一種用于智能手機(jī)散熱的低熔點(diǎn)合金硅基微型冷卻器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于智能手機(jī)散熱的高效冷卻溫控器件，尤其涉及一種低熔點(diǎn)合金硅基微型冷卻器，屬于微電子器件溫控領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，電子元器件的物理尺寸越來越小，而功率則不斷提高，由此導(dǎo)致微電子芯片工作熱負(fù)荷增加并造成單位面積發(fā)熱量過大的問題，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，縮短產(chǎn)品使用壽命。以近年來廣泛流行的智能手機(jī)為例，芯片集成度和運(yùn)行速度的不斷提高有利于實(shí)現(xiàn)功能多元化并滿足消費(fèi)者需求，但由此卻帶來手機(jī)發(fā)熱量日益突出的問題。特別是在夏季戶外高溫情況下，因散熱困難手機(jī)溫升過快將嚴(yán)重影響其工作性能，而當(dāng)其表面溫度超過45°C的人體耐熱安全溫度時(shí)，還將造成皮膚燙傷等安全問題。相對于電腦散熱而言，智能手機(jī)的散熱尺寸空間大幅減小，散熱異常困難，目前已成為溫控領(lǐng)域的難題，并引起國內(nèi)外的關(guān)注。
[0003]鑒于智能手機(jī)冷卻空間高度緊湊、上限允許溫度低(45°C )的特點(diǎn)，如何尋找與之相匹配的有效溫控手段成為當(dāng)務(wù)之急。最近，Ge和Liu在《ASME Journal of HeatTransfer)) (2013 年 135 卷 054503)上發(fā)表的 “Keeping Smartphones Cool With GalliumPhase Change Material”(采用鎵相變材料冷卻智能手機(jī))提出了通過使用液態(tài)金屬鎵實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)冷卻的方案。銫、鎵和銣等液態(tài)金屬及其合金具有在常溫附近下即可實(shí)現(xiàn)固液轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，相變溫度低且可吸收大量熱，而其熱導(dǎo)率又遠(yuǎn)高于水、空氣及許多非金屬介質(zhì)(如鎵的導(dǎo)熱率約為水的60倍)，使其具有優(yōu)于傳統(tǒng)流動工質(zhì)的熱傳輸能力，能夠更好地解決高熱流密度的冷卻問題。
[0004]顯然，低恪點(diǎn)合金對于已有的冷卻方式而言是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的拓展，但與許多金屬和半導(dǎo)體材料相比，低熔點(diǎn)合金的熱導(dǎo)率仍相對偏低，如何進(jìn)一步提高其熱導(dǎo)率，使其在固液相變過程中快速吸收熱量對其應(yīng)用極為重要；同時(shí)，傳統(tǒng)微型冷卻器的體積仍大都難以滿足智能手機(jī)高度緊湊的需要?；谏鲜鲈?，如何有效利用低熔點(diǎn)合金的上述優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展與之相匹配并適用于智能手機(jī)的微型冷卻器已成為重要研宄方向，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對智能手機(jī)冷卻空間高度緊湊、散熱上限安全溫度低的要求，本發(fā)明提出了一種硅基腔體帶內(nèi)微肋陣列的微型冷卻器，并通過把低熔點(diǎn)合金注入硅基腔體內(nèi)，利用低熔點(diǎn)合金固液相變溫度低、吸熱量大和分布其間的硅微肋陣列可有效增強(qiáng)低熔點(diǎn)合金導(dǎo)熱能力的特點(diǎn)，該硅基微型冷卻器能夠有效匹配智能手機(jī)的尺寸要求并最大限度提高其冷卻溫控效果，使之更加安全可靠。
[0006]本發(fā)明的原理為:一種內(nèi)部腔體帶微肋陣列并充注低熔點(diǎn)合金的硅基微型冷卻器，室溫情況下，硅基微型冷卻器腔體內(nèi)的低熔點(diǎn)合金處于固體狀態(tài)，但當(dāng)智能手機(jī)進(jìn)入溫度較高的環(huán)境中(比如夏季室外)并因其芯片工作散熱困難而使溫度升高接近45°C時(shí)低熔點(diǎn)合金將發(fā)生固液相變，開始熔化并快速吸收大量的熱，在熔化過程完全結(jié)束之前的較長時(shí)間內(nèi)可控制與硅基直接集成的手機(jī)芯片溫度不會持續(xù)升高，維持在安全范圍以內(nèi)。當(dāng)手機(jī)進(jìn)入空調(diào)環(huán)境后，溫度下降，低熔點(diǎn)合金釋放熱量，發(fā)生凝固，下次高溫環(huán)境下將再次固液相變吸熱。如此循環(huán)，可有效保障智能手機(jī)在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定工作和減小對人體的健康危害。