专利名称：芯片冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种芯片冷却装置，尤其涉及一种用于高密度大功率芯片冷却 的采用微机电系统技术的微液滴喷射芯片冷却装置。
背景技术：
目前的芯片冷却装置多采用外置散热片和风扇，这两种芯片冷却装置都是 通过空气的对流传热来移除芯片的热量，相比之下，作为强迫对流传热的风扇
散热装置效率更高，以计算机CPU所用的风扇散热装置为例，在风扇叶片高达 4000r/min的转速下，基本能避免CPU的温度过高，但该装置噪声很大，而且散 热能力已经达到空气对流传热的极限。随着微电子技术的快速发展，单芯片的 集成功能更复杂、时钟频率快速提高、封装变薄、封装的引脚间距减小、封装 的引脚数降低等因素导致单芯片不断地向大功率和小型化方向发展，传统的冷 却方式已经满足不了单芯片和芯片组的散热要求。当芯片的工作频率达到 800MHz以上时，最大功率可达到100W，外壳与散热装置间的平均热流密度可 达到7.1W/ci^以上，当系统使用大量大功率芯片时，使用散热片或者风扇可控 的温度只能在IO(TC左右，而通常保证芯片正常工作的温度为60"C左右。
由此可见，高密度大功率芯片的热控制问题已经越来越突出，而在一些光 电通讯设备，核、电气控制设备等等领域内，同样也面临着很多急需解决的热 控制问题，解决这一问题的关键在于针对不同芯片中的高密度热源，寻求一种 高效的热输运方式。由于液体的对流传热效率高于气体，目前出现了一种浸没 式液冷装置，通过芯片的上表面与散热片直接接触，散热片的另一面浸在水中， 液体在外部泵的作用下循环流动，从而将芯片的热量输送到大气环境，该装置 虽然有较好的冷却效果，却占用较大空间，影响芯片的后序集成和封装。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有芯片冷却装置存在的不足，提供一种散热 效率高的芯片冷却装置。
本发明所釆取的技术方案是芯片冷却装置主要包括冷却液池、第一微流道、第一微泵、第二微流道、微喷嘴、冷却室、第三微流道、第二微泵、第四
微流道、冷凝器和微孔，所述冷却液池存储有冷却液；第一微泵的一端通过第
一微流道与冷却液池相连通，第一微泵的另一端通过第二微流道与微喷嘴相连
通；所述冷却室位于所述芯片冷却装置的底部且与所述芯片相匹配；所述微喷 嘴设于冷却室的上方且与冷却室相连通；第二微泵的一端通过第三微流道与冷 却室相连通，第二微泵的另一端通过第四微流道与冷凝器相连通；所述冷凝器 位于冷却液池的上方，冷凝器的内部设有冷凝流道，冷凝流道的顶部设有散热 片，所述冷凝流道与冷却液池通过微孔相连通。
进一步地，本发明所述第一微泵内设有弹性泵膜。
进一步地，本发明所述第二微泵内设有弹性泵膜。
进一步地，本发明所述微喷嘴为按矩形阵列方式均匀布置的微喷嘴阵列。 进一步地，本发明所述微孔为按矩形阵列方式均匀布置的微孔阵列。 使用时，将本发明芯片冷却装置安装于芯片的表面，亦即使该芯片置于冷 却室内，同时使微喷嘴正对芯片的上表面。由于冷却室与芯片相匹配，因此在 将芯片置于冷却室内后，通过芯片将冷却室与外部大气环境隔离，并使冷却室 相对外部大气环境具有良好的密封性。芯片冷却装置对芯片进行冷却的一个循 环过程如下冷却液池中的冷却液在第一微泵的驱动下，经由第一微流道和第 二微流道流入微喷嘴，并以微液滴态冷却液的形式从微喷嘴喷射进冷却室，由 于冷却室位于芯片上表面的正上方，微液滴冷却液直接冲击在发热芯片的上表 面；通过对第一微泵泵膜振动幅值和频率的有效控制，使喷射出的微液滴冷却 液在芯片上表面形成一层适当厚度的薄膜，在固液界面上直接完成液气之间的 质量与能量传递，使得界面的接触热阻达到最小，获得很高的临界热流密度值， 而不存在沸腾初始滞后作用的影响，这样，芯片的表面温度可以保持在冷却液 在系统压力下的饱和温度值附近，并且芯片热表面的温度分布均匀；冷却液在 芯片上表面沸腾，在冷却室中吸收芯片的热量由液态转变为气态，气态冷却液 在第二微泵的驱动下，经由第三微流道和第四微流道流入冷凝器，通过对第二 微泵泵膜振动幅值和频率的有效控制，以保证冷却室内产生的气态冷却液及时 地流入冷凝器，从而确保封闭空间内冷却循环的顺畅；在冷凝器的内部设有环 形的冷凝流道，且冷凝器顶部均匀分布的翅形散热片与大气环境接触，可保证 气态冷却液在冷凝流道内充分散热；由于冷却液的沸点低于大气环境温度，气 态冷却液在冷凝流道内释放热量凝结成液态冷却液，液态冷却液经由环形的冷凝流道下方的微孔，形成液滴流回冷却液池，完成一个封闭空间内的冷却循环。 综上所述，相对于现有的芯片冷却装置，本发明芯片冷却装置具有以下优
