CN211578737U - 一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，属于半导体器件的冷却技术领域。包括玻璃盖板(9)和硅基板(8)组成，其中玻璃盖板(9)包括流体入口(1)和蒸发区域(7)组成，硅基板(8)由入口蓄液槽(2)，流道区域(3)，出口蓄液槽(4)，出口限高区域(5)和流体出口(6)组成。玻璃盖板(9)和硅基板(8)采用阳极键合技术封装完成，以确保蒸发区域(5)与流道区域(3)完整衔接。本实用新型在半导体器件的近结区域，利用液体薄液膜蒸发原理，实现对半导体器件结温的有效降低，具有换热系数大，蒸发效率高，满足高热流密度，多热区同时存在的运行要求，为半导体器件的安全稳定运行提高一种新思路。

Description

一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置

技术领域

本实用新型属半导体器件基板近结冷却技术领域，涉及到一种利用液体薄膜蒸发传热的冷却装置。

背景技术

传统的硅基半导体装置通常会产生最大150℃的高温，利用界面热结合材料与均热板粘接，达到冷却的目的。而随着技术的进步，宽禁带半导体装置，比如：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)，可能产生超过300℃的高温，芯片整体区域热流密度达到100～250W/cm²，而在近结区域亚毫米热区上，热流甚至达到1000W/cm²，高效地散热已经成为限制半导体器件发展的严重阻碍。但传统的散热方式已经无法满足新兴电子器件的冷却需求，因此，迫切需要一种满足高热流密度、传热系数高的散热冷却方式，已期达到降低器件结温，延长半导体器件使用寿命的目的。

目前，国内外对于半导体器件的散热冷却的研究包括：均热冷板冷却、热管冷却、热电制冷冷却、微通道热沉冷却以及整体式冷却器，然而这些方法，均需将热区的热量通过高导热材料传导到散热装置中，因此界面热阻的存在难以避免。一种新型散热冷却装置，在热区的近结区域进行冷却，热量直接传导到散热区域，省去了界面材料的应用。本实用新型利用工质的薄液膜蒸发相变的高换热系数，急速地完成热量散发，同时也利用工质的显热升温带走部分热量，保证温度维持在合理的区间。

本实用新型针对多个热区分布存在，以多根微通道并联的方式，且垂直对应于多热区，使液体均匀的分布到每个区域，同时利用液体薄液膜蒸发相变的原理，利用较高的换热系数，高效完成散热冷却，达到降低结温的效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于薄液膜蒸发的新型近结冷却装置，用于解决新兴半导体器件的热流密度大和结温过高的问题，为其安全运行提供可靠的蒸发冷却手段。

本实用新型设计了一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：在热源的近结区域进行直接的冷却，避免了接触热阻的出现，整个流体工质的流程如图1所示。包括玻璃盖板(9)和硅基板(8)组成，其中玻璃盖板(9)由流体入口(1)和蒸发区域(7)组成，且均为通孔，流体入口(1)与外部流体供应相连，玻璃盖板(9)的中心为蒸发区域(7)，无任何玻璃遮盖，便于气体蒸发溢出；

硅基板(8)包括入口蓄液槽(2)、流道区域(3)、出口蓄液槽(4)、出口限高区域(5)和流体出口(6)，即在硅基板(8)的上表面中心长方形面积的区域为流道区域(3)，流道区域(3)刻蚀有多道平行的细流道凹槽(31)，在硅基板(8)上表面流道区域(3)一侧刻蚀有入口蓄液槽(2)，另一侧刻蚀有出口蓄液槽(4)，细流道凹槽(31)将入口蓄液槽(2) 和出口蓄液槽(4)连通，入口蓄液槽(2)的一端刻蚀有连通的入口槽与流体入口(1)上下相对连通，在出口蓄液槽(4)的一端蚀有连通的出口限高区域(5)的凹槽，出口限高区域(5)的凹槽从硅基板(8)的侧面开成通槽形成流体出口(6)；入口槽和出口限高区域(5) 的凹槽位于硅基板(8)长方形上表面的对角上；入口蓄液槽(2)、出口蓄液槽(4)、细流道凹槽(31)的槽深相同即高度相同，出口限高区域(5)的凹槽的深度或高度小于或高于出口蓄液槽(4)的深度或高度；

蒸发区域(7)与流道区域(3)上下正相对应，薄液膜蒸发发生在此处；流道区域(3)与入口蓄液槽(2)和出口蓄液槽(4)相连通，流体经过入口蓄液槽(2)，到达流道区域(3)，再到达出口蓄液槽(4)，最终经由出口限高区域(5)，到达流体出口(6)，完成蒸发冷却装置内的循环；玻璃盖板(9)和硅基板(8)采用阳极键合方式封装，保证流道区域(3)与蒸发区域(7)对应。

在流经流道区域(3)时，其中部分流体工质在流经流道区域(3)上表面发生薄液膜蒸发相变，一部分继续流动，经过出口蓄液槽(4)，出口限高区域(5)和流体出口(6)，最终到达装置外部的储液池。

