利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法转让专利
申请号 : CN200810034853.1
文献号 : CN101252089B
文献日 : 2010-10-06
发明人 : 王国栋 , 郑平
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
一种微电子技术领域的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，步骤为：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 硅片上蚀刻微通道；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；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。本发明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。
权利要求 :
1.一种利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征在于，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；
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；
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。
2.根据权利要求1所述的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征是，所述微通道，其微通道的长度和宽度分别大于微电子芯片的长度和宽度。
3.根据权利要求1或2所述的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征是，所述微通道，其微通道底部距微电子芯片0.15mm。
4.根据权利要求1或2所述的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征是，所述微电子芯片位于微通道内部的中间位置。
5.根据权利要求1所述的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征是，所述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。
6.根据权利要求1或5所述的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征是，所述水以恒定质量流率和入口温度注入。
7.根据权利要求1或5所述的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征是，所述水的入口温度小于或者等于60℃。
8.根据权利要求1或5所述的利用微汽泡喷射沸腾冷却微电子芯片的方法，其特征是，所述水的质量流率大于250kg/m2s。
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。
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。
本发明利用过冷沸腾中的微汽泡喷射沸腾技术进行微电子芯片的冷却，微汽泡喷射沸腾技术具有换热效果强(可以对热流密度高达14.41MW/m2的微电子芯片进行冷却)、压降小(接近单相流动压降)和不易出现烧干现象等传统冷却技术所不具备的优越性。因而用微汽泡喷射沸腾技术对高热流密度的微电子芯片进行冷却既能够克服传统散热方式的不足，又能明显地达到强化换热的目的，为下一代微电子芯片的冷却提供了一种行之有效的方法。
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。
本发明利用过冷沸腾中的微汽泡喷射沸腾技术进行微电子芯片的冷却，微汽泡喷射沸腾技术具有换热效果强(可以对热流密度高达14.41MW/m2的微电子芯片进行冷却)、压降小(接近单相流动压降)和不易出现烧干现象等传统冷却技术所不具备的优越性。因而用微汽泡喷射沸腾技术对高热流密度的微电子芯片进行冷却既能够克服传统散热方式的不足，又能明显地达到强化换热的目的，为下一代微电子芯片的冷却提供了一种行之有效的方法。
附图说明
图1为集成有微加热膜的微通道的结构图。
图2为微汽泡喷射沸腾随时间的照片，其中：图2a-c：三个汽泡聚结合并成一个大汽泡；图2d-f：许多微汽泡在大汽泡的湮灭的时候出现。
图3为不同质量流率下微汽泡喷射沸腾曲线图。
图4为不同入口温度下沸腾曲线图。
图2为微汽泡喷射沸腾随时间的照片，其中：图2a-c：三个汽泡聚结合并成一个大汽泡；图2d-f：许多微汽泡在大汽泡的湮灭的时候出现。
图3为不同质量流率下微汽泡喷射沸腾曲线图。
图4为不同入口温度下沸腾曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例按照以下的步骤进行：
步骤一，通过微加工技术中的溅射工艺和剥离工艺在微通道下壁面1的硼硅酸玻璃上加工微加热膜4作为微电子芯片。微电子芯片以厚度为的TiW和的Pt复合而成。用厚度为的Au做引线5，并和直流电源相连。通过调节直流电源的电压使微电子芯片产生的不同的热流密度。
步骤二，通过微加工的方法在0.25mm厚的硅片减薄至0.1mm。将经过上述处理过的硅片置于900～1100℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4～5L/min，氧化时间为350～450分钟，使硅片上生成一层均匀的厚度为的氧化膜层；然后采用红外对准工艺，将通道图形显影到硅片上，最后在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，刻蚀速率为直至将硅片刻穿。以形成微通道侧壁3。通道截面为等腰梯形，上底宽为0.43mm，下底宽为0.26mm，深为0.10mm，通道长为15mm。待除去硅片表面的杂质后对其进行双面抛光处理，然后用阳极扩散焊工艺将微通道侧壁3与硅片上下面分别于微通道上下壁面1、2键合在一起，从而保证微通道良好的密封性和可视化要求。
步骤三，用去离子水作为工作流体，以恒定质量流率和入口温度，将去离子水从微通道一端注入，流经微加热膜，从微通道另一端流出。逐渐增加直流电源的电压，通过显微镜和高速摄像机观察微电子芯片的流型，直至出现微汽泡喷射沸腾现象。
下面以图1所示的集成有微加热膜的微通道结构，以附图2-4所示的实施为例，来说明用微汽泡喷射沸腾技术冷却高热流密度的微电子芯片。具体实施参数条件和结果描述如下：