点
1. 本发明芯片冷却装置把微泵作为冷却液的驱动源集成在芯片表面，使冷 却装置占用空间的减少成为了可能，利用微机电系统技术中的体微加工工艺和 表面微加工工艺，分层刻蚀，去除牺牲层，再通过可逆的阳极键合工艺，逐层 地将冷却装置封装在电子器件芯片的表面，实现有效耦合和高效匹配，减小了 占用空间，降低了对芯片后续集成和封装的负面影响。
2. 本发明芯片冷却装置采用封闭的内循环冷却方式，通过第一微泵控制微 液滴的成形和喷射，通过第二微泵实现气体的回收再利用，整个循环过程不需 要人工干预，而且具有很高的可控性和工作柔性，以满足芯片在不同工况下的 冷却要求。
3. 本发明芯片冷却装置通过微液滴态冷却液冲击芯片热表面，形成薄膜， 获得很高的临界热流密度值，并利用高温区液体气化而在低温区气体冷凝的两 相热传导技术，即冷却液的相变潜热特性，实现对高密度大功率芯片的温度控 制。相比传统的自由对流传热、强迫对流传热以及浸没式冷却方式，利用液体 的相变机制冷却是一种效率更高的冷却方式，其中本发明涉及的微表面喷射沸
腾冷却更具有高达(500 600)W/cm2的临界热流密度值，这完全能满足现有高密 度大功率芯片的冷却要求，甚至能解决未来很长一段时间内芯片发展所必须面 对的热控制问题。
图1为本发明一种实施方式的部分剖视示意图； 图2为本发明的工作原理其中
l.冷却液池，12.第一微流道，2.第一微泵，21.第一微泵泵膜，23.第二微流 道，3.微喷嘴，3^微液滴态冷却液，4.冷却室，4a,薄膜，46.第三微流道，6.第二 微泵，61.第二微泵泵膜，67.第四微流道，7.冷凝器，71.冷凝流道，72.翅形散热 片，8.微孔，Sa.液滴，9.芯片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明芯片冷却装置进行说明。
请参见图l、图2，其中图2中的箭头符号-+代表液态冷却液的流动方向， 箭头符号^代表气态冷却液的流动方向。本发明芯片冷却装置主要包括冷却液 池l、第一微流道12、第一微泵2、第二微流道23、微喷嘴3、冷却室4、第三 微流道46、第二微泵6、第四微流道67、冷凝器7、微孔8。冷却液池1存储有 冷却液(图中未示出)。冷却液要求具有良好的热物理性能、电气性能，并且对 芯片具有缓蚀性、安全性及稳定性。热物理性能包括合适的沸点温度，较高的 汽化潜热和比热，密度较大，粘度较小。其中沸点要求在室温与芯片能保持正 常工作的最高温度之间，通常沸点在40°C 60°C。电气性能主要指绝缘性和兼 容性，总体要求是不致影响芯片的寿命和性能。安全性和稳定性主要指无毒、 无剌激性、不燃、不溶于水、不易分解、不污染环境等。目前市场上常用的碳 氟化合物能很好地满足上述要求，例如在本实施方式中，使用的冷却液为碳氟 化合物中的FC-72, FC-72在一个标准大气压下的沸点为56.6°C 。
在本实施方式中，第一微泵2为无阀液体微泵，带有一个可以往复振动的 弹性泵膜，即第一微泵泵膜21，第一微泵2的一端通过第一微流道12与冷却液 池1相连通，另一端通过第二微流道23与微喷嘴3相连通，在第一微泵泵膜21 的往复振动作用下，冷却液池1中的冷却液经由第一微流道12和第二微流道23， 流入微喷嘴3，并以微液滴态冷却液3a的形式从微喷嘴3喷射出去，即喷射到 与微喷嘴3相连通的冷却室4内。在本实施方式中，微喷嘴3可具有多个，以 矩形阵列的形式均匀地布置在冷却室4的上方以形成微喷嘴阵列，这样可以更 好地保证喷出微液滴态冷却液3a的均匀性。