CN101667561A - 硅基汽液相分离式散热芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

硅基汽液相分离式散热芯片及其制备方法，涉及一种电子元器件的散热芯片。提供一种能够克服以上硅基散热器的缺点，提高硅基散热器散热效能的硅基汽液相分离式散热芯片及其制备方法。散热芯片为上下两层结构，分别为上硅片和下硅片，在上硅片上设有冷却液体加载口、液体汽化室和气体微通道，在下硅片上设有冷却液体储槽和液体微通道。1)加工上硅片正面结构，2)加工上硅片背面结构，3)加工下硅片，4)再将上硅片和下硅片对准键合。

Description

硅基汽液相分离式散热芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电子元器件的散热芯片，特别是涉及一种硅基汽液相分离式散热芯片及其制备方法。

背景技术

随着微电子技术的高速发展，芯片的集成度越来越高，性能也越来越强，其最终导致单位面积上的功耗急剧增加，从而产生了致命的高热流密度问题。高热流密度芯片的散热问题已成为当前制约高集成度芯片技术发展的瓶颈，电子元器件可靠性的改善、功率容量的增加、集成度的提高以及结构的微小型化等都直接取决于芯片散热问题的解决。目前基于半导体微加工技术利用硅制作的微型散热器已经在高热流密度电子元器件上获得广泛应用，其一般结构为在一硅基片加工出微流体沟槽，然后与另一基片键合，同时预留微流体的进出口。微流体通过外接泵的驱动力在硅片沟槽内循环流动，同时把吸自底部的电子元器件的热能不断带走。

现有的硅基散热器主要存在以下缺点：

1.理论上，微沟槽的水力直径越小，硅基散热器的散热能力越强。但现有的硅基散热器微沟槽的水力直径小到100μm以下时，就极易发生堵塞。这主要是微流体在微沟槽内流动时伴有沸腾汽化，产生的气泡增加了流体流动的阻力。

2.现有的硅基散热器需要增设微泵、微阀等结构来驱动微流体循环流动，这样就使得散热器的结构更为复杂，不利于微型化。另外，微泵也需要额外的能源驱动，不利于环保。

公开号为CN1671019的发明专利申请公开一种背冷式高功率半导体激光器微通道热沉结构，包括微通道部分和进出水底座。方法是用高导热金属材料加工微通道边框，由半圆柱型槽和微通道区构成的微通道胚体，用高导热金属材料制备进出水底座包括互通的管道和小通道区，将微通道胚体、微通道边框和进出水底座组装。该发明微通道的侧壁与微通道顶壁为一体化结构，避免背景技术中分层结构连接时引入的附加热阻提高了器件整体散热能力；采用水流90度折转进入微通道区时，以圆弧型切入微通道区方式，大大降低了水流局部压降，提高了热沉整体性能；在热沉整体结构连接过程中，涉及到热沉微通道区域的焊接只有一个微通道底面，大大降低了微通道结构受损的几率，简化了工艺难度和制作成本。

公开号为CN1558448的发明专利申请公开一种用于高热流密度电子元器件的散热冷却的硅基微通道热交换器，在半导体硅基片上蚀刻由多条沿冷却液流动方向的纵向微通道和在垂直于流动方向上具有一定相互间隔距离的多条横向微通道构成的微通道，纵向微通道和横向微通道形成纵横交错微通道阵列，并用耐热玻璃封装微通道。使用该发明时将微泵，连接管与硅基微通道热交换器连接在一起，形成一个强制循环回路。该发明的硅基微通道热交换器可以和其它IC元件集成在一起，也可以单独制作硅基微通道热交换器。

公开号为CN1529360的发明专利申请公开一种用于高热流密度电子元器件的散热冷却微型高效自循环电子冷却器，包括一微通道蒸发器和一冷凝器，所述的微通道蒸发器具有一个高导热系数的金属基座，沿该基座平面范围内布设有封闭在基座体中的微通道，该微通道蒸发器的微通道的通过蒸汽管和液体管与冷凝器串接成一单向循环回路，微通道蒸发器处于冷凝器之下的空间位置，使充于回路中的工作液体在回路中循环。该发明的电子冷却器依靠发热电子元件(芯片)的热量驱动工作液体在微通道蒸发器、蒸汽管、冷凝器及液体管所构成的回路内循环流动，而无需机械泵等转动部件，从而使装置结构紧凑、简单，无噪音，所占体积小，传热高效，具有优良的性能价格比。

