专利名称：带有主动冷却的贴片式散热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体加工设备的温度控制，尤其涉及光刻机、刻蚀机、CVD等半导体加工设备的高精度恒温控制。
背景技术：
光刻机曝光时照明光源发出的激光，将掩模台中掩模版的图案经投影物镜光刻到工件台中的硅片上。扫描光刻机这一过程的定位精度是纳米级，曝光系统微小的定位尺寸偏差都将导致光刻图案失真。光刻机内部的设计结构将参与曝光过程的关键件，如投影物镜、工件台、掩模台、测量系统等都直接或间接的安装在主基板上，为保证光刻图案的关键尺寸对主基板上的位置基准提出了非常高的要求。主基板上安装许多发热元件，如电机、传感器、板卡等，这些元件产生的热量会引起主基板温度升高，产生膨胀变形，这是影响主基板定位基准的原因。为此光刻机内部需要有精密的散热装置能够快速将引入到主基板的热量带出，并保持主基板的温度稳定。名称为“散热装置”的第CN 2706869Y号中国专利提出一种散热装置，包括热电冷却结构，该热电冷却结构包括一热端以及与热端相对且与电子元件相连的冷端，其中该散热装置还包括与上述热电冷却结构相连且具有热流汇聚与引导功能的一平板型聚热透镜， 该平板型聚热透镜具有一热输出面及与热输出面相对的一热输入面，该热输入面与上述热电冷却结构的热端相连。该发明的散热装置用于电子元件的散热，采用了半导体制冷片贴片式制冷与热流汇聚技术。其缺点制冷片通电后，其表面温度变化迅速，并且表面温度受电流大小、热端与外界的热交换效率、冷端与制冷对象表面热交换效率的影响。工作时制冷片表面的温度偏差大，无法实现对散热对象表面温度的准确控制，其功能仅是将与制冷片贴合的散热对象的热量带出。名称为“自动补液式水冷自循环电子元件散热器”的第CN 201215646Y号中国专利提出一种散热器，在电脑机箱的上部与侧面设置大面积的铝金属散热箱，并在散热箱的最高位置设置透明的自动补充液体的补液仓。在CPU和其它发热元件上固定铝金属吸热箱，用软管将所有的散热箱和吸热箱密封连接，并在连接管路中介入预备泵，预备泵的供电通过温控开关自动控制，在所有密封空腔中注入液体，当元件发热时，废热被吸热箱中的液体吸收，受热液体密度减小，质量变轻，液体由较低位置向较高位置的散热箱自动循环流动，将废热带给大面积的散热箱，完成自然循环散热功能。该发明用于“电脑主机”的冷却， 其缺点是装置自身没有制冷功能，散热量以及散热效果取决于散热结构的设计。其中的冷却水进行制冷的温度控制，是利用其热水密度小于冷水密度的原理，让热水从对象侧流到散热侧从而在封闭式的散热腔体内形成循环对流的功能。无法形成对对象精确散热量和温控功能。名称为“一种工业电气控制箱的散热装置”的第CN 1972586A号中国专利提出一种散热装置。该发明用于工业电气控制箱的冷却，采用风冷的散热方式，并使用压缩机制冷对风进行强制制冷。其缺点是采用气体风冷散热对象的方式，其中气体自身通过压缩机制冷方式进行冷却。风与对象的热交换系数比较小，可交换的热量较小，对热量较大的场合往往需要在散热对象中加入增加散热面积的散热片等，如对散热对象进行精确温控，其温控效果很大部分取决于散热结构的热交换效率，散热结构的设计难度大。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种采用主动制冷控制方式将水温稳定在很高精度范围内，并且并通过迅速散热的贴板结构将散热对象的温度稳定在与循环水温的相近温度从而达到对象散热与温度稳定的散热装置。为实现上述目的，本发明提供了一种带有主动冷却的贴片式散热装置，包括形成流体回路的水冷贴片、主动制冷单元和泵。所述泵驱动循环冷却介质在所述回路中流通。所述水冷贴片与散热对象贴合，以通过所述循环冷却介质将所述散热对象中的热量转移到自身。所述主动制冷单元，其对循环冷却介质进行制冷，以使其达到预定温度。并且其中，所述水冷贴片中形成有蛇形管以供所述循环冷却介质流经。一些实施例中，所述水冷贴板为内部具有腔体的矩形体，并且所述蛇形管设在所述腔体中。 一些实施例中，所述水冷贴板的与所述散热对象贴合的一个面由薄板构成，其中所述薄板的厚度很小，并且所述薄板由高热导率材料构成。