[发明专利]一种硅基微型环路热管冷却器

说明书

技术领域

本发明属于微电子芯片的温控领域，尤其是一种硅基微型环路热管冷却器。

背景技术

近年来，随着各电子器件及设备(如计算机芯片等)向高性能和微小型化的发展趋势，它们工作时将产生工作热负荷快速增加并造成发热量过大的问题，严重影响电子器件的工作性能及安全可靠性。同时，微电子芯片本身的发热不均将在局部表面产生“热点”，其存在被认为是造成芯片“热失效”、威胁系统安全的关键原因。针对微电子芯片冷却空间狭小、散热困难的特点，为将芯片温度控制在安全水平并提高其均温性、减少局部“热点”，亟需发展新型的微冷却技术。

在各种微电子器件散热冷却技术中，微小型环路热管(LPH)因其散热性能卓越和结构布置正日益受到关注，被认为是一种很有发展前景的新型微冷却散热技术。目前，该热管主要通过毛细管与金属板(块)的连接制作构成环路或直接在金属板上加工用于构成蒸发器的毛细芯结构和冷凝器的U型槽道结构来实现。如Chu等在《Heat Transfer—Asian Research》(2004年33卷42-55页)上发表的“Design of miniature loop heat pipe”(小型环路热管的设计)中所提出的蒸发器毛细芯结构和冷凝器相互分离、并通过管道将两者连接的环路热管；以及专利号US20130233521A1，名称为“Loop heat pipe and electronic equipment using the same”(基于环路热管的冷却装置)的美国专利中所公开的一种直接在平板上加工蒸发器、冷凝器和回路结构的平板环路热管，该平板环路热管可有多个蒸发器或冷凝器。由上述方法制作得到的毛细泵回路，一般通过与微电子器件的直接接触而将热量带出，由此降低其工作温度。这种散热模式在连接过程中会引入额外接触热阻，降低散热效率，而在减少芯片表面局部“热点”方面也存在较大的局限；同时，还可能因材料兼容性而导致热应力集中的问题，当器件本身温度分布不均时表现更为严重。

发明内容

针对现有LPH散热技术难以有效解决微电子芯片工作热负荷快速增加并造成其本身发热不均在表面产生局部“热点”的问题，本发明提供了一种硅基微型环路热管冷却器，能够有效降低芯片“热点”部位的温度、提高散热冷却效率，结合LPH的自身特性和微尺度传热的优点增强传热温控能力，使微电子芯片的工作性能更加安全可靠。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种硅基微型环路热管冷却器，其特征在于，包括键合在一起的半导体硅片、耐热硼硅酸玻璃片；所述硅片与硼硅酸玻璃片接触的表面上刻蚀有蒸发器、冷凝器、液体补偿器、液相通道、汽相通道和抽真空/注液通道；所述蒸发器和冷凝器的两端分别通过液相通道和汽相通道相连接，形成闭合回路；所述液相通道上设有储液腔；所述蒸发器包括微小槽道；所述冷凝器包括冷凝蛇形通道；蒸发器与抽真空/注液通道连通，所述硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔，所述抽真空/注液孔能够与抽真空/注液微通道连通。

优选地，所述冷凝蛇型通道为数个等间距排列、且连通的U型通道构成。

优选地，所述蒸发器的微小槽道结构为数个贯穿于液相通道、汽相通道之间的蒸发微通道，或者为微肋阵列毛细结构，所述微肋阵列毛细结构为多个以阵列排列的在所述硅片上经刻蚀留下的微肋构成，微肋之间形成微通道。

优选地，所述微肋的横截面为矩形、三角形或圆形，所述微肋的阵列排列方式为顺排或叉排，所述微肋阵列毛细结构中微肋宽度为100～300μm、长度为400～1200μm，两列微肋之间的间距为50～300μm，两行微肋之间的间距为50～300μm。

优选地，所述冷凝蛇形通道的截面为梯形，冷凝蛇形通道的通道水力直径为500～2000μm；蒸发器的微小槽道结构的通道水力直径取100～200μm。

优选地，所述液相通道的直径小于汽相通道的直径。

优选地，所述汽相通道从蒸发器向冷凝器方向线性增大；液相通道从液体补偿器向冷凝器方向线性减小。

优选地，所述抽真空/注液微通道内液体工质充注体积占整个硅基环路总体积的25％～40％。

优选地，所述充注液体工质为水、乙醇、电子冷却液FC-72中的一种。

优选地，所述的硅基微冷却器的硅片能够直接与半导体微电子芯片集成为一体。