公告号为CN2636418的实用新型专利提供一种可用于对各种元器件散热冷却的脉冲热管式电子元器件散热冷却器。其结构包括一块金属散热接触板块，用于与需冷却散热的电子元器件接触连接，在该金属散热接触板上设置有由多圈毛细金属管构成的脉冲热管框体，在所说的多圈毛细金属管中有液体于抽真空状态下封装入毛细金属管中的部分空间，这些液体能在毛细金属管内形成交替的汽弹及液弹，从而构成所述的脉冲热管。该实用新型具有高的传热效率和散热能力，适用于冷却电子元件发热模块，如晶体管、半导体、可控硅整流器、功率模块等。

公开号为CN1507039的发明专利申请公开一种可用作电子元器件的散热冷却装置，特别是用于高热流密度电子元器件的散热冷却装置的热驱动换热器。整个换热器装置包括微通道热交换器、两个具有单向导通功能的微止回阀(出口微止回阀和入口微止回阀)和贮液罐，所说的微通道热交换器具有一个有高导热系数的金属基座，在该基座的平面上布设有封闭在基座体内的微通道，该热驱动换热器按贮液罐、入口微止回阀、微通道热交换器的微通道、出口微止回阀、再回到贮液罐的顺序用管道串接成一单向循环回路，使充于回路中的液体工质在回路中循环。该热驱动换热器可适合于机箱内电子芯片等发热强度高，而体积又非常受限制的场合。如应用在计算机芯片散热上。

公告号为CN1936412的发明专利提供一种能满足微流体器件质量轻，功耗小要求的自增压供液***。包括贮液箱、气体发生器、压力传感器和压力控制器，贮液箱与气体发生器通过管道连通，所述管道连通压力传感器，压力控制器通过电路与压力传感器和气体发生器连接；气体发生器包括密闭容器，密闭容器内设有装药桶，装药桶内装有固体化学药品，加热器紧密接触固体化学药品，加热器的电源导线引出到密闭容器外部并连接压力控制器。气体发生器使用电加热器将固体化学药品加热分解产生气体。压力气体将所需的液体压入流体器件，达到供液的目的。本发明质量轻，功耗小、使用方便，能满足微流体器件发展的要求，具有良好应用前景。

发明内容

本发明旨在提供一种能够克服以上硅基散热器的缺点，提高硅基散热器散热效能的硅基汽液相分离式散热芯片及其制备方法。

本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片为上下两层结构，分别为上硅片和下硅片，在上硅片上设有冷却液体加载口、液体汽化室和气体微通道，液体汽化室设于上硅片中部，气体微通道设于液体汽化室的外侧并与气体微通道连通，冷却液体加载口设于液体汽化室两侧；在下硅片上设有冷却液体储槽和液体微通道，液体微通道设于冷却液体储槽内；上硅片与下硅片通过硅-硅键合技术对准键合形成芯片整体。

冷却液体通过冷却液体加载口引入冷却液体储槽的槽口，由于表面张力的亲水作用，冷却液体能够自行填充入冷却液体储槽和液体微通道；同时由于表面张力的疏水作用而止于液体汽化室和气体微通道，最后把冷却液体加载口密封。

所述上下层结构可以有多组上下层结构。

所述冷却液体可以是水、乙醇、乙醇与水的混合物、丙酮、氟利昂、类似氟利昂物质、氨水或含有各种金属纳米颗粒的水溶液等。

所述气体微通道可为一组相互间有一定距离的平行微沟道，所述微沟道的尺寸最好为宽度1μm～1mm，间隔1μm～1mm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

所述冷却液体储槽最好为环形微沟道，所述环形微沟道的尺寸最好为宽度50μm～5cm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

所述液体微通道可为一组相互间有一定距离的平行微沟道，所述微沟道的尺寸最好为宽度1μm～1mm，间隔1μm～1mm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

所述液体汽化室可设在液体微通道的正上方。

所述液体汽化室的面积最好大于液体微通道的总面积。

所述气体微通道可交叉设在冷却液体储槽的上方。

所述气体微通道与液体汽化室相通并交叉分布。

所述冷却液体储槽与液体微通道相通并环形分布。

所述冷却液体储槽和液体微通道的表面特征与上层液体汽化室和气体微通道的表面特征相反，比如当冷却液体为水时，冷却液体储槽和液体微通道的表面特征表现为亲水，上层液体汽化室和气体微通道的表面特征表现为疏水。