一些实施例中，所述腔体的一条侧边的中部形成有向所述腔体的内侧延伸的凸部，以增大界定所述腔体的周部的长度。一些实施例中，所述腔体的周部开有细槽，并且所述细槽中设有密封圈，以密封所述腔体。一些实施例中，所述薄板的周部形成有多个紧固螺钉，以通过所述紧固螺钉固定至设在所述腔体的周围的螺孔中，从而覆盖所述腔体。一些实施例中，所述散热装置包括多个水冷贴片。一些实施例中，所述散热装置还包括设在所述多个水冷贴片两端的分流块和集流块，其中，从所述主动制冷单元流出的所述循环冷却介质经所述分流块而分流至所述多个水冷贴片，并且从所述多个水冷贴片流出的所述循环冷却介质经所述集流块而共同流入所述主动制冷单元。一些实施例中，所述主动制冷单元和所述分流块之间还设有电磁阀，以对所述回路的导通与否进行控制。本发明的散热装置采用半导体制冷装置制冷，能够将水温稳定在很高精度范围内，并通过迅速散热的贴板结构能够将散热对象的温度稳定在与循环水温的相近温度，从而达到对象散热与温度稳定的功能。
参考下文较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本发明及其目的与优点，其中图1为根据本发明的散热装置的原理图；图2为水冷贴板的立体图3为示出水冷贴板的内部结构的立体分解图；图4为示出水冷贴板的内部结构的俯视5为薄板的结构图；图6为密封圈的结构图；图7为光刻机内部的结构示意图；图8为光刻机主基板的结构图；图9为安装有散热装置的光刻机主基板的示意图。
具体实施例方式参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。现参考图1描述根据本发明的贴板式散热装置。图1为根据本发明的散热装置100的原理图。如图1所述，散热装置100对会产生热量的散热对象1进行散热，使其温度稳定。本实施例中，散热对象1为光刻设备中的主基板。散热装置100还包括一或多块水冷贴片。本实施例中，散热装置100包括四块水冷贴片2。应理解，水冷贴片的数量不限制为四块，可为一块或多块。水冷贴片2的内部不断流有冷却水，以通过对流和热传导的方式将散热装置1中的热量转移到自身，从而通过这种方式可以将散热对象1的温度稳定在冷却水相近的温度范围内。多块水冷贴片2通过紧固、焊接、粘接等方式安装在散热对象1上，以使水冷贴片2 与散热对象紧密或通过导热胶接触。由此，散热对象1产生的热量通过热传导的方式很快传递到水冷贴片2中。散热装置100包括半导体制冷器3。半导体制冷器3设有交换进口 31和交换出口 33，并通过这两个口与提供冷却水的外部水源8流体连通。冷却水经过交换进口 31从外部水源8进入半导体制冷器3，并通过交换出口 33从半导体制冷器3流出至外部水源8，从而将半导体制冷器3冷却的热量带出。半导体制冷器3通过热电制冷方式对其内部的冷却水进行温度控制，将其冷却到需要的温度值。半导体制冷器3通过热电制冷方式对冷却水进行温度控制，将冷却水的温度稳定在很高精度范围内。半导体制冷器3为主动制冷单元的例子。冷却水为循环冷却介质的例子。应理解，本发明所采用的主动制冷单元不限于半导体制冷器，也可使用压缩机等其他主动制冷装置。 经半导体制冷器3制冷而达到预定温度的冷却水通过出口 35流至电磁阀4。当散热装置100开始工作时，电磁阀4打开，从而使得整个散热装置100的管路导通。冷却水然后从电磁阀4流至分流块5，并由分流块5分流到各水冷贴板2中。流入水冷贴板2的冷却水吸收散热对象1的热量，温度升高后的冷却水流出水冷贴板2并流入集流块6而进行汇流。此后，水泵7将集流块6中的冷却水吸入其中，并经过半导体制冷器3的进口 37将冷却水送入半导体制冷器3中。冷却水由此形成循环，这样可保证冷却水的温度基本稳定，从而保证散热对象1的温度稳定。