如图2所示，设微电子芯片为微加热膜，施加的入口水温为20℃，质量流率为294.6kg/m2s，可以利用微汽泡喷射沸腾技术对热流密度为6.21MW/m2的微电子芯片进行冷却。通过显微镜和高速摄像机的可视化研究，可以观察到微汽泡喷射沸腾现象：在0.0682ms内，三个汽泡聚结合并成一个大汽泡(图2a-c)。由于强烈的冷凝和汽液界面的不稳定性的作用，许多微汽泡在大汽泡的湮灭的时候出现(图2d-f)。
如图3所示，设微电子芯片为微加热膜，施加的入口水温为20℃，质量流率分别为254.6kg/m2s，589.2kg/m2s，和883.8kg/m2s。可以看到：质量流率为254.6kg/m2s时，对热流密度从4.17MW/m2到7.19MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从141.5℃增至146.7℃；质量流率为589.2kg/m2s时，对热流密度从5.99MW/m2到12.44MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从144.3℃增至159.1℃；质量流率为883.8kg/m2s时，对热流密度从6.14MW/m2到14.40MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从145.2℃增至165.9℃。
如图4所示，设微电子芯片为微加热膜，施加的质量流率为589.2kg/m2s，入口水温分别为20℃，60℃和80℃。可以看到：入口水温为20℃时，对热流密度从5.99MW/m2到12.44MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从144.3℃增至159.1℃；入口水温为60℃时，对热流密度从3.24MW/m2到6.43MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从147.2℃增至149.5℃；入口水温为80℃时，对热流密度从2.61MW/m2到5.13MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从146.7℃迅速增至213.3℃。该工况没有出现微汽泡喷射沸腾现象，不能有效的对该热流密度芯片进行有效的冷却。
本实施例利用微汽泡喷射沸腾技术对高热流密度的微电子芯片进行冷却，是传统冷却技术极限的几倍到十几倍。需要指出的是，在以上实施例中，当入口水温为20℃和60℃时出现了微汽泡喷射沸腾现象；当入口水温升为80℃时没有出现微汽泡喷射沸腾现象。因此高入口水温是限制本发明方法使用的重要因素。
本实施例按照以下的步骤进行：
步骤一，通过微加工技术中的溅射工艺和剥离工艺在微通道下壁面1的硼硅酸玻璃上加工微加热膜4作为微电子芯片。微电子芯片以厚度为的TiW和的Pt复合而成。用厚度为的Au做引线5，并和直流电源相连。通过调节直流电源的电压使微电子芯片产生的不同的热流密度。
步骤二，通过微加工的方法在0.25mm厚的硅片减薄至0.1mm。将经过上述处理过的硅片置于900～1100℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4～5L/min，氧化时间为350～450分钟，使硅片上生成一层均匀的厚度为的氧化膜层；然后采用红外对准工艺，将通道图形显影到硅片上，最后在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，刻蚀速率为直至将硅片刻穿。以形成微通道侧壁3。通道截面为等腰梯形，上底宽为0.43mm，下底宽为0.26mm，深为0.10mm，通道长为15mm。待除去硅片表面的杂质后对其进行双面抛光处理，然后用阳极扩散焊工艺将微通道侧壁3与硅片上下面分别于微通道上下壁面1、2键合在一起，从而保证微通道良好的密封性和可视化要求。
步骤三，用去离子水作为工作流体，以恒定质量流率和入口温度，将去离子水从微通道一端注入，流经微加热膜，从微通道另一端流出。逐渐增加直流电源的电压，通过显微镜和高速摄像机观察微电子芯片的流型，直至出现微汽泡喷射沸腾现象。
下面以图1所示的集成有微加热膜的微通道结构，以附图2-4所示的实施为例，来说明用微汽泡喷射沸腾技术冷却高热流密度的微电子芯片。具体实施参数条件和结果描述如下：
如图2所示，设微电子芯片为微加热膜，施加的入口水温为20℃，质量流率为294.6kg/m2s，可以利用微汽泡喷射沸腾技术对热流密度为6.21MW/m2的微电子芯片进行冷却。通过显微镜和高速摄像机的可视化研究，可以观察到微汽泡喷射沸腾现象：在0.0682ms内，三个汽泡聚结合并成一个大汽泡(图2a-c)。由于强烈的冷凝和汽液界面的不稳定性的作用，许多微汽泡在大汽泡的湮灭的时候出现(图2d-f)。
如图3所示，设微电子芯片为微加热膜，施加的入口水温为20℃，质量流率分别为254.6kg/m2s，589.2kg/m2s，和883.8kg/m2s。可以看到：质量流率为254.6kg/m2s时，对热流密度从4.17MW/m2到7.19MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从141.5℃增至146.7℃；质量流率为589.2kg/m2s时，对热流密度从5.99MW/m2到12.44MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从144.3℃增至159.1℃；质量流率为883.8kg/m2s时，对热流密度从6.14MW/m2到14.40MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从145.2℃增至165.9℃。
如图4所示，设微电子芯片为微加热膜，施加的质量流率为589.2kg/m2s，入口水温分别为20℃，60℃和80℃。可以看到：入口水温为20℃时，对热流密度从5.99MW/m2到12.44MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从144.3℃增至159.1℃；入口水温为60℃时，对热流密度从3.24MW/m2到6.43MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从147.2℃增至149.5℃；入口水温为80℃时，对热流密度从2.61MW/m2到5.13MW/m2的微电子芯片进行冷却时，芯片温度从146.7℃迅速增至213.3℃。该工况没有出现微汽泡喷射沸腾现象，不能有效的对该热流密度芯片进行有效的冷却。
本实施例利用微汽泡喷射沸腾技术对高热流密度的微电子芯片进行冷却，是传统冷却技术极限的几倍到十几倍。需要指出的是，在以上实施例中，当入口水温为20℃和60℃时出现了微汽泡喷射沸腾现象；当入口水温升为80℃时没有出现微汽泡喷射沸腾现象。因此高入口水温是限制本发明方法使用的重要因素。