CN114374144A - 一种微通道芯片的液氮循环散热系统及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微通道芯片的液氮循环散热系统及制备方法，系统包括半导体激光芯片，固接于半导体激光芯片下表面的微通道热沉，连接微通道热沉进液口的冷却液抽取管，连接微通道热沉出液口的冷却液集液管以及用于供应冷却液并控制冷却液在微通道热沉中循环的控制系统。其中，控制系统由冷却装置及用于储存冷却液的储液瓶构成，冷却装置连接冷却液集液管以对回收液进行再次降温液化并送入储液瓶中，储液瓶的出口连接冷却液抽取管，并设有开关阀以控制冷却液的通断及流量大小。本发明针对传统散热技术散热效率低的问题，采用微通道冷板并通以液氮作为冷却液对芯片进行循环散热，大大提高了芯片的散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片散热技术领域，具体涉及一种微通道芯片的液氮循环散热系统及制备方法。
背景技术
现今，随着芯片功率的增大和集成度的提升，单体芯片的发热功率显著增大，传统散热技术已经很难满足这种单体大功率芯片的散热需求。并且传统散热装置的冷却水流量较小，若为满足单体大功率芯片的散热而增加水流量，会导致通道内部形成较大的水压，特别是针式散热通道，长期使用会造成内部散热针根部强度不足，根部断裂，从而导致芯片散热失效，甚至芯片烧毁，因此，传统的散热装置越来越难以满足使用需求。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种微通道芯片的液氮循环散热系统及制备方法，以改善芯片的散热效率，获得更大功率的激光输出。
本发明公开了一种微通道芯片的液氮循环散热系统，包括：
半导体激光芯片；
固接于所述半导体激光芯片下表面的微通道热沉；
连接所述微通道热沉进液口的冷却液抽取管；
连接所述微通道热沉出液口的冷却液集液管；
用于供应冷却液并控制所述冷却液在所述微通道热沉中循环的控制系统，
其中，所述冷却液为液氮。
优选的是，所述控制系统主要由冷却装置及用于储存所述冷却液的储液瓶构成，所述冷却装置连接所述冷却液集液管以对回收液进行再次降温液化并送入所述储液瓶中，所述储液瓶的出口连接所述冷却液抽取管，并设有开关阀以控制所述冷却液的通断及流量大。
优选的是，所述冷却装置包括制冷机冷头和氦气压缩机，所述制冷机冷头安装在所述储液瓶的颈部，并通过真空不锈钢管道与所述氦气压缩机连接，并受其驱动。
优选的是，所述控制系统还包括冷却液补充瓶。所述冷却液补充瓶与所述储液瓶通过补充管连接，当所述储液瓶中的冷却液液面下降，压强减小时，在压强作用下所述冷却液补充瓶中的冷却液被抽取到所述储液瓶中。
优选的是，所述半导体激光芯片为单管型或阵列型半导体激光芯片，其粘合或焊接于所述微通道热沉的上表面。
优选的是，所述微通道热沉包括进液口、出液口及多通道散热结构，所述多通道散热结构的通道均与所述进液口和所述出液口连通。
优选的是，所述多通道散热结构可由硅、铜或金刚石材料制成。
本发明还公开了一种微通道芯片的液氮循环散热系统的制备方法，包括：
S1、制作半导体激光芯片；
S2、制作微通道热沉；
S3、将所述半导体激光芯片和所述微通道热沉结合；
S4、将控制系统与所述微通道热沉连通。
优选的是，制作硅/硼硅玻璃微通道热沉包括：
(1)制备硅片；
(2)在所述硅片上制作微通道；
(3)制备硼硅玻璃并在所述硼硅玻璃上制作微通道；
(4)将所述硅片和所述硼硅玻璃连接。
优选的是，制作金刚石微通道热沉包括：
(1)制备Si/DLC薄膜片；
(2)制备带有微通道沟槽的Si/DLC薄膜片；
(3)制备带有微通道沟槽的硅片；
(4)制备硅/金刚石厚膜片；
(5)去除硅片，得到金刚石微通道热沉。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明针对传统散热技术散热效率低的问题，采用微通道冷板并通以液氮作为冷却液对芯片进行循环散热，大大提高了芯片的散热效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的微通道芯片的液氮循环散热系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微通道芯片的液氮循环散热系统中微通道热沉的局部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。显然，所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本实施例提供一种微通道芯片的液氮循环散热系统，包括：
半导体激光芯片1；
焊接于半导体激光芯片1下表面的微通道热沉2；
连接微通道热沉2进液口的冷却液抽取管3；