本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片的制备方法包括以下步骤：

1)上硅片正面结构的加工

(1)将上硅片清洗后烘干；

(2)在上硅片表面旋涂光刻胶层；

(3)利用掩膜版曝光并显影出液体汽化室和气体微通道的图案；

(4)采用等离子气体腐蚀(ICP)刻蚀出液体汽化室和气体微通道；

(5)除去光刻胶层。

2)上硅片背面结构的加工

(1)溅射Al膜阻挡层；

(2)在阻挡层上旋涂光刻胶层，光刻出冷却液体加载口的图案；

(3)腐蚀Al膜阻挡层；

(4)采用等离子气体腐蚀(ICP)刻蚀出冷却液体加载口；

(5)腐蚀去除上硅片表面的Al膜阻挡层；

(6)在上硅片正面溅射导热疏水膜。

3)下硅片的加工

(1)将下硅片清洗后烘干；

(2)在下硅片溅射Au膜；

(3)在Au膜上旋涂光刻胶层；

(4)利用掩膜版曝光并显影出冷却液体储槽和液体微通道的图案；

(5)腐蚀Au膜；

(6)采用等离子气体腐蚀(ICP)刻蚀出冷却液体储槽和液体微通道；

(7)溅射亲水性导热材料膜；

(8)去除光刻胶层。

4)芯片键合

将上述加工后的上硅片和下硅片对准键合，完成硅基汽液相分离式散热芯片的制备。

本发明的硅基汽液相分离式散热芯片的工作原理是电子元器件释放的热能传至微沟槽的液体，液体汽化进入汽化室，同时在表面张力作用下储液槽的液体自行补充回微沟槽，汽化的气体然后在汽化室顶部冷凝回落，同时把热能通过顶层释放到外部环境。不仅如此，本发明的另一个特殊之处还在于增设了气体微通道与储液槽相连，这样汽化后产生的压力可以通过气体微通道传至储液槽，从而在储液槽和液体微沟槽间形成压差增强液体循环回流。所以，本发明的硅基汽液相分离式散热芯片在工作时，冷却液体是经过汽化-冷凝-汽化-冷凝等周而复始的过程实现循环不止。本发明的硅基汽液相分离式散热芯片由于利用了液体相变时温度不变原理，因此电子元器件能够被保护在冷却液体的相变温度以内稳定工作。

由于本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片实现了芯片内的气体和液体相对独立的流动通道，因此本发明具有以下突出优点：

1.由于微通道内冷却液体在芯片内是处于开放式状态，因此小到1μm的微通道液体流动沸腾时也不会堵塞。

2.由于使得微通道内冷却液体能够自行循环流动，而且液体的流动完全是靠表面张力来驱动的，不需要额外增设微泵、微阀等微结构，因此芯片更为简单紧凑，适合于微型化。

3.由于利用液体相变时吸收大量的热量但温度不变的换热原理，因此能够很好地保护电子元器件稳定工作，换热效率高。

4.本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片完全采用半导体微加工的方法制备，有利于与电子元器件直接集成在一起，不仅有利于电子元器件向更高功率发展，而且结构简单、制作方便、成本低廉。

附图说明

图1为本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片实施例的结构示意图。

图2为本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片实施例的上硅片结构示意图。

图3为本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片实施例的下硅片结构示意图。

图4为本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片的制造方法的上硅片结构的工艺流程图。

图5为本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片的制造方法的下硅片结构的工艺流程图。

具体实施方式

参见图1～3，本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片为上下两层结构，分别为上硅片和下硅片，在上硅片1上设有冷却液体加载口11、液体汽化室12和气体微通道13，液体汽化室12设于上硅片1中部，气体微通道13设于液体汽化室12的外侧并与气体微通道13连通，冷却液体加载口11设于液体汽化室12两侧；在下硅片2上设有冷却液体储槽21和液体微通道22，液体微通道22设于冷却液体储槽21内；上硅片与下硅片通过硅-硅键合技术对准键合形成芯片整体。

冷却液体通过冷却液体加载口11引入冷却液体储槽21的槽口，由于表面张力的亲水作用，冷却液体能够自行填充入冷却液体储槽21和液体微通道22；同时由于表面张力的疏水作用而止于液体汽化室12和气体微通道13，最后把冷却液体加载口密封。

所述冷却液体可以是水、乙醇、乙醇与水的混合物、丙酮、氟利昂、类似氟利昂物质、氨水或含有各种金属纳米颗粒的水溶液等。

所述气体微通道13可为一组相互间有一定距离的平行微沟道，所述微沟道的尺寸为宽度1μm～1mm，间隔1μm～1mm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

所述冷却液体储槽21为环形微沟道，所述环形微沟道的尺寸为宽度50μm～5cm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

所述液体微通道22为一组相互间有一定距离的平行微沟道，所述微沟道的尺寸为宽度1μm～1mm，间隔1μm～1mm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

所述液体汽化室12设在液体微通道22的正上方，所述液体汽化室12的面积大于液体微通道22的总面积。

所述气体微通道13交叉设在冷却液体储槽21的上方，所述气体微通道13与液体汽化室12相通并交叉分布。

所述冷却液体储槽21与液体微通道22相通并环形分布。

所述冷却液体储槽21和液体微通道22的表面特征与上层液体汽化室12和气体微通道13的表面特征相反，比如当冷却液体为水时，冷却液体储槽21和液体微通道22的表面特征表现为亲水，上层液体汽化室12和气体微通道13的表面特征表现为疏水。

