TWI242865B - Electro-osmotic pumps and micro-channels - Google Patents

Description

1242865 · (1) 玖 '發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於微電子技術’尤指一種裝置，使用於冷 卻利用電滲透泵及微通道之電子裝置。 【先前技術】 在微電子技術已有快速發展，結果微電子零件變得更 小，且微電子內之電路變得更密集。隨著零件之尺寸的減 小及電路密度的增加，熱產生典型地增加。隨著技術發 展，散熱變得更爲重要。 不同的技術可被典型地使用於移除或散發由微電子零 件所產生的熱。這些技術包括被動或主動解決方式。可被 分類爲被動解決方式的一種此技術包括使用大量熱傳導材 料，其亦可稱爲熱金屬塊、散熱座或熱展開器。熱展開器 的一個主要目的是要展開或吸收及散發由微電子模具所產 生的熱。此可以至少部份地消除微電子模具中之”熱點”或 過熱的區域。 散熱座可藉由使用熱傳導材料，例如沈積於模具與散 熱座之間的熱介面材料（T1M)，與微電子模具達成熱接 觸。散熱座常常被附著至微電子零件的頂端。有時散熱座 被附著至微電子封裝且沒有直接在微電子模具的背部上。 典型的熱介面材料可包括例如熱傳導凝膠、油膏或焊料。 典型的散熱座是由熱傳導材料做成，例如鋁、電鍍銅、銅 合金或陶瓷。 1242865 ， (2) 熱交換器例如水冷卻系統是另一種技術，其可被分類 爲主動技術，可用於散發由微電子零件所產生的熱。典型 地，水冷卻系統將熱從微電子零件轉移至水，水會變熱。 藉著流動經由散熱座被加熱的水，水被冷卻且可被重新使 用於進一步的冷卻。此技術稱爲主動，因爲加熱的水從微 電子零件被抽離，且冷卻的水被抽至微電子零件。 常常水冷卻系統利用散熱座將熱從零件轉移至水。水 常常流經一系列的管子且常常會經過散熱座本身。典型地 避免微電子外殼或封裝與水之間的接觸，且常常大幅地避 免微電子模具與水之間的接觸。主動及被動的這些技術常 常嚐試散發來自整個微電子零件之熱，不論是否只有一部 份的零件需要散熱。此外，這些技術通常散發來自微電子 外殼或封裝之熱，與常常產生熱之微電子相對。 【發明內容及實施方式】 在以下的詳細敘述中，提出許多細節以提供所揭露之 標的之通盤瞭解。然而，將瞭解熟於此技藝者可在沒有這 些特定細節下實施所揭露之標的。在其它情形中’熟知的 方法、程序、零件及電路沒有詳細敘述而不會弄混所揭露 之標的。 圖1是一微電子零件之剖面圖’指出依據所揭露之標 的之實施例。圖1指出一實施例，其包括一主動層1 02及 一冷卻層1 1 0。可想到在本文中當使用朝向術語例如’’頂 ”、”上，，或，，側，，時，這些術語只是用於標示之目的，並不 -6 - 1242865 (3) 是意指所揭露之標的固定於某一朝向。所揭露之標的很明 顯不限於所述之朝向’可以是例如從所述之實施例上下翻 轉。 熱產生層1 02可以是一主動層’其包括許多主動電氣 裝置，例如C Μ Ο S裝置。然而’可想到亦可利用其它裝 置。亦可想到主動電氣裝置可包括非傳統的熱產生裝置， 例如光學裝置、電光裝置或其它裝置。這些主動電氣裝置 於操作期間可產生熱。 冷卻層1 1 〇可包括一微通道1 1 4，其允許流體1 1 5例 如水通過微通道。在一實施例中，微通道可以是10奈米 至1毫米寬。微通道可被充分地密封以允許流體通過微通 道。流體可以便利形成於熱產生層1 02內之主動電氣裝置 之冷卻。在一實施例中，熱可從主動電氣裝置被轉移至微 通道中的流體。 冷卻層亦可包括許多電滲透泵1 1 2。可想到亦可使用 其它型式的微泵。通常，電滲透泵是一種裝置，其可施加 電位至流體。常常電位將吸引流體中的離子，其是因”電 ' … 、 热雙層π之結果而出現的。因此，任何多餘的離子將在施 加的電場下移動。由於黏曳力，移動的離子常常會拉動周 园的流體以與離子一起移動。此典型地產生大量流體的移 動。可想到利用其它型式的微泵來便利流體的流動，且上 述只是電滲透泵的一個非限定例子。 