[发明专利]利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法

说明书

技术领域

本发明所涉及的是一种微电子技术领域的芯片冷却方法，特别是一种利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法。

背景技术

随着微全分析系统(μ-TAS)和微机电系统(MEMS)概念的提出和发展，电子芯片的特征尺寸不断减小，已从微米量级向亚微米量级发展，同时集成度每年以40％-50％高速度递增。近年来，随着超大规模集成电路技术和高速电子计算机技术的迅速发展，电子芯片热流密度接近目前的冷却极限——1MW/m²。如果这些热量不及时排出，将严重影响到微电子元件的工作性能和使用寿命。但是要在毫米甚至微米量级的器件上把如此高的热量带走，以风扇推动空气为特点的常规冷却技术已无法满足日益增长的微电子芯片散热需求。因而，探寻高热流密度微电子芯片的冷却方法开始成为一个研究热点。

为了实现对微电子芯片实现有效的冷却，已有文献报道了一些冷却方法。目前比较常用的散热方式为由外及内散热，一般是用空气通过风扇或相变流体与微电子元件直接接触，从而实现将热量从微电子元件中带出，进而降低电子元件的工作温度。这种散热方式由于散热热阻较大，使得散热效率较低；近年来随着微电子机械加工技术的迅速发展，将散热元件与芯片集成制作已经成为一种有效的强化散热手段。但是这两类冷却方式仍然没有摆脱传统的散热方式的不足之处，冷却极限没有超过1MW/m²。

早在上世纪80年代，Inada等人在过冷的池沸腾中发现加热面上小汽泡的湮灭时会产生许多微汽泡，并且发现加热表面不容易烧干。作者称之为微汽泡喷射沸腾，但是并没有提及利用微汽泡喷射沸腾技术进行芯片冷却的方案。

经对现有技术的文献检索发现，Tange等在《Thermal Science andEngineering》(热科学与工程)(2004年第12卷第23-29页)发表的“Microbubble Emission Boiling in a Microchannel and Minichannel”(小通道和微通道中的微汽泡喷射沸腾)，该文中发现在小通道中会出现微汽泡喷射沸腾。其不足在于通道过长，在高热流密度下，上游通道内刚刚出现微汽泡喷射沸腾，其下游通道已经烧干，远远没有发挥出微汽泡喷射沸腾技术的优势。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，使其可以对热流密度高达14.41MW/m2的微电子芯片(长为2mm，宽为0.2mm)进行有效冷却，是传统冷却技术极限的十几倍。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一，通过微加工的方法将微电子芯片固定在硼硅酸玻璃上。

步骤二，通过微加工中的蚀刻工艺，在<100>硅片上蚀刻微通道。

所述微通道的尺寸取决于芯片的尺寸：通道长度、宽度略大于微电子芯片的长度和宽度，通道底部距微电子芯片约为0.15mm。

步骤三，通过微加工中的阳极扩散焊工艺，将蚀刻有微通道的硅片和固定有微电子芯片的硼硅酸玻璃键合在一起，形成一端为入口、另一端为出口的具有良好密封性的微通道。

所述微电子芯片位于微通道内部的中间位置。

步骤四，提供常温下的水，从微通道的入口注入，水和微电子芯片直接接触进行冷却后从通道的出口排出。

水的质量流率和入口温度决定了用微汽泡喷射沸腾技术冷却微电子芯片的临界热流密度。水的质量流率越大、入口温度越低，临界热流密度就越大。

所述水以恒定质量流率和入口温度注入。

所述水的入口温度小于或者等于60℃，水的质量流率大于250kg/m²s。

微汽泡喷射沸腾是一种出现在高热流密度条件下的独特沸腾换热方式。在过冷的液体从核沸腾向膜沸腾发展的过程中，如有适当的过冷度和流速，会有大量的微小汽泡在大汽泡湮灭过程中喷射而出。此时的热流密度将大大超过临界热流密度，可超过10MW/m²，而芯片温度却几乎保持不变；另外，出现微汽泡喷射沸腾时，所需的压降却与单相液体流动时的压降相当。因而，微汽泡喷射沸腾具有强大的换热效果和较小的压降等优越性，完全适用于高热流密度微电子芯片的冷却。