CN111446221A - 一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器及其制造方法，以粘弹性流体为介质，包括键合密封的芯片衬底、隔板和供液底板。芯片衬底上设置有若干微槽和微柱；隔板上设置若干射流微孔和回流微孔；供液底板上设置有工质入口、分液区、若干供液微槽道、若干回液微槽道、集液区和工质出口。分液区与工质入口相连通，供液微槽道与分液区相连通，回液微槽道与集液区相连通，集液区与工质出口相连通。本发明的芯片级嵌入式微射流散热器将冷却液直接引导至芯片的芯片衬底之中，大幅降低了热源至流体的导热热阻；利用微孔射流冷却结构在流场中触发弹性湍流，实现低雷诺数下的微流体换热强化，从而大幅降低流动阻力，减小泵功消耗。
Description
技术领域
本发明属于半导体芯片散热领域，涉及一种适用于超高热流密度芯片的高效散热技术，具体涉及一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器及其制造方法。
背景技术
随着电子信息技术和微纳加工技术的快速发展，电子芯片性能、频率和集成度不断提高，尺寸却不断减小，使得电子芯片的热流密度迅猛增长。目前射频功率器件(如GaN功率器件)的平均热流密度已经超过了1kW/cm2，有源区局部热流密度则达到平均值的10倍以上。如何快速地将芯片热量从发热区向环境转移，降低芯片结温，从而提高芯片的工作性能、保证芯片安全已成为当今微电子技术领域面临的重要课题。从设计角度，芯片高效散热技术的开发使得芯片设计者能够减小设计裕量，从而在同类芯片的竞争中取得先机，为企业带来可观的经济效益。
针对超高热流密度芯片，传统常规尺度的风冷和液冷技术存在量级上的差距，且存在体积大、噪音大和能耗高等问题；沸腾换热利用汽化潜热实现热量传递，虽然具有较高的传热效率，但存在压力和流量的振荡问题。微通道散热技术是具有高效、高比表面积和高集成度等突出优点，已被国内外学者证明能够解决热流密度为1kW/cm2以上的散热问题，而阵列微射流能够对近壁面的热边界层形成剧烈扰动，换热效果更佳，热流密度能达到10kW/cm2以上。但是，目前国际上微射流孔道为几十微米至百微米量级，射流速度在10m/s量级，导致流动阻力显著高于微通道平流，同时流体中微颗粒对器件的磨损也将变得更加严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器及其制造方法，解决传统微射流换热技术流阻高、压降大和易磨损等瓶颈。本发明粘弹性流体为工质，通过设计嵌入式阵列微射流通道，在低Re数的流场中(特别是近壁面区域)触发弹性湍流，实现强化换热和降低流阻的双重收益。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，包括设置在芯片衬底下方的隔板，隔板下方设置有供液底板，芯片衬底与隔板、隔板与供液底板均键合密封；芯片衬底上设置有若干微槽，若干微槽位于芯片的有源区正下方；每个微槽内设置有呈阵列式排布的若干微柱，隔板上设置有呈阵列式排布的若干回流微孔和若干射流微孔，1个射流微孔和两个回流微孔为一个单元，每个单元对应于一个微槽；供液底板上设置有工质入口、分液区、集液区、工质出口、若干供液微槽道和若干回液微槽道，工质入口设置在供液底板的一端，工质出口设置在供液底板的另一端，工质入口与分液区相连通，分液区与若干供液微槽道相连通，若干回液微槽道与集液区相连通，集液区与工质出口相连通，供液微槽道的一侧设置有一个回液微槽道，另一侧设置有一个回液微槽道；射流微孔位于供液微槽道的上方，回流微孔位于回液微槽道上方，微槽位于射流微孔和回流微孔的上方。
本发明进一步的改进在于，微柱等间距排布，微柱的高度小于微槽的高度；芯片衬底材料为Si、SiC或金刚石，隔板材料为Si或SiC；供液底板材料为Si或铜。
