CN114046627A - 一种具有双层螺旋水道的水冷装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置及其制备方法，所述水冷装置包括主体和盖板，所述主体的内部设置有双层螺旋水道，所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的30％～45％；所述制备方法包括对主体内部的双螺旋水道的表面进行打磨处理，得到半成品主体；将半成品主体与盖板进行焊接处理，得到半成品水冷装置；所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置。本发明所述具有双层螺旋水道的水冷装置的内部水道结构设计合理，焊接稳定率高，冷却效果好，适合大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体生产设备技术领域，尤其涉及一种具有双层螺旋水道的水冷装置及其制备方法。
背景技术
半导体晶圆在制备过程中需要相应的冷却设备，如：水冷盘，其内部设有冷却水道。由于冷却水道的结构比较复杂，现有的水冷盘存在冷却效率低，易漏水和使用寿命短等问题。
CN207338314U公开了一种冷却盘组件，包括冷却盘和冷却盘底板，冷却盘与冷却盘底板相对扣合固定；冷却盘的与冷却盘底板相对的一面设有冷却剂凹槽和第一密封沟槽，冷却盘底板的与冷却盘相对的一面设有第二密封沟槽；冷却盘和冷却盘底板之间还设置有密封垫，密封垫将冷却剂凹槽、第一密封沟槽和第二密封沟槽均覆盖，用于防止冷却剂凹槽内的冷却剂漏出。冷却盘的用于放置晶片的第二面设有辅助冷却凹槽，第一密封沟槽和第二密封沟槽的纵截面均为三角形且相互错开设置。但是该冷却盘组件的冷却剂凹槽的整体面积较小，冷却效果较差。
CN111403320A公开了一种冷却盘体及其制备方法，所述冷却盘体内部的水道为圆环形水道和米字形水道的组合形状，所述米字形水道为圆环形水道内部，且所述米字形水道的各分支分别独立地与圆环形水道连通。米字形水道的相邻三个分支水道的末端相连形成第一水道组，其余三个分支水道的末端相连形成第二水道组，第一水道组与第二水道组通过圆环水道相连通。该冷却盘体的水道结构需要消耗大量的冷却水，且水道内湍流严重，冷却效果较差。
CN110405474A公开了一种冷却盘体中水道的表面处理方法及冷却盘体的制造方法，所述冷却盘体上安装有辅助流道体，辅助流道体上设有第一流道和第二流道，第一流道与进口连通，第二流道与出口连通；容器的出液口对准第一流道远离所述冷却盘体的流道口。所述表面处理方法为：将装有钝化液的容器的出液口对准冷却盘体中的水道进口，在压力作用下将容器内的钝化液注入水道中，直至水道的出口有钝化液流出；保持钝化液在水道中停留，使水道完全钝化；采用压力元件将钝化液从水道中吹出；对钝化后的冷却盘体进行干燥。所述表面处理方法通过钝化提高了冷却盘体的抗腐蚀性能，但水道的表面积较小，冷却效果较差。
因此，需要提供一种具有新型结构的水冷装置，使其不仅具有较大的水道面积，冷却效果好，而且能够保证焊接面积在合适范围，不会出现漏水等问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置及其制备方法，从水道结构与焊接结构设计两方面有效的解决水冷装置加工困难，冷却效率低以及冷热分布不均匀等问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，所述水冷装置包括主体和盖板，所述主体的内部设置有双层螺旋水道，所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的30％～45％。
本发明所述具有双层螺旋水道的水冷装置的主体的内部设置有双层螺旋水道，所述双层螺旋水道为中心对称结构，相邻水道之间构成双层螺旋，有效保证了水冷装置主区域内冷热均匀，冷却效率高；相较于现有技术中具有环形通道的冷却装置而言，本发明所述水冷装置的水道面积达到30％～45％不会存在脱焊风险，且可以使半导体晶圆冷热均匀，快速冷却；本发明所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的30％～45％，使得大型轻薄水冷装置在冷却面积最大的前提下，还能保证焊接效果，不会出现脱焊，进而导致漏水现象发生。
本发明中所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的30％～45％，例如可以是30％、32％、34％、35％、37％、38％、40％、43％或45％。
优选地，所述双层螺旋水道的宽度为5～15mm，例如可以是5mm、7mm、9mm、10mm、12mm、13mm或15mm。
本发明所述双层螺旋水道的宽度为5～15mm，当所述双层螺旋水道的宽度小于5mm，水冷装置的冷却效果较差；当所述双层螺旋水道的宽度大于15mm，焊接面积太小，会造成脱焊，进而导致水冷装置出现漏水现象。
本发明中对所述双层螺旋水道的深度不进行限定，其根据水冷装置的厚度进行设计。
优选地，相邻的水道之间的距离≥10mm且≤所述双层螺旋水道的宽度的2倍，例如可以是10mm、12mm、15mm、18mm、20mm、25mm或30mm。
优选地，所述双层螺旋水道的材质包括铝或不锈钢。
优选地，所述水冷装置还包括加强部件。
优选地，所述加强部件设置在所述双层螺旋水道的中间。
本发明在所述双层螺旋水道的中间设置加强部件，可以保证水冷装置的焊接率与整体的稳定。
优选地，所述加强部件包括加强筋。
第二方面，本发明还提供一种如第一方面所述的水冷装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行打磨处理，得到半成品主体；
