CN203690286U - 具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，硅基微通道换热器由硅基板和具有电流体动力微泵的氮化铝顶板通过键合密封而成，所述的硅基板表面通过反应离子蚀刻法蚀刻出微沟槽，形成冷却液丙酮的流动通道以及换热的场所，所述氮化铝顶板的电流体动力微泵通过激光雕刻、沉金或离子溅射、蒸镀工艺制作。由于电流体动力微泵具有流动稳定、运行可靠、流量控制精确、能耗低等特点，且能够与硅基微通道有效地集成到一体，有效的节省了微电子元器件内有限的空间，在微电子散热领域具有广阔的应用前景。

Description

具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器

技术领域

本实用新型涉及一种应用于微电子器件散热的硅基微通道换热器，特别涉及一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器。 

背景技术

目前，随着微电子科技的迅速进步，一方面电子元器件的特征尺寸越小越好,已从微米量级向亚微米量级发展,另一方面,器件的集成度自1959年以来每年以40%~50%高速度递增，这直接导致了电子元器件功耗的不断增大，单位面积热流密度的显著攀升。目前高热流器件的散热功率已达 

W/m2的量级,而下一代电子元器件的散热将超过

 W/m2。微电子器件的可靠性对温度十分敏感,器件温度在70℃~80℃水平上每增加1℃,其可靠性将下降5%,因此这些热量需要及时排出以保证芯片的温度处于所允许的范围内，而现有的电子冷却技术无法满足现在电子器件所需的散热功率。大功率电子芯片的散热问题已经成为微电子行业发展的一个瓶颈,也是目前电子器件封装和应用必须解决的核心问题。 

1981年Tuhcemrna和Paees针对高热流密度微电子冷却问题,率先提出了微通道换热器(Miocrhcnnaelheatsikns或Mierohcnnaelheatexehnagers)。一般的硅基微通道换热器结构是：在半导体硅的基片上蚀刻出微沟槽，用盖板耦合构成冷却液流动的微通道，微通道通过连接管与外界泵连接，形成强制循环回路。微流体流经微通道并以对流换热的方式带走微电子器件所产生的热量。由于微通道换热器具有高效、优良的换热性能,所以自其被提出至今三十多年以来,一直得到了国内外研究者的广泛关注。 

而与微通道换热器连接的传统泵具有体积大，功耗高，噪声大，流量控制精度差等缺点，在微电子散热领域表现出了严重的不适应性。 

电流体动力微泵是一种通过液体工质中的离子在强电场作用下受到库仑力而运动，从而间接带动周围的液体分子的运动，进而驱动液体工质流动的动力装置，具有体积小、无运动部件、运行可靠、低耗、无需独立空间，采用直流驱动（但并非全部），不产生附加磁场，不会干扰电子元件工作等优点，表现出了良好的适应性，被认是解决微电子行业中高热流器件的冷却问题的一个突破，在微流体冷却领域具有广阔的应用前景。 

基于以上有必要设计一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器,既具有流动稳定、运行可靠、流量精确的主动式动力源来驱动液体的流动，又能有效的节约系统空间与能量消耗。 

实用新型内容

 本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，一方面提供一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，另一方面提供一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器制造方法。 

本实用新型提供的具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器采用如下技术方案： 

 具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，包括上下紧密贴合的顶板和硅基板；

所述硅基板上表面通过反应离子刻蚀法沿长度方向刻蚀有贯穿的微沟槽，所述微沟槽的水力直径为10um~3mm；

所述顶板面向硅基板的一面加工有电流体动力微泵，所述电流体动力微泵包括加工有梳齿状结构的发射极沟槽和集电极沟槽，所述发射极沟槽和集电极沟槽的深度为20-40μm，所述发射极沟槽与集电极沟槽平行交错分布，槽内均填镀有金，相邻的发射极沟槽和集电极沟槽构成一个电极对，同一电极对的集电极沟槽与发射极沟槽之间的距离为0.1mm~0.3mm，两个电极对之间的距离为电极对中两电极之间距离的2~3倍，所有发射极沟槽末端与直流电源正极连接，所有集电极沟槽末端与直流电源负极连接。