本发明进一步的改进在于，微槽宽度为100～200μm，微槽长度为200～500μm，微槽深度为100～200μm；微柱高度为50～100μm，微柱长度和宽度为20～50μm；工质入口、工质出口、分液区、集液区、供液微槽道和回液微槽道的深度均为100～300μm；供液微槽道和回液微槽道的宽度为50～120μm，供液微槽道与回液微槽道之间设置有微槽道间隔，微槽道间隔宽度为30～80μm。
本发明进一步的改进在于，隔板位于芯片衬底正下方，供液底板位于隔板的正下方；回流微孔为若干排，射流微孔为若干排，每两排回流微孔之间设置一排射流微孔；射流微孔和回流微孔为圆形，射流微孔和回流微孔的直径为50～120μm；分液区与供液微槽道采用圆弧过渡，回液微槽道与集液区采用圆弧过渡；工质入口中流入的工质为粘弹性流体。
本发明进一步的改进在于，粘弹性流体为质量浓度为0.001％～0.1％的高分子聚合物溶液或表面活性剂溶液。
本发明进一步的改进在于，高分子聚合物为聚丙烯酰胺、聚乙烯氧化物或聚异丁烯，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵或N,N,N-三甲胺-N'-油酸酰亚胺。
本发明进一步的改进在于，工作时，工质从供液底板上的工质入口进入，经分液区进入供液微槽道，然后经隔板上的射流微孔进入芯片衬底上的微槽中，工质冲刷微槽的上表面和微柱的表面完成换热，然后经回流微孔进入回液微槽道，最后经集液区和工质出口流出。
一种如上述的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在芯片有源区制备保护层，在有源区正面绑定临时载片；
步骤二：在有源区正下方的芯片衬底上刻蚀若干微槽和微柱；
步骤三：在隔板上刻蚀若干贯通的阵列式射流微孔和回流微孔；
步骤四：利用干法刻蚀技术在供液底板上加工工质入口、工质出口、分液区、集液区、供液微槽道和回液微槽道；
步骤五：将芯片衬底与隔板、隔板与供液底板分别键合密封，形成嵌入式阵列微射流冷却结构，移除临时载片和有源区上的保护层。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，保护层为SiO2或AlN；步骤二中，采用飞秒激光加工技术在有源区正下方的芯片衬底上刻蚀若干微槽和微柱；步骤三中，利用飞秒激光技工技术或干法刻蚀技术在隔板上刻蚀若干贯通的阵列式射流微孔和回流微孔；步骤五中，芯片衬底与隔板的键合为表面活化直接键合或通过过渡层键合；隔板和供液底板的键合采用过渡层键合。
本发明进一步的改进在于，芯片衬底与隔板之间的过渡层为SiO2或AlN；隔板和供液底板之间的过渡层为SiO2或金属焊料。
与现有技术相比，本发明具有以下显著有益效果：
(1)本发明提供了阵列微射流散热器，在芯片衬底刻蚀微槽和微柱，利用键合工艺将阵列微射流散热器与芯片衬底直接键合形成一体化散热结构，减小热量从有源区至流体的传导热阻，提高换热效率和紧凑性；
(2)芯片衬底微槽中的微柱既可作为单相流动换热的微肋和扰动源，又可作为相变换热条件下的汽化核心，降低沸腾换热的起始点，可以强化单相和相变换热；
(3)嵌入式阵列微射流散热结构具备触发弹性湍流的两大有利因素：流体经微孔射入冷却空腔的截面突扩效应和壁面对射流形成的反作用力。在两个因素的协同作用下，粘弹性流体中的分子微结构被拉伸和扭转，在低雷诺数下对近壁面的热边界层形成强烈扰动，实现低流阻高效换热；
(4)阵列式布置的微射流结构既保证了较高的传热效率，又实现均温效果，降低了热应力，提高了电子器件的安全可靠性。
(5)本发明中，将冷却液直接引导至芯片的芯片衬底之中，大幅降低了热源至流体的导热热阻；利用微孔射流和微柱相结合的冷却结构在流场中(特别是近壁面处)触发弹性湍流，实现低雷诺数下的微流体换热强化，从而大幅降低流动阻力，减小泵功消耗。
附图说明