(2)将所述半成品主体与盖板进行焊接处理，得到半成品水冷装置；
(3)所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置。
本发明所述的制备方法在水冷装置主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行打磨处理，使其表面光滑，不易结垢，进而保证水冷装置的冷却效果，延长使用寿命；相较于在水道内壁设置氧化层的方法而言，本发明对所述双螺旋水道的表面进行打磨处理，方法简单，处理成本低。本发明对半成品水冷装置先进行粗铣，可提高水冷装置的平面度，释放加工应力，再进行精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置。
优选地，步骤(1)所述打磨处理包括抛光。
优选地，步骤(2)所述焊接处理包括真空扩散焊接或搅拌摩擦焊接。
优选地，所述真空扩散焊接的真空度不低于5.0×10-3Pa，例如可以是5.0×10- 3Pa、5.2×10-3Pa、5.6×10-3Pa、5.9×10-3Pa、6.0×10-3Pa或6.3×10-3Pa。
优选地，所述真空扩散焊接的温度为800～950℃，例如可以是800℃、820℃、850℃、870℃、900℃或950℃。
优选地，所述真空扩散焊接的压力为10MPa～40MPa，例如可以是10MPa、15MPa、20MPa、15MPa、30MPa、35MPa或40MPa。
优选地，所述真空扩散焊接的的保温时间为30min～90min，例如可以是30min、40min、50min、6min、70min、80min或90min。
优选地，所述搅拌摩擦焊接的搅拌针的直径为3～15mm，例如可以是3mm、5mm、8mm、10mm、13mm或15mm。
优选地，所述搅拌摩擦焊接的搅拌针的转速为1000～1600r/min，例如可以是1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min、1500r/min或1600r/min。
优选地，所述搅拌摩擦焊接的进给速度为120～200mm/min，例如可以是120r/min、130r/min、150r/min、170r/min、190r/min或200r/min。
优选地，当所述双螺旋水道的宽度>8mm时，步骤(2)所述焊接之前在双层螺旋水道的中间设置加强部件。
本发明所述双螺旋水道的宽度>8mm，例如可以是8.2mm、8.5mm、8.7mm、9mm、9.3mm、9.5mm或10mm。
优选地，所述加强部件也与盖板进行焊接处理。
优选地，步骤(3)所述粗铣后的加工余量为1.8～1.9mm，例如可以是1.8mm、1.82mm、1.85mm、1.87mm、1.89mm或1.9mm。
优选地，所述精铣后的加工余量为0.1～0.2mm，例如可以是0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.17mm、0.19mm或0.2mm。
本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行抛光，得到半成品主体；
(2)将所述半成品主体与盖板进行真空扩散焊接或搅拌摩擦焊接，得到半成品水冷装置；当所述双螺旋水道的宽度>8mm时，所述焊接之前在双层螺旋水道的中间设置加强部件；所述加强部件也与盖板进行焊接处理；所述真空扩散焊接的真空度不低于5.0×10- 3Pa，温度为800～950℃，压力为10MPa～40MPa，保温时间为30min～90min；所述搅拌摩擦焊接的搅拌针的直径为3～15mm，进给速度为120～200mm/min；
(3)所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置；所述粗铣后的加工余量为1.8～1.9mm；所述精铣后的加工余量为0.1～0.2mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的具有双层螺旋水道的水冷装置内部水道结构设计合理，焊接稳定率高，冷却介质水能够在水冷装置内均匀分布并快速循环，能够实现产品的快速冷却，冷却时间可达53.5s以下；
(2)本发明提供的具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法简单，成本低，便于大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的具有双层螺旋水道的水冷装置的双层螺旋水道的结构示意图。
图2是本发明实施例2提供的具有双层螺旋水道的水冷装置的双层螺旋水道的结构示意图。
图3是CN113310331A中实施例1提供的具有内部环形通道的冷却盘体中主板的截面结构示意图。
其中，1-主板；2-环形凹槽。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，其结构示意图如图1所示。所述水冷装置包括主体和盖板，所述主体的内部设置有双层螺旋水道，所述双层螺旋水道呈中心对称结构，所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的30％。所述双层螺旋水道的宽度为10mm。相邻的水道之间的距离为13mm。
本实施例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行抛光，得到半成品主体；
(2)将所述半成品主体与盖板进行真空扩散焊接，所述真空扩散焊接的真空度为5.0×10-3Pa，温度为952℃，压力为15MPa，保温35min后得到半成品水冷装置；
