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基于金刚石薄膜的微通道式散热器 Download PDF

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Abstract

一种基于金刚石薄膜的微通道式散热器，基底两边分别开有横向导入主管道及横向导出主管道，微通道基本组成单元平行间隔排布在横向导入主管道和横向导出主管道之间，每个微通道基本组成单元中，纵向导入分管道的进口与横向导入主管道连通，纵向导出分管道的出口与横向导出主管道连通，纵向导入分管道与纵向导出分管道之间均匀排布横向连通管道。横向导入主管道的进口及横向导出主管道的出口与外部工作流体供给系统相连，构成工作流体循环回路。金刚石薄膜散热板平整上表面粘接热源器件，粗糙下表面与基底上表面通过键合层键合。本发明借助金刚石薄膜散热板的高热导率特性减小散热器热阻，通过工作流体沿纵横方向的均布流动，实现高效率均匀热交换。

Description

基于金刚石薄膜的微通道式散热器
技术领域
本发明涉及一种基于金刚石薄膜的微通道式散热器，可用于微电子器件的热控制，属于微机电系统技术领域。
背景技术
随着IC集成电路集成度的不断提高，微电子器件的热控制面临着巨大的挑战。而微通道式散热器被认为是目前一种理想的微电子器件冷却器件，其突出优点是：散热板与热源器件间的距离较传统外置式风扇大为缩短，传热阻力大为降低；微通道比表面积大，使得单位体积内的换热面积大为提高，换热量大大增加；微通道式散热器质量轻，体积小，能够与微电子器件较好地匹配使用。近年来微型机电系统设计与加工技术的迅速发展，为这种微通道式散热器实现提供了更加坚实的技术基础。
微通道式散热器一般包括散热板、微通道及工作流体三个主要部分。热量从散热板上表面的热源器件首先传递到散热板上表面，然后通过固体热传导传递到散热板下表面，再通过固体与液体的对流换热传递给流动的工作流体，最后，通过工作流体流动把热量快速输运到远离热源器件的部位，实现对热源器件的温度控制。从热量散逸的过程分析，微通道式散热器的散热阻力主要来源于以下几个方面：热源器件与散热板上表面之间的热交换热阻、散热板的导热热阻、工作流体与散热板下表面以及微通道壁的对流换热热阻以及工作流体自身的对流热阻。从影响这些热阻的因素综合考虑，能够提高微通道散热器性能的技术措施主要包括两个方面：其一是采用高热导率的结构材料制备散热器以促进结构内部热传导，特别是散热板材料的热导率至为关键；其二是采取优化的结构设计以强化结构与流体热交换和流体的热输运能力。传统的通道散热器大多采用纯铜材料制作，微通道散热器则主要采用单晶硅材料制作，这是因为单晶硅的各向异性刻蚀是目前实现高深宽比微通道的最具可行性方案，当然，也可以使用X射线深度光刻电铸成型技术进行铜基微通道加工。
Skidmore.J.A等人在Applied Physics Letters(应用物理通讯)2000.77(1)：10发表了Silicon monolithic microchannel-cooled laser diodearray(适用于激光二极管阵列的单片集成微通道式散热器)一文，其中提到的微通道式散热器通过硅基体和硅酸盐玻璃基体内特殊的微通道结构实现工作流体沿纵横方向的均布流动输运散热板下表面的热量，达到高效率热交换的目的。但是它的结构比较复杂，基底由硅基体和硅酸盐玻璃基体键合成型，硅基体上纵向平行间隔排布的倒V字形微通道列和硅酸盐玻璃基体上相邻的两个纵向微通道构成微通道基本组成单元。另外，直接将存在厚度较大区域的硅基体作为散热板，增大了散热器的热阻，虽然具备一定的可行性，但仍然存在较大的改进空间。
发明内容
本发明的目的在于针对目前微型散热器设计所存在的不足，提出一种基于金刚石薄膜的微通道式散热器，将金刚石薄膜与微流体通道相结合，既能够充分利用金刚石薄膜高热导率的优势，又可以通过铜或硅基底上简单的微通道结构实现工作流体的高效率热交换。