图1是本发明的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器组装图。
图2是图1中沿A-A线的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器侧剖图。
图3是本发明的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器俯视图。
图4是本发明的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的芯片衬底的结构示意图。其中，(a)为芯片衬底，(b)为图(a)中虚线方框处的放大图。
图5是本发明的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的隔板的结构示意图。
图6是本发明的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的供液底板的结构示意图。
其中，1、芯片衬底；1-1、微槽；1-2、微柱；2、隔板；2-1、回流微孔；2-2、射流微孔；3、供液底板；3-1、工质入口；3-2、分液区；3-3、供液微槽道；3-4、微槽道间隔；3-5、回液微槽道；3-6、集液区；3-7、工质出口，4、有源区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
为降低阵列微射流散热技术的流动压降，提高器件的安全可靠性，本发明从射流通道结构优化和微射流换热过程强化两个方面入手。微射流技术优异的换热能力源于流体速度场梯度与壁面的温度场梯度的高度协同性(夹角接近0度)，流体冲击壁面对热边界层形成强烈扰动，有效降低热阻。提高流体惯性(流速)能够增强扰动效果，达到强化换热的目的，但流动压降也剧增。弹性湍流依靠粘弹性流体内部的微观结构弹性失稳而产生，能够在低雷诺数下被触发，在微射流换热强化方面极具前景。
参见图1至图6，本发明的目的在于利用弹性湍流与微射流的协同作用，开发低流阻芯片级嵌入式阵列微射流散热技术，实现对超高热流密度芯片的高效热管理。本发明提供的一种低流阻芯片级嵌入式阵列微射流散热器，包括粘弹性流体工质和嵌入式阵列微射流散热器。参见图1至图2，嵌入式阵列微射流散热器包括由上向下设置的芯片衬底1、隔板2和供液底板3，芯片衬底1与隔板2、隔板2与供液底板3均键合密封。参见图4中(a)和(b)，有源区4正下方的芯片衬底1上设置有若干微槽1-1，若干微槽1-1位于芯片的有源区正下方；每个微槽1-1内设置有若干微柱1-2，并且若干微柱1-2呈阵列式排布在微槽1-1中，微柱1-2等间距排布，微柱与微槽不等深，具体的，微柱的高度小于微槽的高度。参见图5，隔板2位于芯片衬底1正下方，隔板2上设置有呈阵列式排布的若干回流微孔2-1和若干射流微孔2-2，回流微孔2-1和射流微孔2-2贯穿隔板2，具体的，本发明中设置4排回流微孔2-1，分别为第一排回流微孔、第二排回流微孔、第三排回流微孔与第四排回流微孔，其中，第一排回流微孔与第二排回流微孔之间设置一排射流微孔，第三排回流微孔与第四排回流微孔之间设置一排射流微孔。其中，1个射流微孔2-2和两个回流微孔2-1为一个单元，每个单元对应于一个微槽1-1。参见图6，供液底板位于隔板的正下方，供液底板3上设置有工质入口3-1、分液区3-2、供液微槽道3-3、微槽道间隔3-4、回液微槽道3-5、集液区3-6和工质出口3-7，其中，工质入口3-1设置在供液底板3的一端，工质出口3-7设置在供液底板3的另一端，工质入口3-1与分液区3-2相连通，分液区3-2与若干供液微槽道3-3相连通，并且分液区3-2与供液微槽道3-3采用圆弧过渡；若干回液微槽道3-5与集液区3-6相连通，并且回液微槽道3-5与集液区3-6采用圆弧过渡；供液微槽道与回液微槽道不连通。集液区3-6与工质出口3-7相连通，供液微槽道3-3与回液微槽道3-5之间设置有微槽道间隔3-4，即供液微槽道3-3与回液微槽道3-5被微槽道间隔3-4隔断，每个供液微槽道3-3对应两个回液微槽道3-5，即供液微槽道3-3的一侧设置有一个回液微槽道3-5，另一侧设置有一个回液微槽道3-5。射流微孔2-2位于供液微槽道3-3的上方，回流微孔2-1位于回液微槽道3-5上方，微槽1-1位于射流微孔2-2和回流微孔2-1的上方。