(3)所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置；所述粗铣后的加工余量为1.8mm；所述精铣后的加工余量为0.2mm。
实施例2
本实施例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，其结构示意图如图2所示。所述水冷装置包括主体和盖板，所述主体的内部设置有双层螺旋水道，所述双层螺旋水道呈轴对称结构，所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的35％。所述双层螺旋水道的宽度为5mm。相邻的水道之间的距离为10mm。
本实施例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行抛光，得到半成品主体；
(2)将所述半成品主体与盖板进行搅拌摩擦焊接，所述搅拌摩擦焊接的搅拌针的直径为5mm，搅拌针的转速为1000r/min，所述搅拌摩擦焊接的进给速度为200mm/min，得到半成品水冷装置；
(3)所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置；所述粗铣后的加工余量为1.9mm；所述精铣后的加工余量为0.1mm。
实施例3
本实施例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，所述水冷装置包括主体和盖板，所述主体的内部设置有双层螺旋水道，所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的45％。所述双层螺旋水道的宽度为15mm。相邻的水道之间的距离为15mm。
所述水冷装置还包括加强部件；所述加强部件设置在所述双层螺旋水道的中间；所述加强部件包括加强筋。
本实施例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行抛光，得到半成品主体；
(2)将所述半成品主体与盖板进行真空扩散焊接，所述真空扩散焊接的真空度为5.5×10-3Pa，温度为800℃，压力为40MPa，保温90min后得到半成品水冷装置；所述焊接之前在双层螺旋水道的中间设置加强部件；所述加强部件也与盖板进行焊接处理；
(3)所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置；所述粗铣后的加工余量为1.83mm；所述精铣后的加工余量为0.17mm。
实施例4
本实施例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，所述水冷装置除双层螺旋水道的宽度为3mm外，其余均与实施例1相同。
本实施例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，所述水冷装置除双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的25％外，其余均与实施例1相同。
本实施例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，所述水冷装置除双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的45％外，其余均与实施例1相同。
本实施例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法与实施例1相同。
本对比例所述水冷装置的双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的45％，焊接面积太小，会造成脱焊，进而导致水冷装置出现漏水现象。
对比例3
本对比例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，所述水冷装置与实施例1相同。
本对比例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法除删掉步骤(1)中对所述双螺旋水道的表面进行抛光外，其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种具有双层螺旋水道的水冷装置，所述水冷装置与实施例1相同。
本对比例还提供一种上述具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，所述制备方法除步骤(3)仅进行精铣外，其余均与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供一种具有内部环形通道的冷却盘体，所述冷却盘体采用CN113310331A实施例1公开的冷却盘体，其结构示意图如图3所示。所述冷却盘体包括主板1和盖板，所述主板上均匀设有环形凹槽2，所述盖板1与主板配套使用，覆盖于主板上的环形凹槽2一侧，所述环形凹槽2构成冷却盘体的内部环形通道；所述冷却盘体整体呈蜗壳状，包括蜗壳主体和蜗壳入口，所述环形通道的入口和出口均设置于蜗壳入口处，与外界连通。
本对比例还提供上述冷却盘体的制备方法，所述制备方法采用CN113310331A实施例4公开的制备方法。
采用实施例1～4、对比例1和对比例3～5提供的具有双层螺旋水道的水冷装置将200℃的半导体晶圆冷却到25℃所需的冷却时间如表1所示。
表1
表1中“/”代表脱焊。
从表1可以看出以下几点：
(1)综合实施例1～4可以看出，本发明提供的具有双层螺旋水道的水冷装置对半导体晶圆的冷却效果好，冷却时间可达53.5s以下，在较优条件下，冷却时间可达50.2s以下；
