专利名称：一种芯片的沸腾强化换热结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及高热流密度沸腾强化换热技术，特别涉及高热流密度微电子芯片高效冷却 技术，具体为一种芯片的沸腾强化换热结构及其制作方法。
背景技术：
随着微电子技术的迅速发展，电子产品趋向于高性能、便携式、微小型化的方向发展。 而电子器件特征尺寸的不断减少以及芯片的集成度和回路工作频率的不断提高，导致芯片 的热流密度也迅速提高，并已经成为当前制约高集成度芯片技术发展的首要问题。据估计， 在不远的将来，芯片的热流密度可高达l(^W/cn^以上，如果产生的这些热量不及时散出， 将使芯片的温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性，芯片正常工作的上限温度 为85°C，调査研究表明超过这一临界温度l(TC，系统工作可靠性将降低50%。因此电子 元器件可靠性的改善，功率容量的增加以及结构的微小型化等都直接取决于芯片本身热控 制的完善程度，即芯片散热方式已成为获得电子器件新一代产品的关键问题之一。
由于芯片的冷却问题己越来越突出，传统的风冷技术面对日益猛增的芯片散热量而变 得难以适用。目前，将芯片直接浸没在不导电液体中，利用沸腾相变传热对其进行冷却， 是一种非常有前景的方式。但是由于不导电液体普遍具有较高的壁面润湿特性和较低的导
热系数，从而导致沸腾传热性能较差且沸腾传热所需的壁面过热度较高。因此，必须采用
强化换热方法来降低沸腾起始温度、强化核态沸腾和提高临界热流密度。早期美国和曰本
等国的研究者首先提出了利用芯片的沸腾强化换热表面技术提高电子器件的冷却。
从20世纪70年代开始，以美国和日本两国为主的研究者(如Oktay S.Method for forming
heat sinks on semiconductor device chips:US,3706127[P],1972.禾口 Hwang UP, Moran KP.
Boiling heat transfer of silicon integrated circuits chip mounted on a substrate[J]. American
Society of Mechanical Engineers, 1981, 20(1): 53-59.和 Anderson TM, Mudawar I.
Microelectronic cooling by enhanced pool boiling of a dielecric fluorocarbon liquid[J]. Journal
of Heat Transfer, 1989,111(3): 752-759.等)在文献中提到在沸腾表面上加工凹坑和喷涂多孔
介质等方法来提高电子器件液冷技术的沸腾换热性能。进入20世纪卯年代后期，美国德克题组在文献A technique for enhancing boiling heat transfer with application to cooling of electronic equipment[J]. IEEE Trans on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part A, B, C, 1992, 15(5): 823-831.中提到了开发多孔介质表面能 显著促进沸腾换热性能，但是他们的强化换热面与前面的研究者一样，未能避免高热流密 度时沸腾性能严重恶化的问题，导致临界热流密度时的壁面温度高于芯片正常工作的临界 上限温度85。C 。近年来，Honda与Wei在文献Enhanced Boiling of FC-72 on Silicon Chips With Micro-Pin-Fins and Submicron-Scale Roughness[J]. Journal of Heat Transfer, 2002, 124(2): 383-390.中提到开发设计一种新型方柱微结构。从沸腾开始一直到临界热流密度状态，加 热面的温度几乎不随热流密度的增加而提高，弥补了前面研究者开发的表面微结构的不 足，但是存在以下问题其一就是沸腾起始时需要很高的壁面过热度，其二从沸腾起始到 核态沸腾换热有明显的温度跳跃过度过程，导致对芯片造成热冲击。所存在的这两个问题 对电子器件自身的耐受力是致命的打击。最近，Ujereh S课题组在文献Effects of carbon nanotube arrays on nucleate pool boiling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50(19-20): 4023-4038.中提到制作碳纳米管涂层表面能够显著降低沸腾起始壁面过热 度，并且解决温度跳跃问题，但是这种表面对于核态沸腾换热的上限值即临界热流密度值 的提高效果却不是很明显。
