一種基于壓電微泵的嵌入式制冷器件及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬微電子器件集成與散熱技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于壓電微泵的嵌入式制冷器件及其制備方法。該制冷器件包括微流道和壓電微泵兩部分；微流道為單獨(dú)對(duì)應(yīng)單個(gè)芯片，設(shè)置于芯片下方；壓電微泵置于微流道下方。本發(fā)明中，微流道是為每個(gè)芯片散熱，尺寸更加微小，散熱能力更好；本發(fā)明將壓電微泵置于每個(gè)芯片的下方，不僅縮小了整體封裝的體積，而且可以根據(jù)芯片的具體功率實(shí)現(xiàn)將不同能力的壓電微泵與微流道集成形成具有不同制冷能力的器件，實(shí)現(xiàn)按需散熱，提高系統(tǒng)溫度分布均勻性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，易于集成，芯片散熱均勻；可應(yīng)用于高密度集成微系統(tǒng)、功率半導(dǎo)體器件及設(shè)備等方面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于壓電微泵的嵌入式制冷器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬微電子器件集成與散熱技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種基于壓電微栗的嵌入式制冷器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路工藝線寬不斷縮小，集成度顯著提升，GaN等新型半導(dǎo)體功率器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步提升了集成電路芯片的功率密度，使得芯片功率和發(fā)熱量越來(lái)越大。將具有不同功率密度的芯片采用3維集成等方法形成多芯片集成微系統(tǒng)，使得系統(tǒng)熱特征表現(xiàn)為系統(tǒng)發(fā)熱功率的急劇上升，局部高熱流密度熱點(diǎn)的非均勻分布，可供散熱器件使用的空間進(jìn)一步減小等特征。傳統(tǒng)的空氣對(duì)流制冷無(wú)論是散熱能力還是體積都無(wú)法滿(mǎn)足器件和系統(tǒng)的散熱要求，液體冷卻逐漸成為集成微系統(tǒng)的首選冷卻方式，其優(yōu)點(diǎn)是:可以利用較小的功率消耗達(dá)到液體的循環(huán)流動(dòng)、工作噪聲很小、可以利用對(duì)流、相變等多種方式完成散熱過(guò)程。
[0003]現(xiàn)有液體散熱系統(tǒng)一般由水栗、冷卻工作區(qū)、水箱、水管等組成，水栗通電將水箱內(nèi)冷水注入冷卻工作區(qū)，將熱源芯片熱量帶走回流至水箱中，由此形成水循環(huán)將芯片熱量帶走。整個(gè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不易于集成，應(yīng)用中受到較多限制。為適應(yīng)微系統(tǒng)集成的需要，研究人員提出了一種用于熱管理的轉(zhuǎn)接板，這種轉(zhuǎn)接板主要由兩塊包含用于冷卻的微通道以及電信號(hào)傳導(dǎo)的TSV硅通孔的硅載板組成，同時(shí)利用一個(gè)微型栗將冷卻水從熱交換器抽送到轉(zhuǎn)接板的入口處，經(jīng)由微通道流至轉(zhuǎn)接板的出口處，再返回到熱交換器，這樣，就為貼在轉(zhuǎn)接板上的芯片實(shí)現(xiàn)了降溫。
[0004]對(duì)于3維集成芯片，由于流道設(shè)計(jì)的難度和流體壓降的存在，僅靠外部微型栗難以使冷卻液較為均勻的分布在每一層，造成離微栗較遠(yuǎn)的芯片和每層中心的芯片溫度過(guò)高。并且，器件上的芯片功率并不完全相同，外置一個(gè)微栗的栗水能力無(wú)法滿(mǎn)足所有芯片的要求，微流道的尺寸也過(guò)大，不能完全發(fā)揮其制冷功效。另外，外置的微栗體積較大，接入微流道的軟管需要經(jīng)過(guò)PCB板、基板等，工藝復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，所有芯片都無(wú)法正常工作。所以，在現(xiàn)代微系統(tǒng)往集成化、小型化發(fā)展的道路上，改善這些問(wèn)題勢(shì)在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述存在問(wèn)題或不足，為解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不易于集成，應(yīng)用受限，芯片散熱不均勻的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于壓電微栗的嵌入式制冷器件及其制備方法，采用內(nèi)置的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基于無(wú)閥壓電微栗的制冷器件。