(2)综合实施例1与实施例4可以看出，实施例1中双层螺旋水道的宽度为10mm，相较于实施例4中双层螺旋水道的宽度为3mm而言，实施例1中具有双层螺旋水道的水冷装置对半导体晶圆的冷却时间仅51.1s，而实施例4中具有双层螺旋水道的水冷装置对半导体晶圆的冷却时间为53.5s；由此表明，本发明限定双螺旋水道的宽度在特定范围，可以提高水冷装置对半导体晶圆的冷却效果；
(3)综合实施例1与对比例1～2可以看出，实施例1中双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的30％，相较于对比例1～2中双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积分别为25％和45％而言，实施例1中具有双层螺旋水道的水冷装置对半导体晶圆的冷却时间仅51.1s，而对比例1中具有双层螺旋水道的水冷装置对半导体晶圆的冷却时间大幅度增加为60.3s，对比例2出现脱焊现象；由此表明，本发明限定双螺旋水道的的面积占所述水冷装置的面积在30％～45％，在保证水冷装置对半导体晶圆有良好的冷却效果的前提下，不会出现脱焊；
(4)综合实施例1与对比例3可以看出，实施例1进行步骤(1)对所述双螺旋水道的表面进行抛光，相较于对比例3删除该处理而言，对比例3中具有双层螺旋水道的水冷装置由于表面粗糙，易出现结垢，所以对半导体晶圆的冷却效果大幅度下降，将200℃的半导体晶圆冷却到25℃的冷却时间长达61.2s；由此表明，本发明提供的具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法中，对所述双螺旋水道的表面进行打磨处理，可以提高水冷装置对半导体晶圆的冷却效果；
(5)综合实施例1与对比例4可以看出，实施例1步骤(3)中对半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，相较于对比例4步骤(3)仅进行精铣而言，实施例1中对半成品水冷装置先进行粗铣，可提高水冷装置的平面度，释放加工应力，故而得到的具有双层螺旋水道的水冷装置对半导体晶圆的冷却时间远小于对比例4；由此表明，本发明提供的具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法中，对半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，可以明显提高水冷装置对半导体晶圆的冷却效果；
(6)综合实施例1与对比例5可以看出，对比例5采用CN113310331A中的冷却盘体将200℃的半导体晶圆冷却到25℃的冷却时间明显长于实施例1；由此表明，本发明提供的具有双层螺旋水道的水冷装置内部水道结构设计合理，冷却效果好。
综上所述，本发明提供的具有双层螺旋水道的水冷装置内部水道结构设计合理，焊接稳定率高，冷却介质水能够在水冷装置内均匀分布并快速循环，能够实现产品的快速冷却，冷却时间可达53.5s以下，适合大规模推广应用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种具有双层螺旋水道的水冷装置，其特征在于，所述水冷装置包括主体和盖板，所述主体的内部设置有双层螺旋水道，所述双层螺旋水道的面积占所述水冷装置的面积的30％～45％。
2.根据权利要求1所述的水冷装置，其特征在于，所述双层螺旋水道的宽度为5～15mm。
3.根据权利要求1或2所述的水冷装置，其特征在于，相邻的水道之间的距离≥10mm且≤所述双层螺旋水道的宽度的2倍。
4.根据权利要求1～3任一项所述的水冷装置，其特征在于，所述双层螺旋水道的材质包括铝或不锈钢。
5.根据权利要求1～4任一项所述的水冷装置，其特征在于，所述水冷装置还包括加强部件；
优选地，所述加强部件设置在所述双层螺旋水道的中间；
优选地，所述加强部件包括加强筋。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的具有双层螺旋水道的水冷装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行打磨处理，得到半成品主体；
(2)将所述半成品主体与盖板进行焊接处理，得到半成品水冷装置；
(3)所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述打磨处理包括抛光。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述焊接处理包括真空扩散焊接或搅拌摩擦焊接；
优选地，当所述双螺旋水道的宽度>8mm时，步骤(2)所述焊接之前在双层螺旋水道的中间设置加强部件；
优选地，所述加强部件也与盖板进行焊接处理。
9.根据权利要求6～8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述粗铣后的加工余量为1.8～1.9mm；
优选地，所述精铣后的加工余量为0.1～0.2mm。
10.根据权利要求6～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在主体的内部形成双螺旋水道后，对所述双螺旋水道的表面进行抛光，得到半成品主体；
(2)将所述半成品主体与盖板进行真空扩散焊接或搅拌摩擦焊接，得到半成品水冷装置；当所述双螺旋水道的宽度>8mm时，所述焊接之前在双层螺旋水道的中间设置加强部件；所述加强部件也与盖板进行焊接处理；
(3)所述半成品水冷装置依次经粗铣和精铣，得到具有双层螺旋水道的水冷装置；所述粗铣后的加工余量为1.8～1.9mm；所述精铣后的加工余量为0.1～0.2mm。
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