專利名稱：熱傳輸器件及其制造方法、以及電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及針對在熱傳輸器件中的管路等內(nèi)積聚的氣體的措施，或者涉及包括在諸如計算或成象器件這樣的電子器件中的熱傳輸機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在用于散發(fā)熱量或冷卻的熱管器件中，已經(jīng)知道表面氧化是減少諸如氧氣或氫氣這樣的氣體在冷凝器中積聚的一種措施。例如，參考日本未經(jīng)審查的專利申請公開第9-273882(圖1和2)以及11-304381(圖2和3)。
近年來，通過開發(fā)用于電子器件和微電機(jī)的技術(shù)，可制造緊湊器件；因而，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)已經(jīng)吸引人們注意，并且已經(jīng)對其進(jìn)行研究以應(yīng)用熱傳輸器件。對于此項研究的基礎(chǔ)，需要適合在小型高性能電子器件內(nèi)冷卻熱源的系統(tǒng)。并且，還需要有效散發(fā)在諸如中央處理單元(CPU)的器件中產(chǎn)生的熱量的必要器件，其中，所述CPU已經(jīng)顯著提高處理速度。
例如，在毛細(xì)泵環(huán)路(CPL)結(jié)構(gòu)中，重復(fù)包括以下操作的循環(huán)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，以吸收物體熱量，以及，蒸發(fā)的制冷劑在冷凝器中冷凝。例如，參閱Jeffrey Kirshberg、DorianLiepmann、Kirk L.Yerkes的“用于芯片級溫度控制的微型冷卻器”，Aerospace Power Systems Conference Proceedings，(USA)，Society of Automotive Engineers，Inc.，4月(1999)，P-341，PP.233-238。
然而，常規(guī)器件具有如下所述的問題。例如，硅基片和包括蝕刻形成的管路圖案的Pyrex(注冊商標(biāo))玻璃基片通過陽極結(jié)合而結(jié)合，其中，硅基片包括蒸發(fā)器中的管芯、冷凝器和用于干式蝕刻形成的管路的槽。接著，作為工作流體的水注入到所述復(fù)合物中并被真空密封，從而完成CPL器件。在蒸發(fā)器連接到熱源之后，根據(jù)CPL操作原理的器件操作使硅基片上形成管芯、管路和冷凝器的區(qū)域脫色，并且產(chǎn)生氣體，從而增加飽和蒸汽壓力。此氣體干擾所述器件中的熱傳輸，降低器件性能并因而損壞器件。
問題在于沒有用于減少氣體產(chǎn)生的有效方法。用于熱管的方法不能應(yīng)用于通過MEMS技術(shù)制造的小型器件，例如因為受到尺寸的制約。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本發(fā)明的目的是避免在熱傳輸機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生氣體，所述熱傳輸機(jī)構(gòu)例如為熱傳輸器件或適于減小體積或厚度的電子器件。
根據(jù)本發(fā)明的第一、第六和第十方面，管芯或管路中至少一個的表面進(jìn)行涂敷處理，由此阻止或減少氣體的產(chǎn)生。此處理可防止由氣體所帶來的問題(性能降低等)。
根據(jù)本發(fā)明的第二和第七方面，管芯或管路中至少一個通過氮化、氧化或碳化而進(jìn)行表面處理，由此抑制氣體的產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的第三和第八方面，至少一個復(fù)合組件具有足夠的結(jié)合力和穩(wěn)定的結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的第四和第九方面，不采用陽極結(jié)合，并因而阻止氣體的產(chǎn)生，尤其是阻止產(chǎn)生氫氣。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，在基礎(chǔ)材料是硅或玻璃(耐熱玻璃等)的情況下，組件或基片的結(jié)合減弱氣體所帶來的影響。


圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實施例的熱傳輸器件基本配置的實例的示意圖；圖2為示出根據(jù)本發(fā)明實施例的熱傳輸器件基本配置的另一實例的示意圖；圖3為描述在陽極結(jié)合之后對表面處理的方法的視圖；圖4為描述在陽極結(jié)合之后對表面處理的方法的另一實例的視圖；圖5為在陽極結(jié)合之前對表面處理的方法的流程圖；圖6為跳過表面拋光和再處理的方法的流程圖；以及圖7為示出采用結(jié)合板的方法的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及熱傳輸器件以及包括主體和多個結(jié)合基片的電子器件。每個基片包括管芯和管路，其中，所述管芯產(chǎn)生毛細(xì)作用以逆流工作流體，并且工作流體在所述管路中流動。例如，本發(fā)明適用于具有熱傳輸機(jī)構(gòu)的熱散逸或冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱傳輸機(jī)構(gòu)基于工作流體的相變和循環(huán)。在應(yīng)用到諸如計算機(jī)或便攜式器件的信息處理器時，使用根據(jù)本發(fā)明的用于各種熱源器件(如，CPU、成象器件、發(fā)光器件、用于小型硬盤或光介質(zhì)驅(qū)動器中的驅(qū)動電機(jī)、或在酷熱條件下的執(zhí)行器)的熱散逸或冷卻結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)體積和厚度的減少，并且實現(xiàn)高效率。
用于制造根據(jù)本發(fā)明的熱傳輸器件的方法包括以下步驟通過離子注入等涂敷管芯和管路的內(nèi)表面，以防止氣體產(chǎn)生。
圖1和2為示出熱傳輸器件的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。術(shù)語“熱傳輸器件”包括借助工作流體從熱源傳輸熱量的器件(主體)，并且，在廣義上講，它代表例如包括熱源、冷卻器、散熱器或溫度控制器的完整系統(tǒng)。
在圖1所示實施例中，熱傳輸器件1設(shè)置有蒸發(fā)器2和冷凝器3，在蒸發(fā)器2中，液態(tài)工作流體蒸發(fā)；在冷凝器3中，氣態(tài)工作流體冷凝。為了實現(xiàn)較大的熱傳輸量，器件優(yōu)選具有CPL結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)設(shè)置有蒸發(fā)器2和冷凝器3，其中，蒸發(fā)器2從虛線所示產(chǎn)熱區(qū)域吸收熱量，冷凝器3把氣態(tài)工作流體冷凝為液相。
蒸發(fā)器2和冷凝器3每一個都包括產(chǎn)生毛細(xì)作用以逆流工作流體的結(jié)構(gòu)(管芯)。管芯由槽、篩網(wǎng)或燒結(jié)金屬構(gòu)成。在此實施例中，使用槽管芯結(jié)構(gòu)。盡管為描述簡便起見，圖1示出一個蒸發(fā)器2和一個冷凝器3，但本發(fā)明不局限于蒸發(fā)器2和冷凝器3之間的一一對應(yīng)關(guān)系；因而，此實施例可包括具有多個蒸發(fā)器和一個冷凝器或多個冷凝器和一個蒸發(fā)器的各種結(jié)構(gòu)。
熱傳輸器件1設(shè)置有把蒸發(fā)器2連接到冷凝器3的管路。管路包括其中流動液相工作流體的液體管路4和其中流動汽相工作流體的蒸汽管路5。液相管路4或汽相管路5可以是管子、管道、槽或通道。盡管圖1示出包括一個液體管路和一個蒸汽管路的最簡單結(jié)構(gòu)，但可使用多個管路。
