一种硅基微型环路热管冷却器的制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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一AsianResearch》(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 electronicequipment 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】
[0004]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。
[0005]为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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?300 μπκ长度为400?1200 μ??，两列微肋之间的间距为50?300 μ m，两行微肋之间的间距为50?300 μ m。
[0010]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?2000 μm ;蒸发器的微小槽道结构的通道水力直径取100?200 μm。
[0011]优选地，所述液相通道的直径小于汽相通道的直径。
[0012]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。
[0013]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%。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的有益效果为:
[0018](I)使用时将娃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。
[0019](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。
[0020](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。
[0021](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。
[0022](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】
[0023]图1为所述半导体娃片表面的刻蚀结构一种实施例不意图。
[0024]图2为所述半导体娃片表面的刻蚀结构另一种实施例不意图。
[0025]图3为所述耐热硼硅酸玻璃结构图。
[0026]图中:
[0027]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】
[0028]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。
[0029]实施例1
[0030]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I和耐热硼硅酸玻璃片11，所述半导体硅片I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I与所述硼硅酸玻璃片11接触的表面刻