一种具有功能通道结构的硅基微型脉动热管的制作方法
【专利摘要】本发明涉及脉动热管，特指一种有功能通道结构的硅基微型脉动热管所述的微型脉动热管由一对半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片键合而成，所述的硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；所述的抽真空/注液孔与半导体硅片上的抽真空/注液微槽道的顶端位置相对应，所述硅片上刻蚀有若干微槽道，其特征在于：所述微槽道的宽度沿热管长度方向呈线性变化。本发明克服了普通等截面通道硅基微型脉动热管内部工质难以形成整体定向循环运动和蒸发段易发生“烧干”等不足，通过调整脉动热管通道截面尺寸和热管构型来实现提高其冷却温控性能和承载热负荷的能力。
【专利说明】一种具有功能通道结构的硅基微型脉动热管
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉动热管，特指一种有功能通道结构的硅基微型脉动热管，能有效促进工质循环运动的功能型通道结构硅基微型脉动热管，较之常规微型脉动热管具有更佳的传热效果，可应用于集成IC电子元器件的高效冷却温控领域。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术和大规模集成电路的迅速发展，各种微电子芯片的发热强度越来越大，生成的热量若无法及时排除，将严重影响微电子元件甚至整个系统的工作性能和使用寿命；因此，发展高效紧凑的微电子温控技术，以解决芯片冷却空间狭小、散热困难等问题是当前该领域发展所面临的紧迫任务。
[0003]在各种微电子器件散热冷却技术中，脉动热管因其结构简单、无需吸液芯以及独特的散热性能和良好的空间适应性正日益受到关注，被认为是一种极具发展前景的新型散热冷却技术；但普通脉动热管的整体尺寸较大，如何与散热空间高度受限的微电子芯片尺寸进行有效匹配成为制约其在该领域应用的重要因素，最近，Qu等在《Internat1nalJournal of Heat and Mass Transfer》(国际传热传质杂志)(2Ol2 年卷 55, 21_22 期)上发表的“Start-up, heat transfer and flow characteristics of silicon-based micropulsating heat pipes”(娃基微型脉动热管的启动、传热和流动特性)一文中提出了一种通过MEMS工艺由硼硅酸玻璃和刻蚀有微槽道的硅片加工制作的微型脉动热管技术，该技术可大幅减小脉动热管的整体尺寸，并可将其直接与芯片集成为一体，真正实现芯片级(chip-level)冷却功能，同时能有效解决因材料不兼容而导致的热应力集中问题；但研究发现，随着加热功率的增加，微型脉动热管蒸发段易出现液相体积份额逐渐减小、最后甚至完全消失呈现“烧干”的状态，液相无法进入其中而被局限在冷凝段附近，振荡被抑制，传热温控能力显著下降；同时，该文指出上述现象的产生主要是由于微型脉动热管通道水力直径小至一定尺寸后工质在其内难以形成类似普通小型脉动热管的整体循环运动，这对提高其传热温控能力极为不利，实际应用中易引起芯片局部温度的过热；因此，如何利用MEMS技术在微加工方面的独特优势适当调整或改进微型脉动热管的通道结构乃至热管的整体构型，以提高其承载热负荷能力和冷却温控性能也成为该微型冷却器发展应用的关键所在。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服普通等截面通道硅基微型脉动热管内部工质难以形成整体定向循环运动和蒸发段易发生“烧干”等不足，通过调整脉动热管通道截面尺寸和热管构型来实现提高其冷却温控性能和承载热负荷的能力。
[0005]本发明的工作原理如下:
通道截面尺寸的渐变可使通道内液塞两侧产生不对称表面张力，由此驱动气泡(气塞)朝某个方向运动，通过连续渐变的方式改变硅基微型脉动热管通道截面尺寸即可实现相似功能，使热管通道内任一气塞在两侧不对称表面张力作用下形成向某个方向运动的效果。当该种作用遍及整个热管通道回路后即可形成对内部汽、液塞工质整体定向循环运动的推动作用，促进其循环过程的发生。
[0006]图1以稳定工作的功能通道结构微型脉动热管某一通道内局部单元为分析对象，给出了根据上述原理得出的汽塞两侧受力分析情况。
[0007]其中，左侧汽塞与液塞之间的压差为:
2σ
Ρ,--Ρι=— (I)
η
右侧汽塞与液塞之间的压差为:
1
Pr -Pz=—— (2) η
由于汽塞内蒸汽的密度较小，因此图1中假定整个气塞内压力相等，根据式(I)和(2)可得气塞两侧所受压差为:
I I
βζ-Ρι=2σ(~—)>0(3)
忽略图1中液膜的厚度，则汽塞左、右两侧半径Λ和^可近似视为对应位置通道宽度的一半(假设通道横截面为矩形)。
[0008]结合图1，由式(3)可以发现汽塞受到自左向右的毛细力驱动，即在该变截面通道中气塞上存在由较小截面向较大截面方向运动的作用力，并带动相邻液塞一起产生运动，依据该原理，当硅基微型脉动热管的通道截面发生变化时，热管通道内的工质会产生自我驱动力，促进其整体定向(顺时针或逆时针)循环运动的形成。
[0009]本发明的变截面功能通道结构微型脉动热管在继承普通等截面通道微型脉动热管诸多优点的同时，还具有如下优势:
1.变截面情况下脉动热管任一通道内的液塞与其相邻两侧气塞间表面张力大小不同，该不平衡作用力可驱使液塞从通道截面积小侧朝截面积大侧自发运动，由此促使热管内的汽、液塞在整个回路内做定向循环运动，克服普通微型脉动热管即使在加热功率较高时其内部工质也难以形成整体循环运动的不足，增强传热能力。
[0010]2.变截面通道微型脉动热管利于形成工质定向循环运动的特点还可及时向蒸发段补充冷凝液，明显抑制蒸发段“烧干”状态的出现，有力提升其承载热负荷的能力和冷却温控性能，由此平衡微电子芯片“热点”温度并增强其整体均温性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为以稳定工作的功能通道结构微型脉动热管某一通道内局部单元为分析对象，得出的汽塞两侧受力分析情况示意图。
图2为本发明的一种功能通道结构硅基微型脉动热管硅片结构图。
[0012]图3为本发明的第二种功能通道结构硅基微型脉动热管硅片结构图。
[0013]图4为本发明的第三种功能通道结构硅基微型脉动热管硅片结构图。
[0014]图5为本发明中构成娃基微型脉动热管的硼娃酸玻璃片结构图。
[0015]图中标号说明:1、抽真空/注液微槽道；2、硅片；3、硅基上的微槽道；4、抽真空/注液孔；5、硼硅酸玻璃片。
【具体实施方式】
[0016]为进一步了解本发明的内容，下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0017]本发明通过MEMS静电键合技术，将硼硅酸玻璃与刻蚀有功能槽道结构的硅片通过阳极键合技术合为一体，形成由玻璃密封的功能通道结构硅基微型脉动热管。
[0018]实施例1
如图2和5所示，一种功能通道结构硅基微型脉动热管由一对半导体硅片2和耐热硼硅酸玻璃片5键合而成；其中硅片2与硼硅酸玻璃片接触的表面通过等离子干刻技术刻蚀有矩形截面的微槽道3 ;硼硅酸玻璃片5上加工有抽真空/注液孔4 ;抽真空/注液孔4与半导体硅片上的抽真空/注液微槽道I的顶端位置相对应，抽真空/注液微槽道I接入微槽道3，从所述的抽真空/注液孔4充注50%体积分数的FC-72。
[0019]图2中，娃片大小为50 mmX 35 mm,其中热管纵向长度为40 mm,横向宽度为28mm,硅片上刻有16条中心线与硅片长端边界相互平行的微槽道，并在两侧各形成8个U型弯头；微槽道的横截面形状为矩形，深度280 μ m，宽度沿热管通道长度方向呈连续线性变化，较小一侧宽度为350 μ m，较大一侧为700 μ m，对应的通道两端横截面当量直径分别为321.3 μ m和400 μ m，而两端之间的通道当量直径则线性改变。
[0020]根据前述的工作原理，本功能通道结构硅基微型脉动热管通过通道截面尺寸的改变使热管通道内汽、液塞具有朝顺时针方向定向运动的趋势，从而促进加热功率较高情况下热管内工质整体定向循环运动的形成，增强传热温控能力。
[0021]实施例2
如图3和5所示，同实施例1，所不同的是该功能通道结构硅基微型脉动热管的微槽道3与图2中的存在一定差别；本微槽道横截面形状与深度均与实施例1相同，但图3中相邻两条微槽道的宽度仅有一条沿着热管通道长度方向呈连续线性变化，其较小一侧当量直径为321.3 μ m，较大一侧当量直径为400 μ m ;而与之相邻的另一条微槽道宽度525 ym保持不变，当量直径为365.2 μπι。
[0022]同样，在加热功率较高时如图3所示的槽道结构下该硅基微型脉动热管通道内汽、液塞也可实现朝顺时针方向的定向运动。
[0023]实施例3
同实施例1和实施例2，功能通道结构硅基微型脉动热管的微槽道横截面形状与深度均与实施例1相同，热管纵向长度为40 mm，横向宽度为24.5mm，硅片上刻有14条微槽道，并在两侧各形成7个U型弯头；微槽道的横截面形状为矩形，深度280 μ m，所不同的是其微槽道如图4中3所示；此时微槽道宽度的变化是由微槽道中的一边界沿着通道长度方向呈连续线性变化，而另一边界则与硅片边界平行，其中较小一侧宽度为280 μ m，较大一侧为770 μ m，所对应的通道两端截面当量直径分别为280 μπι和410 μπι。