当然，本发明的芯片冷却装置的微 喷嘴3也可以不按矩形阵列方式布置，而以其他适当的方式排列。冷却室4位 于芯片冷却装置的底部，且冷却室4在其安装芯片9的位置的尺寸与芯片9相 匹配，以使得在将芯片9置于冷却室4内后，可通过芯片9将冷却室4与外部 大气环境隔离，并使冷却室4相对外部大气环境具有良好的密封性。若将微喷 嘴3设于冷却室4的正上方，则可以确保微喷嘴3能够正对芯片9的上表面， 从而使从微喷嘴3喷射出的微液滴态冷却液3a有效地冲击在芯片9的上表面。 微液滴态冷却液3a在芯片9的上表面形成一层薄膜4a，并在冷却室4内沸腾， 变为气态将芯片9的热量带走。
在本实施方式中，第二微泵6为无阀气体微泵，带有一个可以往复振动的 弹性泵膜，即第二微泵泵膜61，第二微泵6的一端通过第三微流道46与冷却室
64相连通，另一端通过第四微流道67与冷凝器7相连通，在第二微泵泵膜61的 往复振动作用下，冷却室4的气态冷却液经由第三微流道46和第四微流道67， 流入冷凝器7。冷凝器7位于冷却液池1的上方，冷凝器7的内部设有环形的冷 凝流道71，冷凝流道71的顶部设有均匀分布的翅形散热片72，以保证气态冷 却液在冷凝器7内部的冷凝流道71内充分散热，冷凝流道71通过其下方的微 孔8与冷却液池1相连通，气态冷却液在冷凝流道71内凝结成液态冷却液，将 热量释放到大气环境，液态冷却液通过微孔8，形成液滴8a流回冷却液池1。 微孔8可具有多个，并以矩形阵列的形式均匀地布置在冷却液池1的上方以形 成微孔阵列，这样可以更好地保证液滴8a及时地流回冷却液池1，以确保封闭 空间内冷却循环的顺畅。当然，本发明的芯片冷却装置的微孔8也可以不按矩 形阵列方式布置，而以其他适当的方式排列。如图l、图2所示，本发明芯片冷却装置在使用时，安装于芯片9的表面， 并使微喷嘴3正对芯片9的上表面，此外，还需保证冷却室4相对外部大气环 境具有良好的密封性。芯片冷却装置对芯片9进行冷却的一个循环过程如下 在第一微泵泵膜21的往复振动作用下，冷却液池1中储存的冷却液流入微喷嘴 3，并在第一微泵泵膜21产生的液体压力作用下，通过微喷嘴3形成微液滴态 冷却液3a，并从微喷嘴3喷射进冷却室4，该微液滴态冷却液3a最终冲击在发 热芯片9的上表面；通过对第一微泵泵膜21振动幅值和频率的有效控制，使喷 射出的微液滴态冷却液3a在芯片9的上表面形成一层适当厚度的薄膜4a，从而 在固液界面上直接完成液气之间的质量与能量传递，使得界面的接触热阻达到 最小，获得很高的临界热流密度值，而不存在沸腾初始滞后作用的影响，这样 芯片9的表面温度可以保持在冷却液在系统压力下的饱和温度值附近，并且芯 片9热表面的温度分布均匀。冷却液在芯片9的上表面沸腾，在冷却室4中吸 收芯片9的热量由液态转变为气态，在第二微泵泵膜61产生的气体压力作用下， 气态冷却液流入冷凝器7，通过对第二微泵泵膜61振动幅值和频率的有效控制， 可以保证气态冷却液及时地流入冷凝器7，以确保整个冷却循环的顺畅。冷凝器 7的顶部均匀分布的翅形散热片72与大气环境接触，由于冷却液FC-72的沸点 为56.6°C，高于大气环境温度(通常低于4(TC),气态冷却液在冷凝器7内部的 冷凝流道71内凝结成液态冷却液，并将热量释放到大气环境，凝结成的液态冷 却液在自重和气体压力作用下，经由环形的冷凝流道71下方的微孔8，形成液 滴8a流回冷却液池1，完成一个封闭空间内的冷却循环。7'、、、 1. 本发明芯片冷却装置把第一微泵2、第二微泵6分别作为液态冷却液和 气态冷却液的驱动源集成在芯片9的表面，使冷却装置占用空间的减少成为了 可能，利用微机电系统技术中的体微加工工艺和表面微加工工艺，分层刻蚀， 去除牺牲层，再通过可逆的阳极键合工艺，逐层地将冷却装置封装在电子器件 芯片9的表面，实现有效耦合和高效匹配，减小了占用空间，降低了对芯片后 续集成和封装的负面影响。2. 本发明芯片冷却装置采用封闭的内循环冷却方式，通过第一微泵2控制 微液滴的成形和喷射，通过第二微泵6实现气体的回收再利用，整个循环过程 不需要人工干预，具有很高的可控性和工作柔性以满足不同功率芯片在不同工 况下的冷却要求。