[0006]該基于壓電微栗的嵌入式制冷器件包括微流道和壓電微栗兩部分。
[0007]所述微流道為單獨(dú)對(duì)應(yīng)單個(gè)芯片，通過(guò)鍵合方式將其散熱工作區(qū)域正對(duì)設(shè)置于芯片下方。
[0008]所述壓電微栗集成于微流道下方，即壓電微栗無(wú)壓電陶瓷片一面與微流道通過(guò)鍵合的方式連接在一起。
[0009]所述壓電微栗栗腔的深度和微流道翅片的寬度可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)改變栗水能力或是制冷能力，把不同能力的壓電微栗與微流道鍵合在一起做成具有不同制冷能力的器件。
[0010]所述壓電陶瓷片材料為BaT13或PZT;襯底為S1、Al203陶瓷或有機(jī)玻璃;栗膜材料為Si或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0011]其制備方法包括如下步驟:
[0012]步驟1、清洗3片相同襯底，并用氮?dú)獯蹈珊螅脺p薄工藝減薄至厚度0.3mm-0.5mm。
[0013]步驟2、在其中2片襯底上刻蝕出結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的流體通道即翅片，一片上設(shè)有流體進(jìn)出口，另一片上沒(méi)有。
[0014]步驟3、將上述兩片襯底的流體通道圖形區(qū)即散熱工作區(qū)域相對(duì)應(yīng)，通過(guò)鍵合的方式連接在一起形成一個(gè)整體，即微流道。鍵合方式為金屬鍵合、直接鍵合或陽(yáng)極鍵合。
[0015]步驟4、使用刻蝕技術(shù)在第3片襯底上制備壓電微栗的栗腔、進(jìn)出流道和進(jìn)出口，制備區(qū)域?yàn)閴弘娢⒗鯃D形區(qū)。步驟5、將步驟3制得的微流道和步驟4制得的第3片襯底整體相對(duì)應(yīng)鍵合;鍵合方式為金屬鍵合、直接鍵合或陽(yáng)極鍵合。
[0016]步驟6、在步驟5得到的第3片襯底未鍵合面制備壓電微栗的栗膜；栗膜厚度為50um-100um，栗膜平面尺寸與襯底大小相適應(yīng)。
[0017]步驟7、在步驟6的基礎(chǔ)上，圖形區(qū)外圍制作TSV。
[0018]步驟8、在栗膜上，正對(duì)栗腔的位置處粘貼壓電陶瓷片。
[0019]所述步驟8中壓電陶瓷片與栗腔同樣大小。
[0020]該基于壓電微栗的嵌入式制冷器件的使用方法為:
[0021]根據(jù)芯片的具體功率配備相適應(yīng)的不同能力的壓電微栗制冷器件，且一個(gè)芯片配備一個(gè)制冷器件，讓每個(gè)芯片都能得到針對(duì)性的散熱。
[0022]本發(fā)明中，微流道不是為每層芯片散熱，而是為每個(gè)芯片散熱，尺寸更加微小，散熱能力更好;嵌入式的壓電微栗不是像傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)那樣置于微流道轉(zhuǎn)接板外，甚至是PCB板夕卜，而是置于每個(gè)芯片的下方。將微流道和壓電微栗鍵合在一起，貼在每個(gè)芯片的下方，大大縮小了整體封裝的體積。而且，改變栗腔的深度或是微流道翅片的寬度就能相應(yīng)的改變栗水能力或是制冷能力，把不同能力的壓電微栗與微流道鍵合在一起做成具有不同制冷能力的器件，根據(jù)芯片的具體功率選擇能力不同的制冷器件，讓每個(gè)芯片都能得到針對(duì)性的散熱。
[0023]本發(fā)明運(yùn)用壓電驅(qū)動(dòng)的原理，即通過(guò)高能量密度壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和彈性體的超聲振動(dòng)，將微觀變形通過(guò)共振放大和機(jī)電耦合轉(zhuǎn)換成機(jī)構(gòu)的宏觀運(yùn)動(dòng)，來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電片上下振動(dòng)，使內(nèi)部冷卻水經(jīng)壓電微栗出口進(jìn)入微流道的入口，在微流道內(nèi)流動(dòng)，后又從微流道的出口流出，經(jīng)熱交換器冷卻后又流入壓電微栗的進(jìn)口，不斷循環(huán)帶走芯片上產(chǎn)生的熱量。