发明内容
针对微电子芯片散热问题，本发明的一个目的在于提供一种芯片的沸腾强化换热结 构，能够使直接浸没在不导电液体中的芯片进行强化沸腾换热，沸腾起始时芯片壁面过热 度低，进而降低沸腾起始到核态沸腾换热的温度跳跃幅度，避免对芯片产生热冲击。 本发明另一目的在于提供一种上述芯片的沸腾强化换热结构的制作方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现
1) 一种芯片的沸腾强化换热结构，其特征在于，在芯片的表面腐蚀出多个柱状结构
的凸台，带有凸台的芯片表面溅射有Si02层，Si02层腐蚀为多孔结构。 上述方案的进一步特点在于 所述凸台均匀分布在芯片的表面。
所述凸台为圆柱状，其高度为50lim 300um，直径为10u m~100u m，相邻凸台间 中心点距离为直径的1.5~2.5倍。
所述凸台为方柱状，其高度为50um 300um，凸台上表面的边长为10"m 100um， 相邻凸台间中心点距离为边长的1.5~2.5倍。
4所述Si02层的厚度为2. 5 u m ~3.5 u m。
2)上述芯片的沸腾强化换热结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步采用干式腐蚀工艺，在芯片表面加工出均匀分布的柱状结构的凸台； 第二步采用溅射工艺，在带有凸台的芯片表面生成一Si02层； 第三步采用湿式腐蚀工艺，对Si02层进行加工，形成多孔结构。 上述技术方案的进一步特点在于
所述干式腐蚀工艺采用CF4、 Cl2、 Ar中的任意一种腐蚀气体。
所述湿式腐蚀工艺，其腐蚀溶液为HF、丽4F和水的混合溶液，其摩尔比为1:4:21 1:6:31;反应时间为3 6min;反应温度为15°C 25°C。
本发明采用上述技术方案，具有突出的优点和显著的效果。
优点之一利用本发明的芯片的沸腾换热结构可以大大的克服现有技术加工制作的具
有方柱微结构芯片需要很高的沸腾起始温度和发生核态沸腾时壁面温度跳跃量较大等问 题，可以有效减少芯片散热的热冲击和提高芯片寿命。
优点之二利用本发明的芯片的沸腾换热结构可以显著地克服现有技术加工制作的碳 纳米管涂层以及多孔涂层芯片表面出现的临界热流密度提高效果不明显甚至高热流密度 时沸腾性能严重恶化的问题，可以有效进行高热流密度芯片的散热。
优点之三利用溅射方法在芯片表面生成Si02层可以突破性地解决现有涂刷技术难 于在微小结构上的加工问题。
图1具有方柱状凸台结构的芯片示意图。
图2为对图1所述芯片加工有多孔结构Si02层的剖面示意图。 图3为芯片的沸腾强化换热实验系统图。
图4为沸腾强化换热实验的结果对比图，图中横坐标ATsat为壁面过热度(K) , △ Tsa产Tw-Tsat,Tw为被加热壁面的温度，Tsat为不导电液体工质的饱和温度即沸点为56
°C;纵坐标为热流密度q (W/cm2)。
具体实施例方式
参照图1、 2，本发明的芯片的沸腾强化换热结构，是在芯片的表面腐蚀出均匀分布的 多个柱状结构的凸台，带有凸台的芯片表面溅射有Si02层，其厚度为2.5ym 3.5iim，然 后将Si02层腐蚀为多孔结构。当柱状结构的的凸台为圆柱状时，其高度为50um 300um， 直径为10um 100tim，相邻凸台间中心点距离为直径的1.5~2.5倍；或者，当凸台为方柱状，其高度为50um 300um，凸台上表面的边长为10nm 100um，相邻凸台间中心点 距离为边长的1.5~2.5倍。上述结构，能够使直接浸没在不导电液体中的芯片进行强化沸 腾换热，沸腾起始时芯片壁面过热度低，进而降低沸腾起始到核态沸腾换热的温度跳跃幅 度，避免对芯片产生热冲击。 实施例
本发明的芯片的沸腾强化换热结构的制作方法，其凸台为方柱状结构，尺寸为50ym X50umX60iim(wXtXh)，中心节距p为100um，具体制作步骤如下
第一步采用干式腐蚀工艺，在芯片表面加工出尺寸相同、间距均匀分布的柱状结构