在一實施例中，電滲透泵1 1 2可製造於操作層1 〇 6 中’且微通道114可製造於操作層1〇6及基體層1〇4中。 -7- 1242865 (4) 操作層1 06可以是一層，其中形成主動電氣裝置。可想到 除了電滲透泵以外的其它電氣裝置可形成於操作盾中。追 些裝置可包括能控制電滲透泵之裝置；然而，所揭露之標 的並不限於這些裝置。亦可想到微通道1 ! 4可在一層或許 多層的冷卻層Π 0中移動。進一步可想到，雖然微通道 H4是以彎曲的方式移動，亦可使用其它擺設。在一實施 例中，微通道可移動以接觸熱產生層102。在其它實施例 中，微通道可在至少部份中只靠近移動以從主動電氣裝置 轉移熱至通過微通道之流體。亦可想到微通道1 1 4可由多 個微通道做成。 熱感測器1 1 6可感測至少部份的熱產生層之溫度。在 一實施例中，熱感測器可以是冷卻層11 0的一部份。在另 一-實施例中，熱感測器1 1 6 ’可以是熱產生層 1 02的一部 份。熱感測器可以是能提供電氣信號至電滲透泵1 1 2。這 些信號可便利將個別的電滲透泵打開或關閉。可想到利用 交流控制機構來打開或關閉電滲透泵，且所揭露之標的並 不限於上述例子。 圖2指出所揭露之標的之實施例，其中熱產生層1 02 的頂表面與第一冷卻層1 1 〇耦合，且第二冷卻層1 2 0與熱 產生層之底部耦合。藉著從頂部及底部冷卻熱產生層’熱 產生層可以更有效地被冷卻。在一實施例中，第二冷卻層 1 2 0可包括電滲透泵1 2 2、微通道1 2 4及熱感測器1 2 6。 在另一實施例中，第二冷卻層120可由一操作層126及一 基體1 24做成。可想到在一實施例中電滲透泵Π 2及1 2 2 1242865 (5) 可由一中央控制系統或各別控制系統（未示）控制。 圖3是一微電子零件之頂視圖，指出依據所揭露之標 的之實施例。圖3指出一冷卻層1 1 〇。在一實施例中，冷 卻層可包括一微通道11 4，其具有橫向通道1〗4 ’。可想到 電滲透泵1 1 2可交叉或管理流體經過橫向通道之流動。微 通道可從輸入埠1 9 0接收流體1 1 5。可想到流體可從微電 子零件外部之來源被供給，或者在另一實施例中，流體可 從零件之不同部份被供給；然而，所揭露之標的並不限於 流體之任何來源。微通道可排出流體至一輸出璋1 9 2。可 想到流體可被排出至微電子零件外部之目的地，或者在另 一實施例中，流體可被排出至零件之不同部份；然而，所 揭露之標的並不限於流體之任何目的地。 在圖3所示之實施例中，一熱點1 9 4可被偵測。各別 的電滲透泵1 1 2可被各別地打開（由黑色表示）或關閉（由 白色表不）’以控制零件流動（由箭頭1 1 5表不）。圖3所 示之流動指出泵能以一方式被打開，以達成比只有一個栗 被打開更高的流動速率。可想到雖然圖3沒有指出在微通 道Π4之某些部份中的實際流動，在這些通道中可發生某 些非實際流動。 圖4指出一實施例，其中電滲透泵1 1 2能以比圖3所 示更複雜的圖案被打開。圖4指出電滲透泵能以串聯或並 聯方式被打開。可想到橫向通道1 1 4’可允許電滲透泵1 ! 2 達成比僅具有微通道1 I 4更高的流動速率。例如，打開第 --列中的許多泵，且打開第二列中的較少數目之泵，可強 -9- 1242865 (6) 迫比通常可能更大體積的流體經過第二列的”打開”泵。橫 向通道流動’如圖4所示，將提供更多流體至較少數目之 打開泵。亦可想到橫向通道可被用於允許流體之更多直接 流動。例如，在圖4中流體被指向熱點1 94，且只指向熱 點。它並沒有指向零件之不需要或認爲不需要額外冷卻之 區域。雖然圖3及4指出微通道114及電滲透泵112之柵 配置，所揭露之標的並不限於任何特別的配置。 圖5是一系統3 0 0之剖面圖，指出依據所揭露之標的 之實施例。在一實施例中，熱產生層102可被夾在第一及 第二冷卻層1 1 0及1 2 0之間。冷卻層可包括熱感測器1 1 6 及126、電滲透泵112及122與微通道（未示）。在一實施 例中，這些層可被排列成如圖2所示；然而，可想到其它 排列，且所揭露之標的並不限於所示的排列。 