CN204286182U - 一种硅基微型环路热管冷却器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种硅基微型环路热管冷却器，包括键合在一起的半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片，所述硅片与硼硅酸玻璃片接触的表面上刻蚀有蒸发器、冷凝器、液体补偿器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸发器和冷凝器的两端分别通过液相通道和汽相通道相连接，形成闭合回路；所述液相通道上设有储液腔；所述蒸发器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸发器与抽真空/注液通道连通，所述硼硅酸玻璃片上加工有能够与抽真空/注液微通道连通的抽真空/注液孔。本实用新型能够直接与半导体微电子芯片集成为一体，从而有效降低芯片的温度和温度梯度，减小并削弱因局部高热流而造成的“热点”问题，保障芯片的安全可靠运行。

Description

一种硅基微型环路热管冷却器

技术领域

本实用新型属于微电子芯片的温控领域，尤其是一种硅基微型环路热管冷却器。

背景技术

近年来，随着各电子器件及设备(如计算机芯片等)向高性能和微小型化的发展趋势，它们工作时将产生工作热负荷快速增加并造成发热量过大的问题，严重影响电子器件的工作性能及安全可靠性。同时，微电子芯片本身的发热不均将在局部表面产生“热点”，其存在被认为是造成芯片“热失效”、威胁系统安全的关键原因。针对微电子芯片冷却空间狭小、散热困难的特点，为将芯片温度控制在安全水平并提高其均温性、减少局部“热点”，亟需发展新型的微冷却技术。

在各种微电子器件散热冷却技术中，微小型环路热管(LPH)因其散热性能卓越和结构布置正日益受到关注，被认为是一种很有发展前景的新型微冷却散热技术。目前，该热管主要通过毛细管与金属板(块)的连接制作构成环路或直接在金属板上加工用于构成蒸发器的毛细芯结构和冷凝器的U型槽道结构来实现。如Chu等在《Heat Transfer—Asian Research》(2004年33卷42-55页)上发表的“Design of miniature loop heat pipe”(小型环路热管的设计)中所提出的蒸发器毛细芯结构和冷凝器相互分离、并通过管道将两者连接的环路热管；以及专利号US20130233521A1，名称为“Loop heat pipe and electronic equipment using the same”(基于环路热管的冷却装置)的美国专利中所公开的一种直接在平板上加工蒸发器、冷凝器和回路结构的平板环路热管，该平板环路热管可有多个蒸发器或冷凝器。由上述方法制作得到的毛细泵回路，一般通过与微电子器件的直接接触而将热量带出，由此降低其工作温度。这种散热模式在连接过程中会引入额外接触热阻，降低散热效率，而在减少芯片表面局部“热点”方面也存在较大的局限；同时，还可能因材料兼容性而导致热应力集中的问题，当器件本身温度分布不均时表现更为严重。

实用新型内容

针对现有LPH散热技术难以有效解决微电子芯片工作热负荷快速增加并造成其本身发热不均在表面产生局部“热点”的问题，本实用新型提供了一种硅基微型环路热管冷却器，能够有效降低芯片“热点”部位的温度、提高散热冷却效率，结合LPH的自身特性和微尺度传热的优点增强传热温控能力，使微电子芯片的工作性能更加安全可靠。

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，包括键合在一起的半导体硅片、耐热硼硅酸玻璃片；所述硅片与硼硅酸玻璃片接触的表面上刻蚀有蒸发器、冷凝器、液体补偿器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸发器和冷凝器的两端分别通过液相通道和汽相通道相连接，形成闭合回路；所述液相通道上设有储液腔；所述蒸发器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸发器与抽真空/注液通道连通，所述硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔，所述抽真空/注液孔能够与抽真空/注液微通道连通。

优选地，所述冷凝蛇型通道为数个等间距排列、且连通的U型通道构成。

优选地，所述蒸发器的微小槽道结构为数个贯穿于液相通道、汽相通道之间的蒸发微通道，或者为微肋阵列毛细结构，所述微肋阵列毛细结构为多个以阵列排列的在所述硅片上经刻蚀留下的微肋构成，微肋之间形成微通道。

优选地，所述微肋的横截面为矩形、三角形或圆形，所述微肋的阵列排列方式为顺排或叉排，所述微肋阵列毛细结构中微肋宽度为100～300μm、长度为400～1200μm，两列微肋之间的间距为50～300μm，两行微肋之间的间距为50～300μm。