现参考图2 6 详细描述水冷贴板2。图2为水冷贴板2的立体图。如图2所示，水冷贴板2为内部具有腔体结构的平板。水冷贴板2有两个与所述腔体流体连通的接口 201和203，冷却水从其中一个接口进入，经过所述腔体后从另一接口流出。图3为示出水冷贴板2的内部结构的立体分解图。图4为示出水冷贴板2的内部结构的俯视图。图5为薄板的结构图。图6为密封圈的结构图。如图3 6所示，水冷贴板2为具有一定厚度的矩形体，并且其中形成有空心的贴板腔体205。本实施例中，贴板腔体205 —条侧边的中部形成有向所述腔体的内侧延伸的凸部。所述凸部并不到达所述侧边的相对的侧边，因此并不将贴板腔体205分为相互分隔的两个部分。由此，界定出贴板腔体205的周部的长度得以增大。水冷贴板2的两个面积较大的面中的一个由薄板207构成。薄板207的厚度很小， 所述薄板的厚度小于构成所述水冷贴片的其它面的板的厚度。薄板207紧贴散热对象1。 薄板207可选用热导率高的铝或铜等金属材料，并且其厚度很小以增大薄板207的热流量。 水冷贴板2冷却散热对象1时，散热对象1的热量可迅速通过薄板207转移到冷却水中。贴板腔体21中设有蛇形管209。蛇形管209的一端与接口 201和203中的一个流体连通，蛇形管209的另一端与接口 201和203中的另一个流体连通。由此，当冷却水从接口 201和203中的一个流入，随后流经蛇形管209，并从接口 201和203中的另一个流出。 冷却水沿着蛇形管209在水冷贴板2中流通可以增加流动的行程，由此增加换热效率，从而将薄板207传导过来的热量迅速转移到冷却水，并通过冷却水流动带走。贴板腔体21的周部开有细槽。所述细槽中设有密封圈211，以起到密封贴板腔体 21的作用。由于，贴板腔体205—条侧边的中部形成有向所述腔体的内侧延伸的凸部，随之界定出贴板腔体205的周部的长度得以增大，因此设在周部中的细槽中的密封圈的长度也增大，从而使得密封性能更佳。薄板207的周部形成有多个紧固螺钉213，并通过紧固螺钉213固定至贴板腔体 21四周的螺孔中，由此覆盖贴板腔体21的开口。现描述根据本发明的散热装置的散热能力。根据如下公式可得到薄板207的热流量。
t -t
「00461 Φ = ~!~—其中，Φ为热流量，λ构成薄板207之材料的热导率，A为散热面积，δ为壁厚， trt2为薄板207两侧的温度差。薄板通过选用热导率高的铝或铜等金属材料，以及壁厚δ 很小的薄板，增大薄板207的热流量。根据如下公式可得到本发明的散热装置的对流换热的热流量，Φ 2 = hA (tf-tw)其中Φ2为热流量，冷却水与薄板207的温差。较之未设有蛇形管209的贴板腔体21的平壁结构的曲面形状，蛇形管209能增加换热面积A，并且能增加流道长度、 减小流道截面积、提高流速，增大雷诺数后增加换热系数h。现参考图7 9，详细描述本发明的散热装置在光刻机中的应用。图7为光刻机内部的结构示意图。本实施例中的光刻机为业界常见的光刻机，包括主基板22、3个减震电机23、26和28、投影物镜29、测量系统27、传感器与板卡等电子发热件31、为机械框架25，为掩模台30、工件台24、及照明光源20。光刻机曝光工作时，照明光源20发出的激光，将掩模台30中掩模版的图案经投影物镜29光刻到工件台24中的硅片上。这一过程的定位精度是纳米级的，微小的尺寸偏差都将导致图案失真。影物镜29、测量系统27、电子发热件31、掩模台30及工件台24直接或间接地安装在主基板22上。主基板22通过减震电机23、26和28安装至机械框架25中。光刻机工作过程中电子发热件31 与减震电机23、26和28会产生热量。由于它们安装在主基板22中，热量将传导给主基板 22。若不对主基板22进行散热的温度控制，热量将引起其受热变形。若主基板22受热变形，安装在它上面的投影物镜29、掩模台30、工件台24、及测量系统27的定位基准将发生偏移，引起曝光图像失真。图8为光刻机主基板的结构图。光刻机主基板22为形状不规整的铸件，其形状结构是根据光刻机内部结构和元件的安装需要确定。
图9为安装有散热装置的光刻机主基板的示意图。通过在主基板的底部，发热元件周围的位置，安装4个水冷贴板。4个水冷贴板的薄面与主基板底面紧贴，4个水冷贴板的循环水通过图1所述的集流块、分流块、泵、电磁阀与半导体制冷器相连，形成循环冷却管路。主基板与水冷贴板的薄面是金属热传导，其壁厚薄、导热系数高，主基板的热量可以迅速的传递到水冷贴板的薄面。同时水冷贴板中不断流通冷却水，冷却水沿着蛇形管道流动，与薄板之间存在热传导与热对流，换热系数较高，主基板的热量可以迅速由水冷贴板的薄板转移到循环介质水中。同时循环介质水的温度易于控制，通过半导体制冷器可以将其温度稳定到较高精度范围内。由此，实现对光刻机主基板的精确散热与温度控制。本发明具有如下优点。