在一實施例中，當通過主動電滲透泵時，流體可承受 電化學反應。例如，如果流體是水，泵之電荷可將部份的 流轉成各別的氫及氧分子。然而，這只是一個例子，可想 到其它的流體及化學反應。圖5指出一重新組合器2 3 0可 與冷卻層耦合。在一實施例中，藉著電滲透泵，重新組合 器嚐試使至少部份電化學反應反向。例如，包含鉑或另一 觸媒材料之重新組合器可重新組合氫與氧分子而成水分 子。再次，這只是一個例子，可以想到其它流體及化學反 應。在某些實施例中，重新組合器可被用來延長流體之壽 命及使用程度。亦可想到此流體可以是液體或氣體形式。 流體亦可通過一供給線242。供給線可載送冷卻層 -10- 1242865 (7) 1 1 0與1 2 0或重新組合器2 3 0與微電子系統外部的散熱器 2 44之間的流體。外部散熱器可便利封裝之外側的熱之散 發及/或冷卻流體。可想到重新組合器2 3 0、供給線242或 外部散熱器244可包含一電滲透或機械泵，以便利供給線 內的流體之通過。在某些實施例中，外部散熱器2 4 4可被 附著至封裝。可想到散熱器可與封裝遙遠地耦合。亦可想 到散熱器可以包括一散熱座或熱展開器。進一步可想到可 使用其它技術以冷卻流體且這只是一個例子。 在一實施例中，系統3 0 0可包括氣電埠2 0 9，以便利 熱產生層102之主動電氣裝置及/或電滲透泵與零件之外 部裝置之間的電氣信號之傳送。第二冷卻層1 2 0可包括許 多通孔2 0 8，以允許電氣信號從主動電氣裝置及氣電埠被 傳送，或零件中之電氣連接。在一實施例中，通孔可以是 例如具有100微米間距之25微米直徑；然而，這只是一 個例子，所揭露之標的並不限於此。 系統3 0 〇亦可包括一建立層2 4 6。在一實施例中，建 立層可以是一無碰撞建立層（BBUL)封裝·，然而，這只是 一個非限定的例子。在另一實施例中，系統之層可使用不 同的技衝被垂直地堆疊及接合。如圖5所示，重新組合器 230可包括一層的重新組合器觸媒234及一接合層232。 接合層可作用爲一熱絕緣體’例如一介電質或聚合物。冷 卻層110及〗2〇可包括一層的矽210及212與接合層216 及2 2 6。在一實施例中，接合層可以是銅金屬層；然而， 可想到這只是一個例子，可使用其它接合技術。在另一實 -11 - 1242865 (8) 施例中，冷卻層可包括一電氣絕緣體層2丨4及224，例如 玻璃或介電質。 在一實施例中，熱產生層102可包括一層的主動電氣 裝置2 0 6及一層的塊矽2 04。可想到利用分開的微電子晶 圓材料例如矽或鎵砷化物晶圓來製造熱產生層1 〇 2與冷卻 層1 1 0及1 2 0。這些晶圓或模具可被接合以形成上述層。 當然，進一步可想到利用以不同的製造技術而產生的不同 材料來製造電滲透泵及微通道，且矽只是一個例子。 圖6是系統400之剖面圖，指出依據所揭露之標的之 實施例。在此實施例中，熱感測器1 1 2可被放置在熱產生 層1 02中。可想到熱感測器可被放置在系統內的不同地 方。 圖7是系統5 00之剖面圖，指出依據所揭露之標的之 實施例。系統5 0 0指出零件的層可以被水平地或垂直地堆 疊，例如分別由圖7與6所示。熱產生層1 0 2與冷卻層 1 10及]20可被嵌入於容器24 6內。雖然系統5 00是層被 水平地堆疊之實施例，其它實施例可垂直地堆疊層。 在一實施例中，重新組合器2 3 0可從第一冷卻層110 水平地偏離。利用容器246內蝕刻的微通道，重新組合器 23 0可與第一冷卻層耦合。可想到各別的層可與利用另一 技術蝕刻或製造的微通道耦合。例如，在一實施例中，第 一冷卻層110可從熱產生層]02偏離。第一冷卻層、容器 及熱產生層可包括微通道。這些微通道可被耦合以便利熱 從主動電氣裝置傳送至流經冷卻層之微通道的流體。 -12- 1242865 (9)