整个蒸发冷却装置的玻璃盖板(9)的底面和硅基板(8)的上表面平行相对且贴合，以保证阳极键合密封性，整个装置保持水平置于负压腔内，流体入口(1)经由泵与液体工质储液连接，流体出口(6)流出的液体工质流入液体工质储液中，同时相变形成的气体工质在负压腔内表面冷却再流入液体工质储液中，负压腔外表面可采用气体或液体冷却介质进行冷却。

硅基板(8)的出口限高区域(5)用来控制装置内液体薄膜的厚度，多余的流体由出口限高区域(5)的上半部开口部位流出，以确保整个流道区域(3)维持较薄的液膜厚度。硅基板(8)及出口限高区域(5)局部放大图如图2所示。玻璃盖板(9)的蒸发区域(7)用来散发蒸汽，整个玻璃盖板(9)如图3所示。

本实用新型中，整个蒸发冷却装置处于水平位置，保证液体工质在流道区域(3)内液膜厚度保持一致，液体工质在装置的流动温度变化示意图如图4所示，工质温度流经流道区域(3)实现升温。蒸发冷却装置由系统中的微泵提供液体工质循环动力，多余的液体仍流回负压腔内的储液池，蒸发的气体由负压腔壁面或恒温水箱进行冷却，再次回流到储液池内，完成循环过程，如图5所示(整个装置只有流道区域(3)上进行相变蒸发和流体出口(6)流出液体两种途径可出工质)。

流体工质可分别选用FC-72、FHE-7100或者其他绝缘介电液流体，系统装置的材质可选择玻璃、硅及硅的化合物。假如应用于其他散热领域可选用铜、钨铜等高导热金属材料作为基材。

多道平行的细流道凹槽(31)采用两个相对靠近分为一组，多组平行，一组内两个细流道凹槽(31)间距相对较近为50微米，相邻两组两个细流道凹槽(31)间距相对较远为120 微米，流道的宽度为10微米，深为40微米；出口限高区域(5)的凹槽深度为20微米。出口限高区域(5)的宽度(如图中的100微米)小于入口槽的宽度(如图中的130微米)。

本实用新型具有以下优点与效果：

1、本实用新型中，利用出口限高区域(5)对流体液膜的厚度进行控制，可根据实际需求调节出口限高区域(5)的高度，实现薄液膜蒸发的相变方式。同时部分液体流过微通道以显热的形式带走部分热量，两种散热方式的结合使用有效降低半导体器件的结温。

2、本实用新型中，蒸发冷却装置处于水平位置，保证了流道区域(3)内的液膜厚度始终处于一致，因此保证热源的温度具有较好地均匀性。

3、本实用新型在半导体器件的近结区域直接进行冷却，避免了界面热结合材料的使用，减少了接触热阻，更加高效地完成热量的传递。

4、可根据热区数量的多少调节流道区域(3)的数量，进而实现对多热区温度的同步控制。

5、流道区域(3)均采用矩形直通道，相对于其他复杂通道结构，减小了压降损失，相同的泵功下可以完成更大流量的液体循环，利于节能。

6、系统的压强可根据实际需求进行调节，进而影响工质的饱和温度，达到强化换热的目的。

附图说明

图1为本实用新型的三维结构示意图及流体流动示意图。

图2为本实用新型的硅基板轴向示意图。

图3为本实用新型的玻璃盖板轴向示意图。

图4为本实用新型流体流动温度变化示意图。

图5为本实用新型的完整系统及循环示意图。

图6为热源分布及大小尺寸图，(单位为um)。

图7为硅基板尺寸图。(a)俯视尺寸图，(b)截面尺寸图,(单位um)。

图8为本实用新型装置整体结构的A-A剖面图。

图9为本实用新型的具体加工工艺示意图。

流体入口1、入口蓄液槽2、流道区域3、出口蓄液槽4、出口限高区域5、流体出口6、蒸发区域7、硅基板8、玻璃盖板9、细流道凹槽31。

具体实施方式

本实用新型提出一种基于薄液膜蒸发的新型近结冷却装置，结合附图及在半导体器件冷却领域的应用对本实用新型作进一步的描述；但本实用新型并不限于以下实施例。

本实用新型的核心思路是：液体工质在流道区域(3)内发生薄液膜蒸发，有效地降低了结温。在半导体器件热源附近的基板直接进行蚀刻，减少了热结合材料的使用，避免了接触热阻。液体由流体入口(1)进入，到达入口蓄液槽(2)，再流经流道区域(3)，其中一部分热量由流体升温的显热带走部分热量，另一部分由薄液膜蒸发潜热带走，流体液膜的厚度由出口限高区域(5)控制。升温的流体再由出口流体出口(6)流出，进入外部储液池。完成循环，循环实现由微泵提供动力。整个系统的压强由外部真空泵控制。

实施例1

如图1所示为一种一种基于薄液膜蒸发的新型近结冷却装置，整体结构分为玻璃盖板 (9)和硅基板(8)，两者尺寸大小相同，均为2500×800um，硅基板厚度为80um，玻璃盖板厚度为40um，截面图如图8所示。由于大功率半导体器件的价格高昂，故本实施方案中采用模拟热源代替半导体器件进行实施，模拟热源的分布及尺寸大小如图6所示，热源间隔为50或120um，选择与实际半导体器件CGHV1J070D相似的结构。