(1)本发明的散热装置采用半导体制冷装置制冷，能够将水温稳定在很高精度范围内，并通过迅速散热的贴板结构能够将散热对象的温度稳定在与循环水温的相近温度， 从而达到对象散热与温度稳定的功能。(2)本发明的散热装置中的水冷贴板的薄板与蛇形管结构增强了冷却水与散热对象的换热系数，能迅速将对象产生的热量带出。(3)本发明的水冷贴板的贴板腔体中设有蛇形管，较之未设有蛇形管的贴板腔体的平壁结构的曲面形状，本发明的水冷贴板能增加换热面积，并且能增加流道长度、减小流道截面积、提高流速，增大雷诺数后增加换热系数。(4)本发明的薄板选用热导率高的铝或铜等金属材料，并且其厚度很小，由此薄板的热流量得以增大。(5)本发明的贴板腔体一条侧边的中部形成有向所述腔体的内侧延伸的凸部，随之界定出贴板腔体的周部的长度得以增大，因此设在周部中的细槽中的密封圈的长度也增大，从而使得密封性能更佳。本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。 这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改 变。
权利要求
1.一种带有主动冷却的贴片式散热装置，其特征在于，包括 形成流体回路的水冷贴片、主动制冷单元和泵，其中所述泵驱动循环冷却介质在所述回路中流通；所述水冷贴片与散热对象贴合，以通过所述循环冷却介质将所述散热对象中的热量转移到自身；所述主动制冷单元，其对循环冷却介质进行制冷，以使其达到预定温度； 并且其中，所述水冷贴片中形成有蛇形管以供所述循环冷却介质流经。
2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述水冷贴板为内部具有腔体的矩形体。
3.如权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述蛇形管设在所述腔体中。
4.如权利要求2或3所述的散热装置，其特征在于，所述水冷贴板的与所述散热对象贴合的一个面由薄板构成，其中所述薄板的厚度小于构成所述水冷贴片的其它面的板的厚度。
5.如权利要求4所述的散热装置，其特征在于，所述薄板由高热导率材料构成。
6.如权利要求2或3所述的散热装置，其特征在于，所述腔体的一条侧边的中部形成有向所述腔体的内侧延伸的凸部，以增大界定所述腔体的周部的长度。
7.如权利要求6所述散热装置，其特征在于，所述腔体的周部开有细槽，并且所述细槽中设有密封圈，以密封所述腔体。
8.如权利要求7所述散热装置，其特征在于，所述薄板的周部形成有多个紧固螺钉，以通过所述紧固螺钉固定至设在所述腔体的周围的螺孔中，从而覆盖所述腔体。
9.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述散热装置包括多个水冷贴片。
10.如权利要求9所述的散热装置，其特征在于，所述散热装置还包括设在所述多个水冷贴片两端的分流块和集流块，其中，从所述主动制冷单元流出的所述循环冷却介质经所述分流块而分流至所述多个水冷贴片，并且从所述多个水冷贴片流出的所述循环冷却介质经所述集流块而共同流入所述主动制冷单元。
11.如权利要求10所述的散热装置，其特征在于，所述主动制冷单元和所述分流块之间还设有电磁阀，以对所述回路的导通与否进行控制。
全文摘要
本发明提供了一种带有主动冷却的贴片式散热装置，包括形成流体回路的水冷贴片、主动制冷单元和泵。所述泵驱动循环冷却介质在所述回路中流通。所述水冷贴片与散热对象贴合，以通过所述循环冷却介质将所述散热对象中的热量转移到自身。所述主动制冷单元，其对循环冷却介质进行制冷，以使其达到预定温度。并且其中，所述水冷贴片中形成有蛇形管以供所述循环冷却介质流经。本发明的散热装置采用半导体制冷装置制冷，能够将水温稳定在很高精度范围内，并通过迅速散热的贴板结构能够将散热对象的温度稳定在与循环水温的相近温度，从而达到对象散热与温度稳定的功能。
文档编号G12B15/06GK102194529SQ201010128759
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者余斌, 张洪博, 龚岳俊 申请人:上海微电子装备有限公司