[發(fā)明專利]一種基于薄液膜蒸發(fā)的近結(jié)冷卻裝置

在審

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• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111106081A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏國棟;王佳豪;馬丹丹
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01L23/427
• 分類號: H01L23/427
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種基于薄液膜蒸發(fā)的近結(jié)冷卻裝置，屬于半導(dǎo)體器件的冷卻技術(shù)領(lǐng)域。包括玻璃蓋板(9)和硅基板(8)組成，其中玻璃蓋板(9)包括流體入口(1)和蒸發(fā)區(qū)域(7)組成，硅基板(8)由入口蓄液槽(2)，流道區(qū)域(3)，出口蓄液槽(4)，出口限高區(qū)域(5)和流體出口(6)組成。玻璃蓋板(9)和硅基板(8)采用陽極鍵合技術(shù)封裝完成，以確保蒸發(fā)區(qū)域(5)與流道區(qū)域(3)完整銜接。本發(fā)明在半導(dǎo)體器件的近結(jié)區(qū)域，利用液體薄液膜蒸發(fā)原理，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體器件結(jié)溫的有效降低，具有換熱系數(shù)大，蒸發(fā)效率高，滿足高熱流密度，多熱區(qū)同時(shí)存在的運(yùn)行要求，為半導(dǎo)體器件的安全穩(wěn)定運(yùn)行提高一種新思路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬半導(dǎo)體器件基板近結(jié)冷卻技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種利用液體薄膜蒸發(fā)傳熱的冷卻裝置。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體裝置通常會產(chǎn)生最大150℃的高溫，利用界面熱結(jié)合材料與均熱板粘接，達(dá)到冷卻的目的。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，寬禁帶半導(dǎo)體裝置，比如：金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)，可能產(chǎn)生超過300℃的高溫，芯片整體區(qū)域熱流密度達(dá)到100～250W/cm²，而在近結(jié)區(qū)域亞毫米熱區(qū)上，熱流甚至達(dá)到1000W/cm²，高效地散熱已經(jīng)成為限制半導(dǎo)體器件發(fā)展的嚴(yán)重阻礙。但傳統(tǒng)的散熱方式已經(jīng)無法滿足新興電子器件的冷卻需求，因此，迫切需要一種滿足高熱流密度、傳熱系數(shù)高的散熱冷卻方式，已期達(dá)到降低器件結(jié)溫，延長半導(dǎo)體器件使用壽命的目的。

目前，國內(nèi)外對于半導(dǎo)體器件的散熱冷卻的研究包括：均熱冷板冷卻、熱管冷卻、熱電制冷冷卻、微通道熱沉冷卻以及整體式冷卻器，然而這些方法，均需將熱區(qū)的熱量通過高導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)到散熱裝置中，因此界面熱阻的存在難以避免。一種新型散熱冷卻裝置，在熱區(qū)的近結(jié)區(qū)域進(jìn)行冷卻，熱量直接傳導(dǎo)到散熱區(qū)域，省去了界面材料的應(yīng)用。本發(fā)明利用工質(zhì)的薄液膜蒸發(fā)相變的高換熱系數(shù)，急速地完成熱量散發(fā)，同時(shí)也利用工質(zhì)的顯熱升溫帶走部分熱量，保證溫度維持在合理的區(qū)間。

本發(fā)明針對多個(gè)熱區(qū)分布存在，以多根微通道并聯(lián)的方式，且垂直對應(yīng)于多熱區(qū)，使液體均勻的分布到每個(gè)區(qū)域，同時(shí)利用液體薄液膜蒸發(fā)相變的原理，利用較高的換熱系數(shù)，高效完成散熱冷卻，達(dá)到降低結(jié)溫的效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于薄液膜蒸發(fā)的新型近結(jié)冷卻裝置，用于解決新興半導(dǎo)體器件的熱流密度大和結(jié)溫過高的問題，為其安全運(yùn)行提供可靠的蒸發(fā)冷卻手段。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于薄液膜蒸發(fā)的近結(jié)冷卻裝置，其特征在于：在熱源的近結(jié)區(qū)域進(jìn)行直接的冷卻，避免了接觸熱阻的出現(xiàn)，整個(gè)流體工質(zhì)的流程如圖1所示。包括玻璃蓋板(9)和硅基板(8)組成，其中玻璃蓋板(9)由流體入口(1)和蒸發(fā)區(qū)域(7)組成，且均為通孔，流體入口(1)與外部流體供應(yīng)相連，玻璃基板(9)的中心為蒸發(fā)區(qū)域(7)，無任何玻璃遮蓋，便于氣體蒸發(fā)溢出；

硅基板(8)包括入口蓄液槽(2)、流道區(qū)域(3)、出口蓄液槽(4)、出口限高區(qū)域(5)和流體出口(6)，即在硅基板(8)的上表面中心長方形面積的區(qū)域?yàn)榱鞯绤^(qū)域(3)，流道區(qū)域(3)刻蝕有多道平行的細(xì)流道凹槽(31)，在硅基板(8)上表面流道區(qū)域(3)一側(cè)刻蝕有入口蓄液槽(2)，另一側(cè)刻蝕有出口蓄液槽(4)，細(xì)流道凹槽(31)將入口蓄液槽(2)和出口蓄液槽(4)連通，入口蓄液槽(2)的一端刻蝕有連通的入口槽與流體入口(1)上下相對連通，在出口蓄液槽(4)的一端蝕有連通的出口限高區(qū)域(5)的凹槽，出口限高區(qū)域(5)的凹槽從硅基板(8)的側(cè)面開成通槽形成流體出口(6)；入口槽和出口限高區(qū)域(5)的凹槽位于硅基板(8)長方形上表面的對角上；入口蓄液槽(2)、出口蓄液槽(4)、細(xì)流道凹槽(31)的槽深相同即高度相同，出口限高區(qū)域(5)的凹槽的深度或高度小于或高于出口蓄液槽(4)的深度或高度；