连接微通道热沉2出液口的冷却液集液管4；
用于供应冷却液并控制冷却液在微通道热沉2中循环的控制系统，其中，冷却液为液氮。
作为具体实施例，控制系统主要由冷却装置5及用于储存冷却液的储液瓶6构成。冷却装置5连接冷却液集液管4以对回收液进行再次降温液化并送入储液瓶6中，储液瓶6的出口连接冷却液抽取管3，并设有开关阀7以控制冷却液的通断及流量大小。
作为具体实施例，冷却装置5包括制冷机冷头51和氦气压缩机52，制冷机冷头51安装在储液瓶6的颈部，并通过真空不锈钢管道与氦气压缩机52连接，并受其驱动。
作为具体实施例，当半导体激光芯片1需要散热时，打开阀门7，储液瓶6中的液氮在其内部压力下，通过冷却液抽取管3流入微通道热沉2，并在微通道热沉2中与芯片1进行热交换。吸热后的液氮变为氮气，并通过冷却液集液管4进入制冷机冷头51中，在氦气压缩机52的驱动下，制冷机冷头51将氮气再次降温液化成液氮，并流入储液瓶6中，以进行重复回收利用。
作为具体实施例，控制系统还包括冷却液补充瓶8。冷却液补充瓶8与储液瓶6通过补充管连接，当储液瓶6中的冷却液液面下降，压强减小时，在压强作用下冷却液补充瓶8中的冷却液被抽取到储液瓶6中。
作为具体实施例，在储液瓶6中设有压力传感器，当传感器检测到储液瓶6中的压强减小后，会启动冷却液补充瓶8的泵将补充瓶中的液氮输送至储液瓶6中。
作为具体实施例，半导体激光芯片1为单管型或阵列型半导体激光芯片，其粘合或焊接于微通道热沉2的上表面。
作为具体实施例，微通道热沉2包括进液口、出液口及多通道散热结构，多通道散热结构的通道均与进液口和出液口连通，其局部图如图2所示。多通道散热结构可由硅、铜或金刚石等材料制成，
下面对本发明中涉及的一种微通道芯片的液氮循环散热系统的制备方法进行介绍，该制备方法包括如下步骤：
S1、制作半导体激光芯片1
(1)VCSEL外延片清洗干燥
将待清洗的VCSEL外延片按照RCA标准清洗，清洗完毕后用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将待加工外延片加热烘干，待用；
(2)制作台面
利用PECVD技术在外延片表面生长一层SiO2做保护层，并通过光刻显影得到台面结构图形。在光刻胶的掩膜下，利用ICP对SiO2进行干法刻蚀制作出台面掩膜，并将光刻胶清洗去除。再利用SiO2掩膜，通过ICP技术刻蚀至MQW有源层，SiO2掩膜清洗去除，得到圆形台面结构。刻蚀Cl2/BCl3气体流量比为1：3，刻蚀功率500W；
(3)制作氧化孔
台面刻蚀完成后，采用选择性湿法氧化技术对外延片台面中的氧化层进行侧氧化，形成一个氧化孔，以限制有源层上方的载流子及光场。选择性湿法氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定90℃，通微量氮气，流量为1L/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。30min以后，开始通氮气，流量为9L/min，稳定30min。之后将外延片放入氧化炉中进行氧化，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。氧化结束以后，等待炉温降到80℃后，取出芯片，待用；
(4)制作金属N电极
在待加工外延片上涂覆SU-8负性光刻胶，通过光刻显影，制作N电极图形，然后清洗掉剩余光刻胶，通过磁控溅射技术溅射N电极金属材料。将生长完N电极金属的外延片放在丙酮溶液中水浴加热10min，然后进行金属剥离工艺，剥离非N电极的金属，制作金属N电极；
(5)制作金属P电极
在待加工外延片上涂覆L300负性光刻胶，应用双面套刻工艺光刻显影制作金属P电极的图形，清洗掉剩余光刻胶，然后通过磁控溅射等金属工艺，生长P电极金属材料。将生长完P电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4-5h，然后进行金属剥离工艺，剥离非P电极的金属，制作金属P电极。
S2、制作微通道热沉2
实施例1
制作硅/硼硅玻璃微通道热沉2包括：
(1)制备硅片
采用高阻晶棒35度斜切制作椭圆形硅片，大小为长轴40mm，短轴32mm，厚300pm。通过LPCVD或PECVD等方法，沉积或溅射一定厚度Si3N4，制作出氮化硅掩膜；
(2)在硅片上制作微通道
在硅晶片上旋涂AZ1305光刻胶，80℃下烘烤30min，掩膜并用紫外灯曝光1min，然后用0.75％的稀碱溶液显影50s，显影后以100℃烘烤30min。之后进行光刻，第一次光刻刻出圆孔，用反应离子刻蚀刻掉氮化硅，然后用44％的KOH溶液35℃下恒温腐蚀。第二次光刻刻出微通道图形，用反应离子刻蚀刻掉氮化硅，然后用44％的KOH溶液35℃下恒温腐蚀150μm，刻蚀出微通道；
(4)制备硼硅玻璃并在硼硅玻璃上制作微通道