为了实现上述目的，本发明采用金刚石薄膜作为散热板，微流体通道则加工在铜或硅的基底上，通过键合层将金刚石薄膜散热板和包含微流体通道的基底键合成型，构成一种微流体优化控制的金刚石薄膜微通道式散热器。基底两边分别开有横向导入主管道及横向导出主管道，微通道基本组成单元平行间隔排布在横向导入主管道和横向导出主管道之间，每个微通道基本组成单元中，纵向导入分管道的进口与横向导入主管道连通，纵向导出分管道的出口与横向导出主管道连通，纵向导入分管道与纵向导出分管道之间均匀排布横向连通管道，横向导入主管道的进口及横向导出主管道的出口与外部工作流体供给系统相连，构成工作流体循环回路。金刚石薄膜散热板采用热丝化学气相沉积方法在抛光硅片上制备而成，其平整上表面直接粘接热源器件，其粗糙下表面与基底上表面通过键合层键合。本发明借助金刚石薄膜散热板的高热导率特性减小散热器热阻，并且通过工作流体沿纵横方向的均布流动，实现高效率的均匀热交换。
本发明中，所述横向导入主管道和横向导出主管道的结构相同，横向导入主管道的横截面积大于或等于与其相连的所有纵向导入分管道横截面积之和，横向导出主管道的横截面积大于或等于与其相连的所有纵向导出分管道横截面积之和。
所述纵向导入分管道和纵向导出分管道的结构相同，纵向导入分管道、纵向导入分管道的横截面积分别大于或等于与其相连的所有横向连通管道横截面积之和。
所述横向连通管道的宽度取值，应保证在纵向导入分管道和纵向导出分管道的间隔内，以小于或等于横向连通管道的宽度但至少大于100微米的间隔距离，纵向平行分布两个到两个以上的横向连通管道。
热源器件工作时与金刚石薄膜散热板上表面产生热量交换，热量经热传导由金刚石薄膜散热板传递到其下表面。与此同时，工作流体由外部的供给系统送入基底微通道系统后，再返回先前的供给系统，不断的循环流动。工作流体在微通道系统中沿纵横方向均布流动，实现了高效率均匀热交换。工作流体在进入横向连通管道列时与金刚石薄膜散热板下表面的对流换热是散热过程的关键所在。本发明一方面通过增加横向连通管道的长度，增大其水平表面积来增加工作流体与金刚石薄膜散热板的接触面积，另一方面加工高深宽比的纵向导入分管道和纵向导出分管道保证进入横向连通管道列的工作流体流量充足稳定。由于本发明使用的金刚石薄膜散热板厚度为5～50微米，加之金刚石薄膜的高热导率特性，使其上表面和下表面之间的热传导基本发生在竖直方向，大大降低了导热热阻。此外，巧妙利用金刚石薄膜热丝化学气相沉积生长过程中形成粗糙的生长面和平整的结合面的特点，使用其生长面作为与包括微通道系统的基底的上表面键合的表面，增加了工作流体与金刚石薄膜散热板的对流换热面积，促进了传热效率的提高；同时利用结合面作为与热源器件的接触面，保证了热源器件与散热器之间的紧密接触。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图1中：基底1，键合层2，金刚石薄膜散热板3，横向导入主管道4，纵向导入分管道5，横向连通管道6，纵向导出分管道7，横向导出主管道8，微通道基本组成单元9。
图2是本发明基底微通道布局示意图。
图2中：基底1，横向导入主管道4，纵向导入分管道5，横向连通管道6，纵向导出分管道7，横向导出主管道8，微通道基本组成单元9。
图3是本发明的工作流体流动方式图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明设计的基于金刚石薄膜的微通道式散热器的三维结构如图1所示，包括：基底1，键合层2，金刚石薄膜散热板3，横向导入主管道4，横向导出主管道8，以及由纵向导入分管道5、横向连通管道6、纵向导出分管道7构成的微通道基本组成单元9。
在基底1的两边分别开有横向导入主管道4及横向导出主管道8，微通道基本组成单元9平行间隔排布在横向导入主管道4和横向导出主管道8之间。微通道基本组成单元9由纵向导入分管道5，纵向导出分管道7及横向连通管道6构成。每个微通道基本组成单元9中，纵向导入分管道5的进口与横向导入主管道4连通，纵向导出分管道7的出口与横向导出主管道8连通，在纵向导入分管道5与纵向导出分管道7之间均匀排布横向连通管道6。横向导入主管道4的进口及横向导出主管道8的出口与外部的工作流体供给系统相连，构成工作流体循环回路。金刚石薄膜散热板3采用热丝化学气相沉积方法在抛光硅片上制备而成，其下表面为制备金刚石薄膜时产生的粗糙生长面，通过键合层2沿图1所示箭头方向与包含有微通道系统的基底1的上表面键合，封闭微通道系统。图1中包含斜划线的面为键合的表面。金刚石薄膜散热板3的上表面为与抛光硅片的平整结合面，与热源器件直接粘接。