回流微孔2-1和回流微孔2-1也可以采用其他的阵列式排布。
粘弹性流体为高分子聚合物或表面活性剂溶液，质量浓度为0.001％～0.1％。高分子聚合物为聚丙烯酰胺、聚乙烯氧化物或聚异丁烯等，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵或N,N,N-三甲胺-N'-油酸酰亚胺等。
微槽和微柱尺寸为几十到几百微米。回流微孔2-1和射流微孔2-2的直径为几十到几百微米。供液微槽道和回液微槽道的直径为几十到几百微米
参见图6与图2，工作时，工质从供液底板3上的工质入口3-1进入，经分液区3-2进入供液微槽道3-3，然后经隔板2上的射流微孔2-2进入芯片衬底1上的微槽1-1中，工质冲刷微槽1-1的上表面和微柱1-2的表面完成换热，然后经回流微孔2-1进入回液微槽道3-5，最后经集液区3-6和工质出口3-7流出。
本发明采用的工质为粘弹性流体。
芯片衬底1材料可为Si、SiC或金刚石，在超高热流密度的功率器件中，芯片衬底材料优选为高导热率的金刚石；隔板2材料可为Si或SiC；供液底板3材料可为Si或铜。芯片衬底1与隔板2、隔板2与供液底板3均通过键合技术进行密封连接。
一种如上述的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：分别设计芯片衬底1、隔板2和供液底板3上微结构的空间分布图形和尺寸；
步骤二：在芯片有源区4制备保护层，采用键合技术在有源区4正面绑定临时载片，保护层可为SiO2或AlN；
步骤三：利用飞秒激光加工技术在有源区正下方的芯片衬底上刻蚀若干微槽1-1和微柱1-2，微槽1-1宽度为100～200μm，微槽1-1长度为200～500μm，微槽1-1深度为100～200μm，微柱1-2高度为50～100μm，微柱1-2长度和宽度为20～50μm。
步骤四：利用飞秒激光技工技术或干法刻蚀技术在隔板2上刻蚀若干贯通的阵列式射流微孔2-2和回流微孔2-1，射流微孔2-2和回流微孔2-1为圆形，射流微孔2-2和回流微孔2-1的直径为50～120μm，参见图5，横向相邻回流微孔2-1与回流微孔2-1的间距、横向相邻射流微孔2-2与射流微孔2-2的间距、向相邻回流微孔2-1与回流微孔2-1的间距以及相邻回流微孔2-1和射流微孔2-2的间距(圆心距)均为75～190μm。
步骤五：利用干法刻蚀技术在供液底板上加工工质入口、工质出口、分液区、集液区、供液微槽道和回液微槽道，刻蚀深度均为100～300μm，供液微槽道和回液微槽道的宽度与隔板上的微孔直径相等，为50～120μm，微槽道间隔宽度为30～80μm。
步骤六：利用键合技术将芯片衬底与隔板、隔板与供液底板分别键合密封，形成嵌入式阵列微射流冷却结构，移除临时载片和有源区4上的保护层。芯片衬底与隔板的键合可为表面活化直接键合或通过几纳米的过渡层键合，过渡层可为SiO2或AlN；隔板和供液底板的键合可采用过渡层键合，过渡层可为SiO2或金属焊料。
下面结合实施例对本发明做详细描述：