进一步地，所述金的上表面还镀有一层厚度为0.5um~2um氮化铝薄膜，这样既不影响发射极与集电极间的电场强度，又能有效地起到绝缘的作用，防止电极与硅基板的直接接触引起所述硅基板的导电。 

进一步地，所述换热器采用丙酮为冷却液。 

进一步地，所述顶板材质为氮化铝。 

进一步地，所述顶板底面形状大小与硅基板的相一致。 

使用本实用新型具有电流体动力微泵的微通道换热器过程中，应先将具有电流体动力微泵的微通道换热器与外部流体循环系统连接，让流体充满整个微泵腔室，然后接通直流电源，利用电液动力效应，通过电极表面离子的拖拽作用驱使流体流动，达到热交换的效果。 

本实用新型提供的制造方法采用如下技术方案： 

一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器的制造方法，包括步骤：

（1）分别在顶板上加工发射极沟槽和集电极沟槽、在硅基板上通过反应离子刻蚀法沿长度方向刻蚀贯穿的微沟槽，所述顶板采用激光雕刻技术，在所述氮化铝的顶板上雕刻出梳齿状所述发射极沟槽和集电极沟槽，并去除沟槽边缘的毛刺和棱角；

（2）采用沉金处理或者离子溅射工艺，将步骤（1）中发射极沟槽与集电极的沟槽镀满金，制备出发射极与集电极；

（3）采用蒸镀处理工艺，在步骤（2）处理后的顶板表面镀一层厚度为0.5um~2um氮化铝薄膜；

(4)将处理后的顶板)与硅基板采用键合技术密封封装。

本实用新型相比现有技术，其有益效果是：采用薄板式原材料，因电流体动力微泵具有流动稳定、运行可靠、流量控制精确、能耗低等特点，且能够与硅基微通道有效地集成到一体，有效的节省了微电子元器件内有限的空间，在微电子散热领域具有广阔的应用前景，同时制造工艺简单成熟、成本低，适合不同规模情况的加工及生产，具有较高的经济效益。 

附图说明

图1为一种具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器爆炸示意图。 

图2为具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器硅基板的结构示意图。 

图3为具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器的顶板结构示意图。 

图4为顶板制作工艺流程图。 

图4（a）为初始氮化铝顶板示意图。 

图4（b）为采用激光雕刻技术后，蚀刻出电极结构沟槽示意图。 

图4（c）为采用沉金工艺后电极结构示意图。 

图4（d）为采用蒸镀工艺后，电极结构示意图。 

图中所示为：1-硅基板；2-顶板；3-微沟槽；4-发射极；5-集电极。 

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。 

实施例1 

如图1-3所示，具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，包括上下紧密贴合的顶板2和硅基板1，所述顶板2底面形状大小与硅基板1的相一致，所述硅基板1上表面通过反应离子刻蚀法沿长度方向刻蚀有贯穿的微沟槽3，所述微沟槽3的水力直径为10um~3mm；

所述顶板2材质为氮化铝，顶板2面向硅基板1的一面加工有电流体动力微泵，所述电流体动力微泵包括加工有梳齿状结构的发射极沟槽4和集电极沟槽5，所述发射极沟槽4和集电极沟槽5的深度为20-40μm，所述发射极沟槽4与集电极沟槽5平行交错分布，槽内均填镀有金，相邻的发射极沟槽4和集电极沟槽5构成一个电极对，同一电极对的集电极沟槽5与发射极沟槽4之间的距离为0.1mm~0.3mm，两个电极对之间的距离为电极对中两电极之间距离的2~3倍，所有发射极沟槽4末端与直流电源正极连接，所有集电极沟槽5末端与直流电源负极连接。