上下层结构可以有多组上下层结构。

以下实施例给出本发明所述硅基汽液相分离式散热芯片的制备方法。

1)上硅片正面结构的加工

(1)将硅片A清洗后烘干；

(2)在硅片A表面旋涂光刻胶层4；

(3)利用掩膜版8曝光并显影出液体汽化室和气体微通道13的图案；

(4)采用等离子气体腐蚀(ICP)刻蚀出液体汽化室和气体微通道13；

(5)除去光刻胶层4。

2)上硅片背面结构的加工

(1)溅射Al膜阻挡层5；

(2)在阻挡层5上旋涂光刻胶层6，光刻出冷却液体加载口11的图案；

(3)腐蚀Al膜阻挡层5；

(4)采用等离子气体腐蚀(ICP)刻蚀出冷却液体加载口11；

(5)腐蚀去除硅片A表面的Al膜阻挡层5；

(6)在硅片A正面溅射导热疏水膜7。

3)下硅片的加工

(1)将硅片B清洗后烘干；

(2)在硅片B溅射Au膜51；

(3)在Au膜51上旋涂光刻胶层52；

(4)利用掩膜版53曝光并显影出冷却液体储槽和液体微通道22的图案；

(5)腐蚀Au膜51；

(6)采用等离子气体腐蚀(ICP)刻蚀出冷却液体储槽和液体微通道22；

(7)溅射亲水性导热材料膜54；

(8)去除光刻胶层52。

4)芯片键合

将上述加工后的上硅片和下硅片按图1所示对准键合，完成硅基汽液相分离式散热芯片的制备。

Claims (10)

1.硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于为上下两层结构，分别为上硅片和下硅片，在上硅片上设有冷却液体加载口、液体汽化室和气体微通道，液体汽化室设于上硅片中部，气体微通道设于液体汽化室的外侧并与气体微通道连通，冷却液体加载口设于液体汽化室两侧；在下硅片上设有冷却液体储槽和液体微通道，液体微通道设于冷却液体储槽内；上硅片与下硅片对准键合。

2.如权利要求1所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述上下层结构为多组上下层结构。

3.如权利要求1所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述气体微通道为一组相互间有间距的平行微沟道，所述微沟道的尺寸为宽度1μm～1mm，间隔1μm～1mm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

4.如权利要求1所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述冷却液体储槽为环形微沟道，所述环形微沟道的尺寸为宽度50μm～5cm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

5.如权利要求1所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述液体微通道为一组相互间有间距的平行微沟道，所述微沟道的尺寸为宽度1μm～1mm，间隔1μm～1mm，长度100μm～5cm，深度1μm～1mm。

6.如权利要求1所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述液体汽化室设在液体微通道的正上方。

7.如权利要求1或6所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述液体汽化室的面积大于液体微通道的总面积。

8.如权利要求1所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述气体微通道交叉设在冷却液体储槽的上方；所述冷却液体储槽与液体微通道相通并环形分布。

9.如权利要求1或8所述的硅基汽液相分离式散热芯片，其特征在于所述气体微通道与液体汽化室相通并交叉分布。

10.如权利要求1所述的硅基汽液相分离式散热芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)上硅片正面结构的加工

(1)将上硅片清洗后烘干；

(2)在上硅片表面旋涂光刻胶层；

(3)利用掩膜版曝光并显影出液体汽化室和气体微通道的图案；

(4)采用等离子气体腐蚀刻蚀出液体汽化室和气体微通道；

(5)除去光刻胶层；

2)上硅片背面结构的加工

(1)溅射Al膜阻挡层；

(2)在阻挡层上旋涂光刻胶层，光刻出冷却液体加载口的图案；

(3)腐蚀Al膜阻挡层；

(4)采用等离子气体腐蚀刻蚀出冷却液体加载口；

(5)腐蚀去除上硅片表面的Al膜阻挡层；

(6)在上硅片正面溅射导热疏水膜；

3)下硅片的加工

(1)将下硅片清洗后烘干；

(2)在下硅片溅射Au膜；

(3)在Au膜上旋涂光刻胶层；

(4)利用掩膜版曝光并显影出冷却液体储槽和液体微通道的图案；

(5)腐蚀Au膜；

(6)采用等离子气体腐蚀刻蚀出冷却液体储槽和液体微通道；

(7)溅射亲水性导热材料膜；

(8)去除光刻胶层；

4)芯片键合

将上述加工后的上硅片和下硅片对准键合，完成硅基汽液相分离式散热芯片的制备。

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