加工直径42mm、厚2mm的硼硅玻璃毛坯，减薄、抛光成直径40mm、厚400pm的镜面，将石蜡放置在容器中加热熔化，然后将硼硅玻璃放入石蜡中，片刻后取出，冷却并在标定位置处划出1.2cm的狭缝，最后将其放入HF腐蚀液中，约30分钟后取出，清洗去蜡；
(5)将硅片和硼硅玻璃连接
在石英反应管内氢气条件下，玻璃作负极，硅作正极，在550℃下，45分钟内加直流电压从100V到500V。在静电引力作用下玻璃和硅片拉紧成为密合界面。然后在700℃下维持该状态2小时后拆去电压，冷却并取出，得到硅/硼硅玻璃微通道热沉2。
实施例2
制作金刚石微通道热沉2包括：
(1)制备Si/DLC薄膜片
对硅片进行抛光，清洗及干燥。以硅片作为沉积类金刚石DLC薄膜的衬底，并将带有微通道栅孔的掩模板覆盖于硅片的上表面，通过磁激励射频等离子体增强化学气相沉积方法在微通道栅孔内沉积DLC薄膜，取下掩模版，得到Si/DLC薄膜片；
(2)制备带有微通道沟槽的Si/DLC薄膜片
利用湿法刻蚀对Si/DLC薄膜片进行刻蚀，使其表面形成微通道沟槽，清洗干燥，得到带有微通道沟槽的Si/DLC薄膜片；
(3)制备带有微通道沟槽的硅片；
对带有微通道沟槽的Si/DLC薄膜片的表面进行等离子体刻蚀处理，以去除硅片表面的DLC薄膜层和氧化层，得到带有微通道沟槽的硅片；
(4)制备硅/金刚石厚膜片
以带有微通道沟槽的硅片作为沉积金刚石膜的衬底，通过电子辅助化学气相沉积方法制备金刚石厚膜，得到硅/金刚石厚膜片；
(5)去除硅片，得到金刚石微通道热沉；
对硅/金刚石厚膜片的金刚石厚膜进行抛光。利用湿法刻蚀去除硅/金刚石厚膜片中作为衬底的硅片，得到带有微通道栅孔的自支撑金刚石片，清洗干燥，得到金刚石微通道热沉2。
S3、将半导体激光芯片1粘合或焊接于微通道热沉2的上表面；
S4、将控制系统与微通道热沉2连通。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微通道芯片的液氮循环散热系统，包括：
半导体激光芯片；
固接于所述半导体激光芯片下表面的微通道热沉；
连接所述微通道热沉进液口的冷却液抽取管；
连接所述微通道热沉出液口的冷却液集液管；
用于供应冷却液并控制所述冷却液在所述微通道热沉中循环的控制系统；
其中，所述冷却液为液氮。
2.根据权利要求1所述的微通道芯片的液氮循环散热系统，其特征在于，所述控制系统主要由冷却装置及用于储存所述冷却液的储液瓶构成，所述冷却装置连接所述冷却液集液管以对回收液进行再次降温液化并送入所述储液瓶中，所述储液瓶的出口连接所述冷却液抽取管，并设有开关阀以控制所述冷却液的通断及流量大小。
3.根据权利要求2所述的微通道芯片的液氮循环散热系统，其特征在于，所述冷却装置包括制冷机冷头和氦气压缩机，所述制冷机冷头安装在所述储液瓶的颈部，并通过真空不锈钢管道与所述氦气压缩机连接，并受其驱动。
4.根据权利要求2所述的微通道芯片的液氮循环散热系统，其特征在于，所述控制系统还包括冷却液补充瓶，所述冷却液补充瓶与所述储液瓶通过补充管连接，当所述储液瓶中的冷却液液面下降，压强减小时，在压强作用下所述冷却液补充瓶中的冷却液被抽取到所述储液瓶中。
5.根据权利要求1所述的微通道芯片的液氮循环散热系统，其特征在于，所述半导体激光芯片为单管型或阵列型半导体激光芯片，其粘合或焊接于所述微通道热沉的上表面。
6.根据权利要求1所述的微通道芯片的液氮循环散热系统，其特征在于，所述微通道热沉包括进液口、出液口以及多通道散热结构，所述多通道散热结构的通道均与所述进液口和所述出液口连通。
7.根据权利要求6所述的微通道芯片的液氮循环散热系统，其特征在于，所述多通道散热结构可由硅、铜或金刚石材料制成。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的微通道芯片的液氮循环散热系统的制备方法，其特征在于，包括：
S1、制作半导体激光芯片；
S2、制作微通道热沉；
S3、将所述半导体激光芯片与所述微通道热沉结合；
S4、将所述控制系统与所述微通道热沉连通。
9.根据权利要求8所述的微通道芯片的液氮循环散热系统的制备方法，其特征在于，制作硅/硼硅玻璃微通道热沉包括：
(1)制备硅片；
(2)在所述硅片上制作微通道；
(3)制备硼硅玻璃并在所述硼硅玻璃上制作微通道；
(4)将所述硅片和所述硼硅玻璃连接。
10.根据权利要求8所述的微通道芯片的液氮循环散热系统的制备方法，其特征在于，制作金刚石微通道热沉包括：
(1)制备Si/DLC薄膜片；
(2)制备带有微通道沟槽的Si/DLC薄膜片；
(3)制备带有微通道沟槽的硅片；
(4)制备硅/金刚石厚膜片；
(5)去除硅片，得到金刚石微通道热沉。
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