散热器结构，其特征在于：所述内埋流道的宽度为5µm~100µm，深度为30µm ~500µm。
8.根据权利要求1到7之一所述的微通道散热器结构，其特征在于：所述分流流道设置于A硅片内部。
9.一种微通道散热器结构制备方法，用于制备上述微通道散热器结构，具体方法包括：
提供待键合在一起制备微通道散热器的A硅片和B硅片；
在A硅片和B硅片待键合的表面各生长一层SiO2，并控制其表面粗糙度以便于A硅片和B硅片的键合；
在A硅片生长有SiO2的一侧表面刻蚀内埋流道和分流流道结构，并在A硅片另一表面刻蚀与所述分流流道相通的进/出液口；所述另一表面为与A硅片生长有SiO2的一侧表面相对的表面；
将B硅片和刻蚀有内埋流道、进/出液口和分流流道结构的A硅片键合在一起得到具有内埋流道结构的C硅片；
在B硅片远离其键合表面的表面刻蚀开口流道，并保证所述开口流道与所述部分内埋流道一一对应并相通。
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