的凸台。具体为从厚度为0.5mm，直径为150ram的掺磷N型半导体单晶硅上切割尺寸为 10mmX10mm的硅片作为芯片。在芯片上表面涂敷光刻胶，形成光刻胶膜；制作掩模板， 其尺寸与凸台结构一致；然后，采用曝光技术对光刻胶膜进行光刻蚀，形成与凸台尺寸对 应的光刻胶图形；最后，利用干腐蚀气体Cl2进行腐蚀，直到凸台高度为60wm。腐蚀气体 也可采用CF4、 Ar中的任意一种。干式腐蚀工艺具有各向异性的腐蚀特性，能够精确的控 制凸台的柱状机构，不会出现侧凹腐蚀现象。
第二步，采用溅射工艺，在带有凸台的芯片表面生成一Si02层。具体为将溅射室的 真空压力设定为2.5X10—6Torr，输入功率为IOOW，温度设定为20° C，靶材料为Si02， 对上述芯片的带有凸台的表面溅射3h，生成厚度为3^m的Si02层。溅射室的温度范围为 15。C 25。C时，Si0 2层的厚度S与时间t的关系为S =0. 243+0. 318t+0. 289t2-0. 012t3。 本发明采用的溅射工艺和背景技术中的喷涂技术在芯片表面生成一 Si02层的最终效果一 样，但是喷涂技术对于尺寸比较小(数十微米)的微结构，加工工艺难以实现，而溅射工 艺可以广泛应用且对加工尺寸没有严格限制。
第三步，采用湿式腐蚀工艺，对Si02层进行加工，形成多孔结构。
具体实施方案一是将具有Si02层的芯片表面完全浸没在由0. 07mol的HF、 0. 32mol 的NH4F和1.77mol的水所配置成的混合溶液中，其湿式腐蚀发生的化学反应为-Si02+6HF=H2SiF6+2H20，温度为20°C，反应时间设定为4. 5min，最后形成多孔结构。
实施方案二是配制溶液为0. 07 mol的HF、 0. 29mol的NH4F和2. 03mol的水，反应 温度为15'C，反应时间为5.5min，发生的化学反应同上，最后形成多孔结构。
实施方案三是配制溶液为0. 07mol的HF、 0. 41molNH4F和1. 54mol的水，反应温度 为25C，反应时间为3.5min，发生的化学反应相同，最后形成多孔结构。
具有圆柱状结构的凸台与方柱状结构的凸台的芯片的沸腾强化换热结构的制作方法相类似，只是在制作掩膜板时的图形不同， 一个为多个均匀分布的圆孔， 一个为多个均匀 分布的正方孔。
下面结合附图和具体试验对本发明的散热效果作进一步详细说明。
参照图3，实验回路主要由测试段l、容器2、过冷却器3、泵4、流量计5、加热器
6、制冷机7、待测芯片8、标准电阻9、直流电源IO、多个压力、压差传感器以及数据采
集系统构成。
测试段l主要由上盖、下盖和粘接待测芯片用的玻璃平板组成，制作选用有机玻璃材 料，能够使其表面可视化，其上盖和下盖由螺栓加固，用0型圈保持其密封性。 待测芯片8在测试段1中的放置以及待测芯片8表面的热量测量说明如下 用环氧胶将待测芯片8的整个背面粘附在测试段1上的有机玻璃平板正中央，待测芯 片8的表面周围空隙同样用环氧胶填充，这样能够保证只有待测芯片8的上表面有效地进 行散热，而且这样的测试部件组合有利于待测芯片8的拆卸和替换。为了通过直流电源IO 对待测芯片8进行加热，在待测芯片8的相对两个侧面利用超声波焊接技术焊接了两根直 径为0.25mm的裸铜线。这样直流电源10与待测芯片8以及标准电阻9形成串联回路。利 用直流电源10进行恒流输出，阻值为1Q的标准电阻9用来计算电路中的电流值。在标 准电阻9与待测芯片8两端各设置了一个电压表测量电压。由通电电路中所测到的标准电 阻9的电压值计算出回路电流值与待测芯片8所测得的电压值相乘得到待测芯片8上的发 热功率，再计算单位芯片表面积上的发热功率便可得到待测芯片8的热流密度。
参照图3，说明实验回路的循环过程。实验运行时不导电液体工质封入容器2以后， 容器2的上盖与阀门2关闭密封，阀门1与阀门3全部打开。之后开启与泵4相连接的变 频器，调至测试所需的流量。接着运行制冷机7使管内工质达到测试所需的温度。不导电 液体工质在泵4的驱动下流经流量测量装置5后进入预热器6,经预热器6预热后进入测 试段l，在此冷却被加热的待测芯片8的壁面，之后，不导电液体工质回到容器2中，经 冷却器3冷却后再次流入泵体4，当回路循环稳定后，打开与待测芯片8相连的直流稳压 电源IO，利用计算机程序控制，阶梯状地提高通过待测芯片8的电流值从而逐步提高热流 密度。热流密度值可由流经芯片的电流及加在芯片上的电压得到。不导电液体的流量由涡 轮流量计所测得。待测芯片8的壁面温度和不导电液体的主体温度分别通过在其背部中心 处和至上游25mm处设置两个T型热电偶进行测量。测试段1的入口压力和测试段1两侧 的压力差分别由压力传感器与差压传感器测得，所有数据与数据采集系统连接转化为对应 值，并由相连的计算机程序进行显示输出。当数据采集系统检测到待测芯片8的温度在数