优选地，所述冷凝蛇形通道的截面为梯形，冷凝蛇形通道的通道水力直径为500～2000μm；蒸发器的微小槽道结构的通道水力直径取100～200μm。

优选地，所述液相通道的直径小于汽相通道的直径。

优选地，所述汽相通道从蒸发器向冷凝器方向线性增大；液相通道从液体补偿器向冷凝器方向线性减小。

优选地，所述抽真空/注液微通道内液体工质充注体积占整个硅基环路总体积的25％～40％。

优选地，所述充注液体工质为水、乙醇、电子冷却液FC-72中的一种。

优选地，所述的硅基微冷却器的硅片能够直接与半导体微电子芯片集成为一体。

本实用新型通过半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片静电键合技术，将硼硅酸玻璃与刻蚀有蒸发器、冷凝器、液体补偿器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道的半导体硅片键合为一体，形成由玻璃密封的硅基微型环路热管冷却器。本实用新型中所述的蒸发器和冷凝器由液体补偿器、汽相通道和液相通道连接，形成闭合回路。蒸发器吸收来自微电子芯片工作产生的热量，冷却工质接受热量后发生蒸发相变，由液相变为汽相。在蒸发器和冷凝器工质压差的作用下，蒸发形成的汽相工质经汽相回路向冷凝器运动，在冷凝器处经冷却后又恢复为液相，在压差作用下冷却液沿液相回路进入液体补偿器，并返回蒸发器，继续吸热蒸发，如此往复，循环工作。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)使用时将硅基微型环路热管冷却器与半导体微电子芯片集成为一体，使芯片温度较高的“热点”部位热量经与其直接集成在一起的LPH传递至温度较低的部位，实现减小和平衡温差的作用；使硅基微型环路热管冷却器直接有效降低芯片“热点”部位的温度，提高散热、冷却效率，结合硅基微型环路热管冷却器的自身特性和微尺度传热的优点增强传热温控能力，使微电子芯片的工作性能更加安全可靠。

(2)本实用新型中所述的硅基微型环路热管冷却器内部包括微肋阵列毛细结构，该微肋阵列毛细结构是多个以阵列排列的由所述硅片上刻蚀留下的微肋构成，两排微肋之间的间隔较小，能够破坏边界层的充分发展，以此使整个微通道沿长度方向的平均边界层厚度变薄，从而起到强化换热的效果。同时，该微肋阵列毛细结构能够减小工质流动阻力，显著增强所述LPH蒸发器的润湿/自润湿效果，延迟其在较高热负荷情况下因工质不足而造成的烧干问题，提高热管的传热极限。

(3)本实用新型所述的硅基LPH冷却器，由于具有传统LPH的特点和微尺度下的传热强化的优势，使其在有效克服传统散热方式难以应对“芯片级冷却”不足的同时又兼具强化换热的功能。

(4)本实用新型中连接蒸发器和冷凝器的汽相通道和液相通道的直径线性变化，有利于因未完全液化或汽化的汽-液两相工质呈泰勒流状态在汽/液相通道内的循环工作。

(5)本实用新型中将硅基LPH与微电子芯片集成制作于一体，能够有效减少传统冷却成本、降低能耗，且能够改善芯片的散热冷却效果和承载热负荷的能力。

附图说明

图1为所述半导体硅片表面的刻蚀结构一种实施例示意图。

图2为所述半导体硅片表面的刻蚀结构另一种实施例示意图。

图3为所述耐热硼硅酸玻璃结构图。

图中：

1-半导体硅片，2-蒸发器，3-冷凝器，4-液体补偿器，5-液相通道，6-汽相通道，7-蒸发微通道，8-冷凝蛇形通道，9-抽真空/注液微通道，10-微肋阵列毛细结构，11-耐热硼硅酸玻璃片，12-抽真空/注液孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

实施例1

一种硅基微型环路热管冷却器包括键合在一起的半导体硅片1和耐热硼硅酸玻璃片11，所述半导体硅片1能够与半导体微电子芯片集成为一体。如图1所示，所述硅片1与所述硼硅酸玻璃片11接触的表面刻蚀有蒸发器2、冷凝器3、液体补偿器4、液相通道5、汽相通道6和抽真空/注液通道9。所述蒸发器2和冷凝器3的两端分别通过液相通道5和汽相通道6相连接，形成闭合回路。储液腔4位于所述液相通道5上，靠近蒸发器2的位置。所述冷凝蛇型通道8为数个等间距排列、且连通的U型通道构成。所述U型通道数为2～8个适宜，冷凝蛇形通道8的通道水力直径为500～2000μm适宜。所述蒸发器2的微小槽道结构为数个贯穿于液相通道5、汽相通道6之间的蒸发微通道7构成。蒸发器2的微小槽道结构的通道水力直径取100～200μm适宜。蒸发器2与抽真空/注液通道9连通。如图3所示，耐热硼硅酸玻璃片11上加工有抽真空/注液孔12；抽真空/注液孔12位于能够与抽真空/注液微通道9的顶端位置相连通的位置。所述的抽真空/注液微通道9内充注体积占整个硅基环路总体积的25％～40％的水、乙醇或电子冷却液FC-72。

所述液相通道5的直径小于汽相通道6的直径。具体地，本实施例中，液相通道5的宽度为500μm，汽相通道5的宽度为800μm。冷凝器内含由3个通道宽度均为900μm、等间距排列、且连通的U型通道构成冷凝蛇型通道8。蒸发器2内含有15条宽200μm、且贯穿于液相通道5、汽相通道6之间的蒸发微通道7。