[0024]綜上所述，本發(fā)明的制冷器件順應(yīng)現(xiàn)代微系統(tǒng)發(fā)展對(duì)熱管理技術(shù)小型化、集成化的要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，易于集成，芯片散熱均勻;應(yīng)用于高密度集成微系統(tǒng)、功率半導(dǎo)體器件及設(shè)備等方面。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明制冷器件應(yīng)用的部分集成示意圖；
[0026]圖2是實(shí)施例的微流道上層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是實(shí)施例的微流道下層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4是實(shí)施例的壓電微栗結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]附圖標(biāo)記:1-芯片，2-嵌入式制冷器件(包括3-微流道和4-壓電微栗)，5_TSV，6-Si片，7-微流道的翅片，8-微流道的進(jìn)水口，9-微流道的出水口，1-PDMS栗膜，11-壓電陶瓷片，12-壓電微栗的栗腔，13-壓電微栗的流道，14-壓電微栗的進(jìn)水口，15-壓電微栗的出水
□ O
【具體實(shí)施方式】
[0030]本實(shí)施例提供的嵌入式壓電微栗的制冷器件包括兩部分，如圖2、3所示的微流道和如圖4所示的壓電微栗，具體制備過(guò)程包括以下步驟:
[0031]步驟1、在丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水中超聲清洗3片相同Si片，Si片尺寸為8mmX5mm，厚度為0.5mm，并用氮?dú)獯蹈?，將其腐蝕減薄至0.3_。
[0032]步驟2、對(duì)步驟I得到的Si片分別進(jìn)行刻蝕，形成對(duì)應(yīng)如圖2、3、4所示的微流道上層、微流道下層和壓電微栗栗腔、進(jìn)出流道及進(jìn)出口的結(jié)構(gòu)。
[0033]首先，采用正膠在3片Si片表面旋涂一層薄且均勻的光刻膠層;將這些涂好光刻膠的Si片進(jìn)行前烘處理;將其中一片Si片與提前設(shè)計(jì)好的僅含有流道圖形的掩膜版對(duì)準(zhǔn)，另一片Si片與提前設(shè)計(jì)好的含有流道及進(jìn)出口圖形的掩膜版對(duì)準(zhǔn)，再將最后一片Si片與提前設(shè)計(jì)好的含有栗腔、進(jìn)出流道及進(jìn)出口圖形的掩膜板對(duì)準(zhǔn);通過(guò)紫外光照射讓各自掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；將上述處理的3片Si片放入顯影液中，使曝光區(qū)域的光刻膠溶解;然后對(duì)其進(jìn)行烘焙;采用深反應(yīng)離子刻蝕法(DRIE)分別對(duì)這3片Si片進(jìn)行刻蝕;將刻蝕好后的3片Si片放入丙酮溶液中使剩余的光刻膠溶解;至此分別在3片Si片上形成了如圖2、
3、4圖形區(qū)所示的結(jié)構(gòu)。
[0034]步驟3、在如圖2、3所示的兩片Si片的微流道圖形外圍區(qū)依次蒸鍍Au和Sn，將兩Si片圖形區(qū)相對(duì)應(yīng)，放入鍵合機(jī)中進(jìn)行金屬鍵合;壓力IMPa，溫度290 V。
[0035]步驟4、將步驟3制得的微流道和圖4所示Si片的圖形外圍區(qū)依次蒸鍍Au和Sn，相適應(yīng)放入鍵合機(jī)中進(jìn)行第二次金屬鍵合;壓力IMPa，溫度290 °C。
[0036]步驟5、制備PDMS薄膜。首先，將道康寧Sylgardl84和固化劑以10:1的比例攪拌均勻，形成PDMS預(yù)聚物;再將其放入干燥箱中減壓脫直至沒(méi)有氣泡;然后把PDMS預(yù)聚物澆鑄在玻璃板上，放入甩膠機(jī)中進(jìn)行旋涂，得到厚度為10um的PDMS薄膜。
[0037]步驟6、用樹(shù)脂膠把PDMS薄膜粘貼在步驟5得到的第3片襯底未鍵合面制備壓電微栗的栗膜，使其大小與該面吻合。
[0038]步驟7、此時(shí)三片Si片形成一個(gè)整體，在外圍使用深反應(yīng)離子刻蝕法刻蝕出所需數(shù)量的TSV。