本发明包括芯片衬底1、隔板2以及供液底板3，芯片衬底1上阵列式布置了微槽1-1和微柱1-2，隔板2上阵列布置了回流微孔2-1和射流微孔2-2，供液底板3上布置了工质入口3-1、分液区3-2、供液微槽道3-3、微槽道间隔3-4、回液微槽道3-5、集液区3-6和工质出口3-7。参见图2和图3，散热器长度(散热器长度即芯片衬底1的长度，芯片衬底1、隔板2与供液底板3长度相同)A＝20mm，宽度B＝10mm，芯片衬底1上微槽1-1区域、隔板2上的设置微孔2-1和射流微孔2-2区域和供液底板3上的设置供液微槽道3-3和回液微槽道3-5区域的长度C＝5mm，宽度D＝5mm。芯片衬底1的厚度T1＝200～300μm，微槽1-1的宽度W1＝100～200μm，长度E＝200～500μm，深度H1＝100～200μm，间距D1＝30～80μm，微柱1-2的宽度Wp＝20～50μm，长度Lp＝20～50μm，高度Hp＝50～100μm，间距Sp＝30～80μm。隔板2的厚度T2＝200～500μm，回流微孔2-1的直径为Dout＝50～120μm和射流微孔2-2的直径Din＝50～120μm，回流微孔2-1与射流微孔2-2横向间距和纵向间距(圆心距)均为75～190μm。供液底板3的厚度T3＝200～300μm，刻蚀深度H3＝100～300μm，供液微槽道3-3和回液微槽道3-5的宽度与隔板上的回流微孔2-1与射流微孔2-2微孔直径相等，为Wc＝50～120μm，微槽道间隔宽度Ws＝30～80μm。
本发明的芯片级嵌入式微射流散热器将冷却液直接引导至芯片的芯片衬底之中，大幅降低了热源至流体的导热热阻；利用微孔射流和微柱相结合的冷却结构在流场中(特别是近壁面处)触发弹性湍流，实现低雷诺数下的微流体换热强化，从而大幅降低流动阻力，减小泵功消耗；同时整列微射流的换热方式既保证了较高的传热效率，又实现均温效果，降低了热应力，提高了电子器件的安全可靠性。
Claims (10)
1.一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，其特征在于，包括设置在芯片衬底(1)下方的隔板(2)，隔板(2)下方设置有供液底板(3)，芯片衬底(1)与隔板(2)以及隔板(2)与供液底板(3)均键合密封；芯片衬底(1)上设置有若干微槽(1-1)，若干微槽(1-1)位于芯片的有源区正下方；每个微槽(1-1)内设置有呈阵列式排布的若干微柱(1-2)，隔板(2)上设置有呈阵列式排布的若干回流微孔(2-1)和若干射流微孔(2-2)，1个射流微孔(2-2)和两个回流微孔(2-1)为一个单元，每个单元对应于一个微槽(1-1)；供液底板(3)上设置有工质入口(3-1)、分液区(3-2)、集液区(3-6)、工质出口(3-7)、若干供液微槽道(3-3)和若干回液微槽道(3-5)，工质入口(3-1)设置在供液底板(3)的一端，工质出口(3-7)设置在供液底板(3)的另一端，工质入口(3-1)与分液区(3-2)相连通，分液区(3-2)与若干供液微槽道(3-3)相连通，若干回液微槽道(3-5)与集液区(3-6)相连通，集液区(3-6)与工质出口(3-7)相连通，供液微槽道(3-3)的一侧设置有一个回液微槽道(3-5)，另一侧设置有一个回液微槽道(3-5)；射流微孔(2-2)位于供液微槽道(3-3)的上方，回流微孔(2-1)位于回液微槽道(3-5)上方，微槽(1-1)位于射流微孔(2-2)和回流微孔(2-1)的上方。
2.根据权利要求1所述的一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，其特征在于，微柱(1-2)等间距排布，微柱(1-2)的高度小于微槽(1-1)的高度；芯片衬底(1)材料为Si、SiC或金刚石，隔板(2)材料为Si或SiC；供液底板(3)材料为Si或铜。
3.根据权利要求1所述的一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，其特征在于，微槽(1-1)宽度为100～200μm，微槽(1-1)长度为200～500μm，微槽(1-1)深度为100～200μm；微柱(1-2)高度为50～100μm，微柱(1-2)长度和宽度为20～50μm；工质入口、工质出口、分液区、集液区、供液微槽道和回液微槽道的深度均为100～300μm；供液微槽道和回液微槽道的宽度为50～120μm，供液微槽道(3-3)与回液微槽道(3-5)之间设置有微槽道间隔(3-4)，微槽道间隔宽度为30～80μm。