图2是本发明基底上微通道平面布局示意图。如图2所示，在基底1的两边分别开有横向导入主管道4及横向导出主管道8，图2中圈出的是微通道基本组成单元9，平行间隔排布在横向导入主管道4和横向导出主管道8之间。每个微通道基本组成单元9中，纵向导入分管道5的进口与横向导入主管道4连通，纵向导出分管道7的出口与横向导出主管道8连通，在纵向导入分管道5与纵向导出分管道7之间均匀排布横向连通管道6。横向导入主管道4的进口及横向导出主管道8的出口与外部的工作流体供给系统相连。
本发明的工作流体流动方式如图3所示，工作流体从横向导入主管道4进入各个微通道基本组成单元9，然后流经纵向导入分管道5，横向连通管道6，纵向导出分管道7，最后由横向导出主管道8流出，回到先前的外部供给系统，由此不断的循环流动。工作流体在微通道系统内既存在纵向流动，也存在横向流动。
本发明中的工作流体，可选用去离子水、氟利昂或乙醇等具有较高体积比热容的液体。
本发明具体实施时，应用MEMS加工工艺在基底1上制作微通道系统，根据材料选择合适的微加工工艺，加工出具有高深宽比结构的微通道系统。各部分尺寸范围及相应的要求如下：
基底1材料选用硅或铜。其结构尺寸范围：厚500～2000微米，宽500～20000微米，长500～20000微米。
横向导入主管道4和横向导出主管道8结构相同，横向导入主管道4横截面积应该大于或等于与其相连的所有纵向导入分管道5的横截面积之和。同样的，横向导出主管道8横截面积应该大于或等于与其相连的所有纵向导出分管道7横截面积之和。在满足上述要求后，横向导入主管道4和横向导出主管道8的结构尺寸变化范围：深在50～1200微米之间，宽在100～2000微米之间，长在400～15000微米之间。
纵向导入分管道5和纵向导出分管道7结构相同，纵向导入分管道5的横截面积应该大于或等于与其相连的所有横向连通管道6的横截面积之和；纵向导入分管道7的横截面积应该大于或等于与其相连的所有横向连通管道6的横截面积之和。在满足上述要求后，纵向导入分管道5和纵向导出分管道7的结构尺寸变化范围：深在10～1000微米之间，宽在100～1000微米之间，长在300～5000微米之间。
横向连通管道6的宽要足够小，其取值要保证在纵向导入分管道5和纵向导出分管道7的间隔内，以小于或等于横向连通管道6的宽度但至少大于100微米的间隔距离，纵向平行分布两个到两个以上的横向连通管道6。在满足上述要求后，横向连通管道6的结构尺寸变化范围：深在5～100微米之间，宽在100～600微米之间，长在20～1000微米之间。
微通道系统的结构布局尺寸以图2所示的平面图为参考，以垂直纸面向内的方向为投影方向描述微通道各个侧边，具体布局要求如下：一、横向导入主管道4下侧边、横向导入主管道4右侧边、横向导出主管道8上侧边、横向导出主管道8左侧边、第一个微通道基本单元9内纵向导入分管道5的左侧边、最后一个微通道基本组成单元9内纵向导出分管道7的右侧边与基底1周围相邻侧边间距均在100～1000微米范围内变化；二、纵向导入分管道5、横向连通管道6列以及纵向导出分管道7组成的微通道基本组成单元9在横向导入主管道4和横向导出主管道8之间平行间隔排布，相邻单元间距在100～500微米范围内变化，单元数量多少根据具体设计确定。三、横向连通管道6纵向平行间隔排布在纵向导入分管道5和纵向导出分管道7之间，相邻的横向连通管道6纵向间距在100～600微米范围变化，其数量多少根据具体设计而定；四、纵向导入分管道5上侧边与横向导出主管道8下侧边间距在100～500微米范围内变化，纵向导出分管道7下侧边与横向导入主管道4上侧边间距在100～500微米范围内变化。
本发明中的金刚石薄膜散热板3通过热丝化学气相沉积方法在抛光硅片上制备，根据不同的要求选择工艺参数，其厚度在5～50微米范围。由于热丝化学气相沉积工艺的原因，一般制备的金刚石薄膜生长面比较粗糙，而与抛光硅片的结合面则具有可与抛光硅片相比拟的平整度。本发明整体设计中使用粗糙的生长表面作为金刚石薄膜散热板3的下表面，与基底1上表面通过键合层2键合。制备好的金刚石薄膜先不暴露平整的结合面，保留其背部的抛光硅片备用。
本发明针对不同的基底1材料选用不同材料的键合层2：如果选择铜作为基底材料，则可使用锡作为键合层材料；如果选择硅作为基底材料，则可使用金作为键合层材料。在备用的金刚石薄膜的粗糙面上通过溅射，光刻，电镀等方法形成图形化的键合层2，之后将基底1带有微通道的上表面与带有图形化的键合层2的金刚石薄膜散热板3通过精确对准组合，置入回流焊炉中在适当的温度下键合成型。