[0024]该种情况下，与实施例1结构较为相似，加热功率较高时工质在热管回路内同样能够实现整体定向循环运动，提高冷却温控能力。
【权利要求】
1.一种功能通道结构娃基微型脉动热管，所述的微型脉动热管由一对半导体娃片和耐热硼硅酸玻璃片键合而成，所述的硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；所述的抽真空/注液孔与半导体硅片上的抽真空/注液微槽道的顶端位置相对应，所述硅片上刻蚀有若干微槽道，其特征在于:所述微槽道的宽度沿热管长度方向呈线性变化。
2.根据权利要求1所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:所述的微槽道的宽度沿热管长度方向呈线性增大或减小。
3.根据权利要求1所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:所述微槽道的中心线与硅片长端边界相互平行，微槽道两边沿通道长度呈线性增大或减小。
4.根据权利要求3所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:热管纵向长度为40 mm,横向宽度为28 mm,娃片上刻有16条中心线与娃片长端边界相互平行的微槽道，并在两侧各形成8个U型弯头；微槽道的横截面形状为矩形，深度280 μ m，宽度沿热管通道长度方向呈连续线性变化，较小一侧宽度为350 μ m，较大一侧为700 μ m，对应的通道两端横截面当量直径分别为321.3 μπι和400 μ m，而两端之间的通道当量直径则线性改变。
5.根据权利要求1所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:所述微槽道中，相邻两条微槽道的宽度仅有一条微槽道的两边沿着热管通道长度方向呈连续线性变化，该微槽道的中心线与硅片长端边界相互平行；另一条微槽道宽度保持不变，微槽道的两边与硅片长端边界相互平行。
6.根据权利要求5所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:热管纵向长度为40 mm,横向宽度为28 mm,娃片上刻有16条中心线与娃片长端边界相互平行的微槽道，并在两侧各形成8个U型弯头；微槽道的横截面形状为矩形，深度280 ym，相邻两条微槽道的宽度仅有一条沿着热管通道长度方向呈连续线性变化，其较小一侧当量直径为321.3 μ m，较大一侧当量直径为400 μ m ;而与之相邻的另一条微槽道宽度525 μ m保持不变，当量直径为365.2 μπι。
7.根据权利要求1所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:所述微槽道中的一边界沿着通道长度方向呈连续线性变化，而另一边界则与硅片边界平行。
8.根据权利要求7所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:热管纵向长度为40 mm，横向宽度为24.5mm，硅片上刻有14条微槽道，并在两侧各形成7个U型弯头；微槽道的横截面形状为矩形，深度280 μ m，微槽道宽度的变化是由微槽道中的一边界沿着通道长度方向呈连续线性变化，而另一边界则与硅片边界平行，其中较小一侧宽度为280 μ m，较大一侧为770 μ m，所对应的通道两端截面当量直径分别为280 μπι和410 μπι。
9.根据权利要求1所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:所述的微槽道横截面形状为矩形、梯形或部分梯形部分三角形。
10.根据权利要求1所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管，其特征在于:所述的抽真空/注液微通道内液体工质充注体积占整个热管回路总体积的35°/Γ65% ;所充注液体工质为环保低沸点的相变工质FC-72、FC7100或R141b。
11.根据权利要求1所述的一种功能通道结构硅基微型脉动热管在微电子器件散热冷却的用途。
【文档编号】F28D15/04GK104132569SQ201410025799
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】屈健, 孙芹, 王谦, 韩新月 申请人:江苏大学