[0039]步驟8、在PDMS栗膜上粘接上與栗腔同樣大小的壓電陶瓷片，并使壓電陶瓷片與栗腔重合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于壓電微栗的嵌入式制冷器件，包括微流道和壓電微栗兩部分，其特征在于: 所述微流道為單獨(dú)對(duì)應(yīng)單個(gè)芯片，通過(guò)鍵合方式將其散熱工作區(qū)域正對(duì)設(shè)置于芯片下方； 所述壓電微栗集成于微流道下方，即壓電微栗無(wú)壓電陶瓷片一面與微流道通過(guò)鍵合的方式連接在一起； 所述微流道為2片0.3mm-0.5mm厚度的襯底構(gòu)成，壓電微栗為0.3mm_0.5mm厚度的襯底、厚度50Um-100Um栗膜和壓電陶瓷片構(gòu)成，其中微流道和壓電微栗的平面尺寸相同并相適應(yīng)； 所述微流道的散熱工作區(qū)域與芯片的平面尺寸比例為0.8?1.2。2.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件，其特征在于:所述壓電微栗栗腔的深度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)栗水能力的調(diào)整，即制冷能力的調(diào)整。3.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件，其特征在于:所述微流道翅片的寬度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)栗水能力的調(diào)整，即制冷能力的調(diào)整。4.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件，其特征在于:所述襯底為S1、Al2O3陶瓷或有機(jī)玻璃。5.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件，其特征在于:所述鍵合的方式為金屬鍵合、直接鍵合或陽(yáng)極鍵合。6.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件，其特征在于:所述栗膜材料為Si或聚二甲基硅氧烷PDMS。7.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件，其特征在于:所述壓電陶瓷片材料為 BaT13 或 PZT。8.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件的使用方法為: 根據(jù)芯片的具體功率配備相適應(yīng)的不同能力的壓電微栗制冷器件，且一個(gè)芯片配備一個(gè)制冷器件，讓每個(gè)芯片都能得到針對(duì)性的散熱。9.如權(quán)利要求1所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件的制備方法，包括如下步驟: 步驟1、清洗3片相同襯底，并用氮?dú)獯蹈珊?，用減薄工藝減薄至厚度0.3mm-0.5mm; 步驟2、在其中2片襯底上刻蝕出結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的流體通道即翅片，其中一片上設(shè)有流體進(jìn)出口； 步驟3、將步驟2制得的2片襯底的流體通道圖形區(qū)即散熱工作區(qū)域相對(duì)應(yīng)，通過(guò)鍵合的方式連接在一起形成一個(gè)整體，即微流道； 步驟4、使用刻蝕技術(shù)在第3片襯底上制備壓電微栗的栗腔、進(jìn)出流道和進(jìn)出口，制備區(qū)域?yàn)閴弘娢⒗鯃D形區(qū)； 步驟5、將步驟3制得的微流道和步驟4制得的第3片襯底整體相對(duì)應(yīng)鍵合； 步驟6、在步驟5得到的第3片襯底未鍵合面制備壓電微栗的栗膜;厚度為50um-100um，栗膜平面尺寸與襯底大小相適應(yīng)； 步驟7、在步驟6的基礎(chǔ)上，圖形區(qū)外圍制作硅通孔TSV; 步驟8、在栗膜上，正對(duì)栗腔的位置處粘貼壓電陶瓷片。10.如權(quán)利要求9所述基于壓電微栗的嵌入式制冷器件的制備方法，其特征在于:所述步驟8中壓電陶瓷片與栗腔同樣大小。
【文檔編號(hào)】H01L35/02GK105977370SQ201610439019
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】羅文博, 蒲詩(shī)睿, 吳傳貴, 帥垚, 張萬(wàn)里
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)