4.根据权利要求1所述的一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，其特征在于，隔板(2)位于芯片衬底(1)正下方，供液底板(3)位于隔板(2)的正下方；回流微孔(2-1)为若干排，射流微孔(2-2)为若干排，每两排回流微孔(2-1)之间设置一排射流微孔(2-2)；射流微孔(2-2)和回流微孔(2-1)为圆形，射流微孔(2-2)和回流微孔(2-1)的直径为50～120μm；分液区(3-2)与供液微槽道(3-3)采用圆弧过渡，回液微槽道(3-5)与集液区(3-6)采用圆弧过渡；工质入口(3-1)中流入的工质为粘弹性流体。
5.根据权利要求4所述的一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，其特征在于，粘弹性流体为质量浓度为0.001％～0.1％的高分子聚合物溶液或表面活性剂溶液。
6.根据权利要求5所述的一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，其特征在于，高分子聚合物为聚丙烯酰胺、聚乙烯氧化物或聚异丁烯，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵或N,N,N-三甲胺-N'-油酸酰亚胺。
7.根据权利要求1所述的一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器，其特征在于，工作时，工质从供液底板(3)上的工质入口(3-1)进入，经分液区(3-2)进入供液微槽道(3-3)，然后经隔板(2)上的射流微孔(2-2)进入芯片衬底(1)上的微槽(1-1)中，工质冲刷微槽(1-1)的上表面和微柱(1-2)的表面完成换热，然后经回流微孔(2-1)进入回液微槽道(3-5)，最后经集液区(3-6)和工质出口(3-7)流出。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在芯片有源区(4)制备保护层，在有源区(4)正面绑定临时载片；
步骤二：在有源区正下方的芯片衬底(1)上刻蚀若干微槽(1-1)和微柱(1-2)；
步骤三：在隔板(2)上刻蚀若干贯通的阵列式射流微孔(2-2)和回流微孔(2-1)；
步骤四：采用干法刻蚀技术在供液底板上加工工质入口、工质出口、分液区、集液区、供液微槽道和回液微槽道；
步骤五：将芯片衬底与隔板、隔板与供液底板分别键合密封，形成嵌入式阵列微射流冷却结构，移除临时载片和有源区(4)上的保护层。
9.一种根据权利要求8所述的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的制造方法，其特征在于，步骤一中，保护层为SiO2或AlN；步骤二中，采用飞秒激光加工技术在有源区正下方的芯片衬底(1)上刻蚀若干微槽(1-1)和微柱(1-2)；步骤三中，利用飞秒激光技工技术或干法刻蚀技术在隔板(2)上刻蚀若干贯通的阵列式射流微孔(2-2)和回流微孔(2-1)；步骤五中，芯片衬底与隔板的键合为表面活化直接键合或通过过渡层键合；隔板和供液底板的键合采用过渡层键合。
10.一种根据权利要求9所述的低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器的制造方法，其特征在于，芯片衬底(1)与隔板(2)之间的过渡层为SiO2或AlN；隔板(2)和供液底板(3)之间的过渡层为SiO2或金属焊料。
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