所述金的上表面还镀有一层厚度为0.5um~2um氮化铝薄膜。 

所述换热器采用丙酮为冷却液。 

实施例2 

具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器的制造方法，包括步骤：

（1）分别在顶板2上加工发射极沟槽4和集电极沟槽5、在硅基板1上通过反应离子刻蚀法沿长度方向刻蚀贯穿的微沟槽3，所述顶板2采用激光雕刻技术，在所述氮化铝的顶板2上雕刻出梳齿状所述发射极沟槽4和集电极沟槽5，并去除沟槽边缘的毛刺和棱角；

（2）采用沉金处理或者离子溅射工艺，将步骤1中发射极沟槽4与集电极的沟槽5镀满金，制备出发射极与集电极；

（3）采用蒸镀处理工艺，在步骤（2）处理后的顶板表面镀一层厚度为0.5um~2um氮化铝薄膜；

(4)将处理后的顶板2与硅基板1采用键合技术密封封装。

上述针对顶板2的加工过程参看附图4： 

（1）如图4（b）所示，采用激光雕刻技术，将4（a）中的氮化铝顶板2雕刻出梳齿状发射极沟槽4和集电极沟槽5，并去除沟槽边缘的毛刺和棱角；所述发射极沟槽4与集电极沟槽5平行交错分布，相邻的发射极沟槽4和集电极沟槽5构成一个电极对沟槽，同一电极对沟槽的集电极沟槽4与发射极沟槽5之间的距离为0.1mm~0.3mm，两个电极对沟槽之间的距离为电极对沟槽中两电极沟槽之间距离的2~3倍；所述发射极沟槽4和集电极沟槽5的深度为20-40μm，宽度为0.1mm~0.3mm；

（2）如图4（c）所示，采用沉金处理或者离子溅射工艺，将发射极沟槽4与集电极沟槽5镀满金层，制备出发射极与集电极；所述发射极末端与直流电源正极连接，所有集电极末端与直流电源负极连接；

（3）如图4（d）所示，采用蒸镀处理工艺，在步骤（2）处理后的顶板2表面镀一层氮化铝薄膜，厚度以高出电极0.5um~2um为宜，既不影响发射极与集电极间的电场强度，又能有效地起到绝缘的作用，防止电极与硅基板1的直接接触引起硅基板的导电。

使用本实用新型具有电流体动力微泵的微通道换热器1过程中，应先将具有电流体动力微泵的微通道换热器1与外部流体循环系统连接，让流体充满整个微泵腔室，然后接通直流电源，利用电液动力效应，通过电极表面离子的拖拽作用驱使流体流动，达到热交换的效果。 

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (5)

1.具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，其特征在于，包括上下紧密贴合的顶板（2)和硅基板（1)；

所述硅基板（1)上表面通过反应离子刻蚀法沿长度方向刻蚀有贯穿的微沟槽（3），所述微沟槽（3)的水力直径为10um~3mm；

所述顶板（2）面向硅基板（1)的一面加工有电流体动力微泵，所述电流体动力微泵包括加工有梳齿状结构的发射极沟槽(4)和集电极沟槽(5)，所述发射极沟槽(4)和集电极沟槽(5)的深度为20-40μm，所述发射极沟槽(4)与集电极沟槽(5)平行交错分布，槽内均填镀有金，相邻的发射极沟槽(4)和集电极沟槽(5)构成一个电极对，同一电极对的集电极沟槽(5)与发射极沟槽(4)之间的距离为0.1mm~0.3mm，两个电极对之间的距离为电极对中两电极之间距离的2~3倍，所有发射极沟槽(4)末端与直流电源正极连接，所有集电极沟槽(5)末端与直流电源负极连接。

2.根据权利要求1所述的具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，其特征在于，所述金的上表面还镀有一层厚度为0.5um~2um氮化铝薄膜。

3.根据权利要求1所述的具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，其特征在于，所述换热器采用丙酮为冷却液。

4.根据权利要求1所述的具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，其特征在于，所述顶板(2)材质为氮化铝。

5.根据权利要求1所述的具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器，其特征在于，所述顶板(2)底面形状大小与硅基板(1)的相一致。

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