3. 本发明芯片冷却装置通过微液滴冷态却液3a冲击芯片9热表面，形成薄 膜4a，获得很高的临界热流密度值，并利用高温区液体气化而在低温区气体冷 凝的两相热传导技术，即冷却液的相变潜热特性，实现对高密度大功率芯片的 温度控制。相比传统的自由对流传热、强迫对流传热以及浸没式冷却方式，利 用液体的相变机制冷却是一种效率更高的冷却方式，其中本发明涉及的微表面 喷射沸腾冷却更具有高达(500 600)W/cm2的临界热流密度值，这完全能满足现 有高密度大功率芯片的冷却要求，甚至能解决未来很长一段时间内芯片发展所 必须面对的热控制问题。以上所述，仅是本发明的最佳实施方式而己，并非对本发明做任何形式上 的限制。虽然本发明已以最佳实施例论述如上，然而并非以限定本发明，任何 熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技 术内容做出些许更动或修饰以实现等效的实施方式，比如选择其它类型的冷却 液替代碳氟化合物FC-72，又如改变微喷嘴阵列的布置方式，再如选取其他类型 的微泵等等。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方 案的范围内。
权利要求
1.一种芯片冷却装置，其特征在于它包括冷却液池(1)、第一微流道(12)、第一微泵(2)、第二微流道(23)、微喷嘴(3)、冷却室(4)、第三微流道(46)、第二微泵(6)、第四微流道(67)、冷凝器(7)和微孔(8)，所述冷却液池(1)存储有冷却液；第一微泵(2)的一端通过第一微流道(12)与冷却液池(1)相连通，第一微泵(2)的另一端通过第二微流道(23)与微喷嘴(3)相连通；所述冷却室(4)位于所述芯片冷却装置的底部且冷却室(4)与所述芯片相匹配；所述微喷嘴(3)设于冷却室(4)的上方且与冷却室(4)相连通；第二微泵(6)的一端通过第三微流道(46)与冷却室(4)相连通，第二微泵(6)的另一端通过第四微流道(67)与冷凝器(7)相连通；所述冷凝器(7)位于冷却液池(1)的上方，冷凝器(7)的内部设有冷凝流道(71)，冷凝流道(71)的顶部设有散热片(72)，所述冷凝流道(71)与冷却液池(1)通过微孔(8)相连通。
2. 根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于所述第一微泵(2) 内设有弹性泵膜。
3. 根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于所述第二微泵(6) 内设有弹性泵膜。
4. 根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于所述微喷嘴G)为 按矩形阵列方式均匀布置的微喷嘴阵列。
5. 根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于所述微孔(8)为按 矩形阵列方式均匀布置的微孔阵列。
全文摘要
本发明公开了一种芯片冷却装置，包括位于该装置底部且与芯片相匹配的冷却室、存储有冷却液的冷却液池、第一微流道、第一微泵、第二微流道、微喷嘴、第三微流道、第二微泵、第四微流道、冷凝器和微孔；第一微泵的一端通过第一微流道与冷却液池相连通，另一端通过第二微流道与微喷嘴相连通；微喷嘴设于冷却室的上方且与冷却室相连通；第二微泵的一端通过第三微流道与冷却室相连通，另一端通过第四微流道与冷凝器相连通；冷凝器位于冷却液池的上方，冷凝器的内部设有冷凝流道，冷凝流道的顶部设有散热片，冷凝流道与冷却液池通过微孔相连通。本发明体积小、散热效率高，具有很高的可控性和工作柔性，可满足芯片在不同工况下的冷却要求。
文档编号H01L23/34GK101645430SQ20091010220
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月3日 优先权日2009年9月3日
发明者济 应, 亮 徐, 俊 李, 林谢昭 申请人:浙江大学