本实用新型采用MEMS(Micro-Electromechanical System)工艺对基材进行加工处理，具体加工键合过程示意图如图9。图中a-1和b-1均为初始玻璃和硅基板，再利用蚀刻方法对硅片不同厚度区域进行处理，利用激光切割对玻璃基板进行切割，再将两者采用阳极键合的方式封装完成。此时，流体入口1与硅基板2入口段相对应，流道区域3与蒸发区域7相对应。所选实施例中，流道高度为40um，入口和出口长度均为160um，宽度分别为为130 和100um，出口限制高度为20um，如图7(a)(b)所示。最终底部利用磁控溅射沉积模拟热源分布结构，完成整个试验件的制造加工。

以绝缘介电工质，如FC-72、HFE-7100作为冷却工质，由流体入口1进入入口蓄液槽2，流经流道区域3，部分液体升温带走热量，如图4所示，另一部分薄液膜蒸发相变带走热量，液膜厚度可由出口限高区域5进行调节，保证底部热源的温度分布均匀性，有效地在半导体的近结区域降低结温，满足温度环境需求，延长器件寿命。整个装置置于负压系统中，可根据实际操作情况调节压强大小，系统示意图如图5所示。

综上所述，以上仅为本实用新型的优选实施例，并非用于限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：包括玻璃盖板(9)和硅基板(8)组成，其中玻璃盖板(9)由流体入口(1)和蒸发区域(7)组成，且均为通孔，流体入口(1)与外部流体供应相连，玻璃盖板(9)的中心为蒸发区域(7)，无任何玻璃遮盖，便于气体蒸发溢出；

硅基板(8)包括入口蓄液槽(2)、流道区域(3)、出口蓄液槽(4)、出口限高区域(5)和流体出口(6)，即在硅基板(8)的上表面中心长方形面积的区域为流道区域(3)，流道区域(3)刻蚀有多道平行的细流道凹槽(31)，在硅基板(8)上表面流道区域(3)一侧刻蚀有入口蓄液槽(2)，另一侧刻蚀有出口蓄液槽(4)，细流道凹槽(31)将入口蓄液槽(2)和出口蓄液槽(4)连通，入口蓄液槽(2)的一端刻蚀有连通的入口槽与流体入口(1)上下相对连通，在出口蓄液槽(4)的一端蚀有连通的出口限高区域(5)的凹槽，出口限高区域(5)的凹槽从硅基板(8)的侧面开成通槽形成流体出口(6)；入口槽和出口限高区域(5)的凹槽位于硅基板(8)长方形上表面的对角上；入口蓄液槽(2)、出口蓄液槽(4)、细流道凹槽(31)的槽深相同即高度相同，出口限高区域(5)的凹槽的深度或高度小于或高于出口蓄液槽(4)的深度或高度。

2.按照权利要求1所述的一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：蒸发区域(7)与流道区域(3)上下正相对应，薄液膜蒸发发生在此处；流道区域(3)与入口蓄液槽(2)和出口蓄液槽(4)相连通，流体经过入口蓄液槽(2)，到达流道区域(3)，再到达出口蓄液槽(4)，最终经由出口限高区域(5)，到达流体出口(6)，完成蒸发冷却装置内的循环；玻璃盖板(9)和硅基板(8)采用阳极键合方式封装，保证流道区域(3)与蒸发区域(7)对应。

3.按照权利要求1所述的一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：在流经流道区域(3)时，其中部分流体工质在流经流道区域(3)上表面发生薄液膜蒸发相变，一部分继续流动，经过出口蓄液槽(4)，出口限高区域(5)和流体出口(6)，最终到达装置外部的储液池。

4.按照权利要求1所述的一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：整个蒸发冷却装置的玻璃盖板(9)的底面和硅基板(8)的上表面平行相对且贴合，以保证阳极键合密封性。

5.按照权利要求1所述的一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：整个装置保持水平置于负压腔内，流体入口(1)经由泵与液体工质储液连接，流体出口(6)流出的液体工质流入液体工质储液中，同时相变形成的气体工质在负压腔内表面冷却再流入液体工质储液中，负压腔外表面可采用气体或液体冷却介质进行冷却。

6.按照权利要求1所述的一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：硅基板(8)的出口限高区域(5)用来控制装置内液体薄膜的厚度，多余的流体由出口限高区域(5)的上半部开口部位流出，以确保整个流道区域(3)维持较薄的液膜厚度；玻璃盖板(9)的蒸发区域(7)用来散发蒸汽。

7.按照权利要求1所述的一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：流体工质选用FC-72、FHE-7100。

8.按照权利要求1所述的一种基于薄液膜蒸发的近结冷却装置，其特征在于：多道平行的细流道凹槽(31)采用两个相对靠近分为一组，多组平行，一组内两个细流道凹槽(31)间距相对较近，相邻两组两个细流道凹槽(31)间距相对较远；出口限高区域(5)的宽度小于入口槽的宽度。

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