圖8是一流程圖，指出依據所揭露之標的之實施例。 可想到可使用一技術以便利任何上述實施例。此一技術可 包括圖8所示之技術。當然，依據所揭露之標的之技術的 實施例可允許沒有敘述或指出於例子實施例之所揭露之標 的之裝置或系統的製造。方塊8 1 0指出在第一及第二冷卻 層中製造微通道或通道。方塊8 20指出在第一及第二冷卻 層中製造許多電滲透泵。方塊8 3 0指出形成一熱產生層。 方塊8 4 0指出組合三層以便利熱產生層之冷卻。當然’這 些方塊可被展開或使用額外的方塊。 雖然已指出及敘述所揭露之標的之某些特徵’熟於此 技藝者將容易想到許多修改、替代、改變及等效果°所 以，所附之申請專利範圍要來涵蓋落在所揭露之標的之精 神內的全部些修改。 【圖式簡單說明】

標的被特別地指出於說明書之申請專利範圍中。然而 所揭露之標的之組成及操作方法，連同目的、特徵及優 點，可藉由參見以下之附圖的詳細敘述來瞭解，其中： 圖1是一微電子零件之剖面圖，指出依據所揭露之標 的之實施例； 圖2是一微電子零件之剖面圖，指出依據所掲露之標 的之實施例； 圖3是一系統之頂視圖，指出依據所揭露之標的之實 施例； -13- 1242865 (10) 圖4是一系統之頂視圖 施例； 圖5是一系統之剖面圖 施例； 圖6是一系統之剖面圖 施例； 圖7是一系統之剖面圖 施例；及 圖8是一流程圖，指出 主要元件符號說明： ，指出依據所揭露之標的之實 ，指出依據所揭露之標的之實 ，指出依據所揭露之標的之實 ，指出依據所揭露之標的之實 S據所揭露之標的之實施例。 102 熱產生層 104 基體層 106 操作層 110 冷卻層 112 電滲透泵 114 微通道 115 流體 116 熱感測器 1 20 冷卻層 122 電滲透泵 1 24 微通道 126 熱感測器 190 輸入堤 -14 - 輸出埠 熱點 氣電璋 矽 矽 電氣絕緣體層 接合層 電氣絕緣體層 接合層 重新組合器 接合層 重新組合器觸媒 供給線 散熱器 建立層 系統 系統 系統 15-

Claims (1)

1242865 拾、申請專利範圍 广，-------- | 广 -------一^., 一___ 附件2A : 第92 1 33423號專利申請案 I蓬正勢换if丨 中文申請專利範圍替換本：月v# FT ί m—*·— 民國94年3月18 日修正 1 · 一種使用於冷卻利用電滲透泵及微通道之電子裝 置之裝置，包含： 一熱產生層，其包括許多熱產生裝置；及 一第一冷卻層，其包括： 一微通道，其允許流體通過微通道，及 許多電滲透泵，可便利流體通過微通道； 其中第一冷卻層與熱產生層耦合。 2 ·如申請專利範圍第1項之裝置’其中第一冷卻層 包括一操作層及一基體層；且 操作層包括電滲透泵，且 微通道移動經過熱產生層及基體層。 3 ·如申請專利範圍第2項之裝置’其中第一冷卻層 包括至少一熱感測器，以感測至少部份熱產生層之溫度； 且熱感測器可提供信號至電滲透泵’以便利控制流體通過 微通道。 4 .如申請專利範圍第1項之裝置’其中微通道包括 至少一出口及至少一入口埠。 5.如申請專利範圍第1項之裝置’其中許多電滲透 泵可被各別地打開及關閉；且許多電滲透泵可實際地控制 流體經過微通道之通道。 1242865 6 ·如申請專利範圍第5項之裝置，其中許多電滲透 泵可在許多串聯或並聯的組合中連接。 7 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中許多電滲透 泵以一方式可被各別地打開，以達成比各別的電滲透泵更 高的流體之流動速率。 8 ·如申請專利範圍第7項之裝置，其中微通道包 括： 許多非交叉微通道；及 至少一橫向通道，以連接至少兩個非交叉微通道。 9 ·如申請專利範圍第8項之裝置，其中許多電滲透 泵可被各別地打開，使得來自第一非交叉微通道之流體的 流動被指向經過橫向通道，且進入第二非交叉微通道。 10.如申請專利範圍第8項之裝置，其中許多電滲透 泵能調整經過至少一橫向通道之流體的流動。 11 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中熱產生層具 有一頂部及底部表面；熱產生裝置被定位在熱產生層內以 靠近頂部表面；且第一冷卻層是與底部表面鍋合。 