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種用于智能手機(jī)散熱的低熔點(diǎn)合金硅基微型冷卻器，包括第一半導(dǎo)體硅片、第二半導(dǎo)體硅片；所述第一半導(dǎo)體硅片、第二半導(dǎo)體硅片通過高壓靜電鍵合為一體；所述的第一半導(dǎo)體硅片上有第一腔槽；所述第一腔槽內(nèi)刻蝕有第一針肋陣列；所述第一腔槽兩側(cè)刻有與之相連通的注液通道；所述第二半導(dǎo)體硅片上有第二腔槽；所述第二腔槽內(nèi)刻蝕有第二針肋陣列；所述第二腔槽兩側(cè)有注液孔；所述的第一針肋陣列和第二針肋陣列尺寸相同，所述的第一針肋陣列和第二針肋陣列中的針肋位置重合；所述的第一針肋陣列和第二針肋陣列之間充有低熔點(diǎn)合金；所述的注液孔與注液微通道的頂端位置相對應(yīng)；所述的用于智能手機(jī)散熱的低熔點(diǎn)合金硅基微型冷卻器能夠直接與半導(dǎo)體芯片集成為一體。上述方案通過高壓靜電鍵合技術(shù)，將刻蝕有針肋的兩個(gè)硅片鍵合為一體，形成密封的硅基腔體結(jié)構(gòu)，兩硅片所帶針肋頂面之間完全重合，連接硅基腔體內(nèi)上、下表面。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一針肋陣列和第二針肋陣列之間所充注的低熔點(diǎn)合金為鎵銦合金或伍德銦合金。
[0009]優(yōu)選地，所述伍德銦合金為含19.1 %銦的伍德合金。
[0010]優(yōu)選地，所述充注的低熔點(diǎn)合金體積占整個(gè)腔槽體積的95%。
[0011]優(yōu)選地，所述的第一針肋陣列和第二針肋陣列為等間距順排或叉排排列。
[0012]優(yōu)選地，所述的第一針肋陣列和第二針肋陣列中的單個(gè)針肋橫截面形狀為圓形。
[0013]優(yōu)選地，所述的第一針肋陣列和第二針肋陣列中的單個(gè)針肋橫截面形狀為正三角形或正方形。
[0014]優(yōu)選地，本發(fā)明對于硅基腔體的尺寸選擇，以針肋橫截面為圓形，排列方式為順排為例，半導(dǎo)體娃片長度取10?20mm，寬度為10?15mm，厚度為0.3mm或0.5mm ;腔槽長度取10?15mm，寬度為8?15mm，深度為0.1?0.25mm ;第一針肋陣列、第二針肋陣列中的單個(gè)針肋直徑為0.1mm?0.3mm，針肋與相鄰針肋間的中心距取0.3?0.6mm，針肋高度為0.1 ?0.25mm。
[0015]本發(fā)明通過加熱可使低熔點(diǎn)合金發(fā)生固液相變，完全熔化為液態(tài)后即可注入微型冷卻器腔體內(nèi)。冷卻器腔體內(nèi)的針肋陣列可有效提高低熔點(diǎn)合金固液相轉(zhuǎn)變過程的導(dǎo)熱能力，能夠快速吸收大量熱量，使手機(jī)芯片的工作性能更加安全可靠。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果還具有以下幾點(diǎn):
[0016](I)本發(fā)明中所述的低熔點(diǎn)合金較之無機(jī)相變材料具有導(dǎo)熱能力強(qiáng)和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，長期熔化/凝固熱循環(huán)后相變吸放熱性能穩(wěn)定。
[0017](2)本發(fā)明中所述的硅基微型冷卻器面積僅為數(shù)平方厘米，厚度為0.6mm或1mm，能夠滿足智能手機(jī)冷卻空間高度緊湊的要求。
[0018](3)本發(fā)明中所述的硅基微型冷卻器結(jié)構(gòu)簡單，可復(fù)制性和移植性強(qiáng)，便于批量加工。
[0019](4)本發(fā)明所述的硅基微型冷卻器，結(jié)合低熔點(diǎn)合金相變溫度低、吸熱量大和針肋傳熱的優(yōu)點(diǎn)，可使智能手機(jī)工作性能更加安全可靠。
[0020](5)本發(fā)明所述的硅基微型冷卻器，低熔點(diǎn)合金不腐蝕硅，不會因泄露而損害設(shè)備。(6)本發(fā)明中將硅基微型冷卻器能與微電子芯片集成制作于一體，無需額外功耗而顯著提高芯片的冷卻效果和承載熱負(fù)荷的能力。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明中構(gòu)成低熔點(diǎn)合金硅基微型冷卻器的第一半導(dǎo)體硅片結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2為本發(fā)明中構(gòu)成低熔點(diǎn)合金硅基微型冷卻器的第二半導(dǎo)體硅片結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖3為本發(fā)明另一種實(shí)施例的第一半導(dǎo)體硅片的結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖4為本發(fā)明另一種實(shí)施例的第二半導(dǎo)體硅片的結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖中標(biāo)號說明:1-第一半導(dǎo)體硅片；2_第一針肋陣列；3_第一腔槽；4_注液通道；
5-第二半導(dǎo)