7秒内上升20K以上时，计算机程序便判断发生了临界热流密度，立即切断通电回路。
待测芯片8表面的加热量计算主要是利用电功率P=UI原理进行测得，通过直流稳压 电源10对待测芯片8进行均匀加热，表面的加热量可由流经芯片的电流及加在芯片上电 压得到，进而待测芯片8产生的热流密度q等于单位芯片表面积上的发热功率。
发明人采用上述试验回路对实施例中制作的具有沸腾强化换热结构的芯片进行测试， 同时也做了对比实验，并且将结果作了对比分析。实验中不导电液体工质选取为FC-72，沸 点为56°C，不导电液体工质的过冷度范围为0 45K，本实验中选取为25K。不导电液体 工质的流量通过泵进行控制，测试段1为长方形通道，其通道尺寸为30mmX5mmX 460mm，根据流量等于速度乘以横截面积的关系，得出速度的值，本实验中流速设定为 0.1m/s。
测试的芯片为实施例中第一步最初形成的10mmX10mmX0.5mm的光滑芯片为Chip S、干式腐蚀形成的50X50X60pm、宽X厚X高)的方柱凸台微结构芯片Chip PF50-60， 和溅射Si02腐蚀为多孔介质的方柱凸台微结构芯片Chip PPF50-60。
通过对比实验，结合附图4，可以明显地看出ChipPPF50-60的核态沸腾曲线相对Chip S和Chip PF50-60明显向左移动，而且在高热流密度区，随着壁面过热度的增加，热流 量呈剧烈的增加趋势，曲线非常陡直。其主要原因是该芯片的沸腾换热结构相比光滑芯片 和方柱微结构芯片表面在较低壁面温度下极大地增加了汽化核心数目和有效的换热面积， 同时提供了足够多的气泡胚胎数目。因此，采用带有多孔介质介质凸台结构的芯片相比光 滑芯片和方柱微结构芯片换热性能大大的提高，而且达到临界热流密度时多孔凸台结构的 芯片表面温度小于芯片回路正常工作时的上限温度85°C;可以显著地降低了沸腾起始温度 并且消除或减少了发生核态沸腾时的温度过升量问题。
权利要求
1、一种芯片的沸腾强化换热结构，其特征在于，在芯片的表面腐蚀出多个柱状结构的凸台，带有凸台的芯片表面溅射有SiO2层，SiO2层腐蚀为多孔结构。
2、 根据权利要求l所述的一种芯片的沸腾强化换热结构，其特征在于,所述凸台均匀 分布在芯片的表面。
3、 根据权利要求1所述的一种芯片的沸腾强化换热结构，其特征在于，所述凸台为 圆柱状，其高度为50yrn 300ym，直径为10ym 100um，相邻凸台间中心点距离为直 径的1.5~2.5倍。
4、 根据权利要求1所述的一种芯片的沸腾强化换热结构，其特征在于，所述凸台为 方柱状，其高度为50um 300um，凸台上表面的边长为10um 100um，相邻凸台间中 心点距离为边长的1.5~2.5倍。
5、 根据权利要求1所述的一种芯片的沸腾强化换热结构，其特征在于，所述Si02层 的厚度为2. 5um 3.5um。
6、 权利要求1所述芯片的沸腾强化换热结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤第一步采用干式腐蚀工艺，在芯片表面加工出均匀分布的柱状结构的凸台； 第二步采用溅射工艺，在带有凸台的芯片表面生成一Si02层； 第三步采用湿式腐蚀工艺，对Si02层进行加工，形成多孔结构。 上述技术方案的进一步特点在于
7、 根据权利要求6所述芯片的沸腾强化换热结构的制作方法，其特征在于，所述干式腐蚀工艺采用CF4、 Cl2、 Ar中的任意一种腐蚀气体。
8、 根据权利要求6所述芯片的沸腾强化换热结构的制作方法，其特征在于，所述湿 式腐蚀工艺，其腐蚀溶液为HF、朋4F和水的混合溶液，其摩尔比为1:4:21 1:6:31;反 应时间为3 6min;反应温度为15。C 25。C。
全文摘要
本发明涉及高热流密度沸腾强化换热技术，特别涉及高热流密度微电子芯片高效冷却技术，具体为一种芯片的沸腾强化换热结构及其制作方法，具体为在芯片的表面腐蚀出多个柱状结构的凸台，带有凸台的芯片表面溅射有SiO<sub>2</sub>层，SiO<sub>2</sub>层腐蚀为多孔结构。本发明中的芯片沸腾换热结构可以在较低的壁面过热度下提供了足够多的气泡核化点数和较大的有效换热面积，从而解决了芯片在沸腾起始到核态沸腾时存在的较大温度热冲击问题，同时显著地提高了临界热流密度，使得高热流密度电子器件的有效换热得到了保证。
文档编号H01L23/34GK101447466SQ20081023650
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者方嘉宾, 薛艳芳, 袁敏哲, 高秀峰, 魏进家 申请人:西安交通大学