微通道干法刻蚀深度为200μm，由此形成的矩形截面的液相通道5、汽相通道6、蒸发微通道7和冷凝U型通道8的水力直径分别为285.7μm、320μm、200μm和327.3μm。位于液相通道5上的液体补偿器4为8000μm×2750μm的矩形，通过液体补偿器4能够有效控制不同热负荷下蒸发器工质液体的蒸发量，并承担调节冷凝器3冷却散热面积的任务，由此控制芯片的工作温度。

所述硅基LPH冷却器可与微电子芯片直接集成，通过水在回路内的相变和汽、液两相循环运动实现对芯片的直接冷却和“热点”消除功能。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同的是所述蒸发器2的微小槽道结构。本实施例中，蒸发器2的微小槽道结构为微肋阵列毛细结构10构成。所述微肋阵列毛细结构10为多个以阵列排列的在所述硅片上经刻蚀留下的微肋构成，微肋之间形成微通道。微肋宽度为100～300μm、长度为400～1200μm，两列微肋之间的间距为50～300μm，两行微肋之间的间距为50～300μm。所述微肋的横截面为矩形、三角形或圆形，所述微肋的阵列排列方式为顺排或叉排。

具体地，本实施例中，所述微肋阵列毛细结构10阵列方式为顺排，包括横向排列15列、纵向排列7行，矩形微肋的宽度为200μm、长度为1000μm，两列微肋之间的间距为300μm，两行微肋之间的间距为300μm。

实施例3

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中液相通道5和汽相通道6的截面尺寸沿通道方向呈线性变化，其中液相通道5从液体补偿器4向冷凝器3方向线性减小，而汽相通道6则从蒸发器2向冷凝器3方向线性增大。液相通道5的截面积从储液腔4向冷凝器3方向呈线性减小变化，通道宽度由600μm减小到300μm，对应通道水力直径由300μm减小到240μm；而汽相通道6宽度由500μm增加到1000μm，对应通道水力直径由285.7μm增加到333.3μm。经过以上调整，有利于增强未能完全液化或汽化的汽-液两相冷却工质在液相通道5和汽相通道6内的自发毛细运动效果，减小流动阻力，从而使工质在整个微型环路热管冷却器内的流动更加畅通，提高其运行性能。

本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其中液相通道5和汽相通道6宽度以及冷凝器2内蛇形通道和蒸发器3内微通道的宽度和数量可根据实际需要而进行调整。而微通道的刻蚀深度同样也可以进行调整。

所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，包括键合在一起的半导体硅片(1)、耐热硼硅酸玻璃片(11)；所述硅片(1)与硼硅酸玻璃片(11)接触的表面上刻蚀有蒸发器(2)、冷凝器(3)、液体补偿器(4)、液相通道(5)、汽相通道(6)和抽真空/注液通道(9)；所述蒸发器(2)和冷凝器(3)的两端分别通过液相通道(5)和汽相通道(6)相连接，形成闭合回路；所述液相通道(5)上设有储液腔(4)；所述蒸发器(2)包括微小槽道；所述冷凝器(3)包括冷凝蛇形通道(8)；蒸发器(2)与抽真空/注液通道(9)连通，所述硼硅酸玻璃片(11)上加工有抽真空/注液孔(12)，所述抽真空/注液孔(12)能够与抽真空/注液微通道(9)连通。

2.根据权利要求1所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述冷凝蛇型通道(8)为数个等间距排列、且连通的U型通道构成。

3.根据权利要求1所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述蒸发器(2)的微小槽道结构为数个贯穿于液相通道(5)、汽相通道(6)之间的蒸发微通道(7)，或者为微肋阵列毛细结构(10)，所述微肋阵列毛细结构(10)为多个以阵列排列的在所述硅片上经刻蚀留下的微肋构成，微肋之间形成微通道。

4.根据权利要求3所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述微肋的横截面为矩形、三角形或圆形，所述微肋的阵列排列方式为顺排或叉排，所述微肋阵列毛细结构(10)中微肋宽度为100～300μm、长度为400～1200μm，两列微肋之间的间距为50～300μm，两行微肋之间的间距为50～300μm。

5.根据权利要求1所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述冷凝蛇形通道的截面为梯形，冷凝蛇形通道(8)的通道水力直径为500～2000μm；蒸发器(2)的微小槽道结构的通道水力直径取100～200μm。

6.根据权利要求1所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述液相通道(5)的直径小于汽相通道(6)的直径。

7.根据权利要求6所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述汽相通道(6)从蒸发器(2)向冷凝器(3)方向线性增大；液相通道(5)从液体补偿器(4)向冷凝器(3)方向线性减小。

8.根据权利要求1所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述抽真空/注液微通道(9)内液体工质充注体积占整个硅基环路总体积的25％～40％。

9.根据权利要求8所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述充注液体工质为水、乙醇、电子冷却液FC-72中的一种。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，所述硅片能够直接与半导体微电子芯片集成为一体。