12·如申請專利範圍第1 1項之裝置，進一步包括一 第二冷卻層，其與熱產生層的頂部表面耦合；且其中第一 冷卻層是與熱產生層的底部表面f禹合。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之裝置，其中利用不同 的矽晶圓來製造熱產生層、第一冷卻層及第二冷卻層；且 利用標準的接合技術來耦合熱產生層、第一冷卻層及第二 冷卻層。 -2- 1242865 1 4 ·如申請專利範圍第〗3項之裝置，進一步包括一 層的電氣埠’以便利裝置與裝置外部的裝置之間的電氣信 號之傳送’其中熱產生裝置包括許多電氣裝置；且其中第 一冷卻層包括： 一頂部’其與熱產生層的底部表面耦ί合； 一底部，其與電氣埠耦合；及 許多通孔’以便利電氣裝置與電氣埠之間的電氣信號 之傳送。 1 5 ·如申g靑專利範圍第1 3項之裝置，其中流體包括 水。 16· —種使用於冷卻利用電滲透泵及微通道之電子裝 置之系統，包含： 一熱產生層，具有一頂部、一底部且包括許多熱產生 裝置； 一第一冷卻層，與熱產生層的底部耦合；及 一第二冷卻層，與基體及與熱產生層的頂部鍋合； 其中第一及第二冷卻層各包括： 一微通道，其允許流體經過微通道之通道；及 許多電滲透泵’以便利流體經過各別的微通道之通 道。 1 7 .如申請專利範圍第1 6項之系統，其中電滲透泵 可便利流體中之化學反應；系統進一步包括一重新組合 器，以便利至少部份反向化學反應至流體。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之系統，其中重新組合 -3- 1242865 器包括鉑。 19. 如申請專利範圍第1 7項之系統’進一步包括： 一外部散熱器，以便利流體之冷卻；及 供給線，以便利流體從第一及第二冷卻層至外部散熱 器之通道。 20. 如申請專利範圍第1 6項之系統’其中供給線包 括一泵，以便利從第一及第二冷卻層至外部散熱器之通 道。 2 1 ·如申請專利範圍第1 6項之系統’其中第一及第 二層包括許多熱感測器，以感測至少一部份的熱產生層之 溫度。 2 2 .如申請專利範圍第2 1項之系統，其中電滲透泵 可被各別地打開及關閉；且熱感測器便利將電滲透泵打開 及關閉。 2 3.如申請專利範圍第1 6項之系統’其中熱產生 層、第一冷卻層及第二冷卻層被嵌入於容器內。 2 4.如申請專利範圍第23項之系統，進一步包括一 封裝；且其中熱產生層包括一微通道’封裝包括一微通 道；且藉著利用容器之微通道親合熱產生層之微通道與第 二冷卻層之微通道’第二冷卻層與熱產生層耦合。 2 5 ·如申請專利範圍第1 6項之系統，其中第一冷卻 層之微通道充分地靠近熱產生裝置’以便利熱從熱產生裝 置至通過微通道的流體之充分有效的轉移。 26.如申請專利範圍第2 5項之系統，其中流體可以 -4 - 1242865 液體或氣體狀態通過微通道。 27. 如申請專利範圍第26項之系統，其中流體包括 水。 28. 如申請專利範圍第1 6項之系統，進一步包括： 一層的電氣埠，以便利系統與系統外部的裝置之間的 電氣信號之傳送；且其中熱產生層包括許多電氣裝置；且 第一冷卻層包括許多通孔，以便利電氣裝置與電氣璋之間 的電氣信號之傳送。 29· —種製造微電子封裝之方法，包含： 形成一微通道，以便利流體經過第一及第二冷卻層之 通道； 形成許多電滲透泵，進入第一及第二冷卻層； 形成一熱產生層，包括可產生熱之許多熱產生裝置； 及 組合熱產生層、第一冷卻層及第二冷卻層，以便利熱 從熱產生裝置至流體之傳送。 30.如申請專利範圍第29項之方法，其中製造許多 電滲透泵包括製造電滲透泵，使得電滲透泵充分地與微通 道交叉。 3 1 ·如申請專利範圍第29項之方法，進一步包括組 合重新組合器與第一及第二冷卻層，以至少部份改善流體 之壽命。 32·如申請專利範圍第29項之方法，其中組合包括 利用晶圓接合技術來接合這些層。 -5- 1242865 33 .如申請專利範圍 產生層包括利用一第一矽 電滲透泵包括利用一第二 2 9項之方法，其中形成一熱 圓；及形成一微通道，且形成 晶圓。 -6 -