在整体键合成型之后，使用夹具保护基底1结构，将器件放入碱性溶液(例如KOH溶液)中进行单面刻蚀，去除金刚石薄膜背部的抛光硅片，露出平整的金刚石薄膜结合面，而此时的金刚石薄膜即成为具有平整上表面的金刚石薄膜散热板3。
本发明的微通道散热器工作时：将需要冷却的热源器件直接粘接在金刚石薄膜散热板3平整的上表面，热源器件与金刚石薄膜散热板3上表面产生热量交换，热量经热传导由金刚石薄膜散热板3传递到其下表面。与此同时，在热源器件工作之前启动的外部工作流体供给系统，将工作流体送入微通道内循环流动，工作流体在微通道系统中沿纵横方向均布流动，经高效的对流换热迅速带走金刚石薄膜散热板3下表面的热量，后进入先前的供给系统，不断的循环散热。

Claims (8)

1、一种基于金刚石薄膜的微通道式散热器，包括基底(1)，键合层(2)和散热板，其特征在于还包括横向导入主管道(4)，横向导出主管道(8)，以及由纵向导入分管道(5)、横向连通管道(6)、纵向导出分管道(7)构成的微通道基本组成单元(9)，在基底(1)的两边分别开有横向导入主管道(4)及横向导出主管道(8)，微通道基本组成单元(9)平行间隔排布在横向导入主管道(4)和横向导出主管道(8)之间；每个微通道基本组成单元(9)中，纵向导入分管道(5)的进口与横向导入主管道(4)连通，纵向导出分管道(7)的出口与横向导出主管道(8)连通，在纵向导入分管道(5)与纵向导出分管道(7)之间均匀排布横向连通管道(6)，横向导入主管道(4)的进口及横向导出主管道(8)的出口与外部的工作流体供给系统相连，构成工作流体循环回路；所述散热板为采用热丝化学气相沉积方法在抛光硅片上制备而成的金刚石薄膜散热板(3)，金刚石薄膜散热板(3)的下表面为制备金刚石薄膜时产生的粗糙生长面，通过键合层(2)与基底(1)的上表面键合，封闭微通道系统，金刚石薄膜散热板(3)的上表面为与抛光硅片的平整结合面，与热源器件直接粘接。
2、根据权利要求1的基于金刚石薄膜的微通道式散热器，其特征在于所述横向导入主管道(4)的横截面积大于或等于与其相连的所有纵向导入分管道(5)横截面积之和，所述横向导出主管道(8)的横截面积大于或等于与其相连的所有纵向导出分管道(7)横截面积之和，横向导入主管道(4)和横向导出主管道(8)的结构相同，尺寸范围为：深50～1200微米，宽100～2000微米，长400～15000微米。
3、根据权利要求1的基于金刚石薄膜的微通道式散热器，其特征在于所述纵向导入分管道(5)、纵向导入分管道(7)的横截面积分别大于或等于与其相连的所有横向连通管道(6)横截面积之和，纵向导入分管道(5)和纵向导出分管道(7)的结构相同，尺寸范围为：深10～1000微米，宽100～1000微米，长300～5000微米。
4、根据权利要求1的基于金刚石薄膜的微通道式散热器，其特征在于所述横向连通管道(6)的宽度取值保证在纵向导入分管道(5)和纵向导出分管道(7)的间隔内，以小于或等于横向连通管道(6)的宽度但至少大于100微米的间隔距离，纵向平行分布两个到两个以上的横向连通管道(6)；在满足上述要求后，横向连通管道(6)的结构尺寸范围为：深5～100微米，宽100～600微米，长20～1000微米。
5、根据权利要求1的基于金刚石薄膜的微通道式散热器，其特征在于所述横向导入主管道(4)下侧边、横向导入主管道(4)右侧边、横向导出主管道(8)上侧边、横向导出主管道(8)左侧边、第一个微通道基本组成单元(9)内纵向导入分管道(5)的左侧边、最后一个微通道基本组成单元(9)内纵向导出分管道(7)的右侧边与基底(1)周围相邻侧边间距为100～1000微米，纵向导入分管道(5)上侧边与横向导出主管道(8)下侧边间距为100～500微米，纵向导出分管道(7)下侧边与横向导入主管道(4)上侧边间距为100～500微米。
6、根据权利要求1的基于金刚石薄膜的微通道式散热器，其特征在于相邻的微通道基本组成单元(9)间距为100～500微米。
7、根据权利要求1的基于金刚石薄膜的微通道式散热器，其特征在于相邻的横向连通管道(6)间距为100～600微米。
8、根据权利要求1的基于金刚石薄膜的微通道式散热器，其特征在于所述工作流体为去离子水、氟利昂或乙醇。
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