圖2所示熱傳輸器件6具有設(shè)置管芯7和環(huán)形線路8的環(huán)路結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中液相工作流體循環(huán)流動。例如，已經(jīng)知道在環(huán)形線路8上互連輸送泵的結(jié)構(gòu)。
用于圖1和2所示結(jié)構(gòu)中的工作流體例如為水、乙醇、甲醇、丙醇(包括異構(gòu)體)、乙醚、乙二醇、Fluorinert(注冊商標(biāo))和氨。
在具有主體的任何結(jié)構(gòu)中，在任何一個基片中形成構(gòu)成管路的槽和構(gòu)成管芯的微觀凹凸，其中，所述主體包括多個結(jié)合在一起的基片。
例如，如上所述，在硅基片和玻璃(耐熱玻璃)基片結(jié)合的結(jié)構(gòu)中，熱傳輸器件的操作使用水作為工作流體，可使硅基片中形成蒸發(fā)器和管路內(nèi)管芯的區(qū)域脫色，并產(chǎn)生微量氣體。
對于硅基片的氧化，用分析儀(能量彌散X射線衍射(EDX))分析硅基片上的氧化區(qū)。結(jié)果顯示形成氧化膜(二氧化硅)。此氧化膜的厚度比天然氧化膜的厚度更大。對于在器件(熱傳輸器件)操作之后產(chǎn)生的氣體，通過光譜測定法分析在水中用置換法收集的氣體。結(jié)果顯示所述氣體是氫氣。也就是說，假設(shè)從玻璃基片遷移的堿性成分如鈉(Na)與水起反應(yīng)，生成氫氣，并且硅被氧氣氧化。
在本發(fā)明中，管芯和管路表面進(jìn)行諸如氮化、氧化或碳化的涂敷處理，以防止氣體的產(chǎn)生，尤其是防止產(chǎn)生氫氣?？紤]到表面張力，優(yōu)選以下面順序使用(1)氮化，(2)氧化、或(3)碳化。然而，本發(fā)明不局限于這些處理，并因而可使用各種表面處理。
構(gòu)成器件主體的基片通過陽極結(jié)合或熱封等而結(jié)合在一起。
例如，通過干式蝕刻(深度反應(yīng)離子蝕刻(DRIE))在硅基片中形成深度約200μm的管芯和冷凝器，其中，管芯由每個都為30μm寬和約100μm深的槽組成。通過噴砂而在耐熱玻璃基片上形成50μm寬且200μm深的管路圖案。
這兩個基片借助通用于微電機(jī)技術(shù)的陽極結(jié)合而結(jié)合在一起。這些基片的(鏡)面相互面對。玻璃基片接地，并且-500V作用到硅基片上。這些基片在預(yù)定溫度(400℃-450℃)下加熱幾分鐘，接著從Pyrex(注冊商標(biāo))玻璃遷移的鈉離子完成結(jié)合。(問題是鈉離子與水反應(yīng)生成氫氣。)在用于制造熱傳輸器件的方法中，防止氣體產(chǎn)生的措施實例如下所述(I)在陽極結(jié)合所述復(fù)合組件時，管芯或管路的表面進(jìn)行涂敷處理(諸如氮化、氧化或碳化的表面處理)；以及(II)所述復(fù)合組件通過除陽極結(jié)合以外的其它任何方式結(jié)合，例如熱封。
措施(I)可以是下述任何一種子措施(I-1)管芯或管路的表面在所述復(fù)合組件通過陽極結(jié)合而結(jié)合之后進(jìn)行涂敷處理；以及(I-2)管芯或管路的表面在所述復(fù)合組件通過陽極結(jié)合而結(jié)合之前進(jìn)行涂敷處理。
子措施(I-1)參照圖3和4進(jìn)行描述。
圖3在左側(cè)和右側(cè)分別示出在表面處理之前和之后的復(fù)合組件。
在此措施中，復(fù)合組件9具有由基片9A和9B組成的雙層結(jié)構(gòu)。例如，如左下角簡要地示出，基片9A是包括蒸發(fā)器10、冷凝器11以及管路12和12的硅基片，其中，管路12和12由槽或凹凸組成?；?B是包括用于管路的槽(未示出)的玻璃基片。
在基片9A和9B通過陽極結(jié)合而結(jié)合之后的步驟中，形成兩個用于注入工作流體(制冷劑)的入口13和13，其中，所述入口連接到管道14，管道14則連接到器件15，用于對表面氧化。
例如，器件15包括蒸汽發(fā)生器、具有循環(huán)結(jié)構(gòu)的器件以及用于循環(huán)流動過氧化氫水溶液的器件。用這些器件執(zhí)行氧化(例如，用高溫高壓蒸汽或過氧化氫水溶液氧化)。
例如，壓力10atm或更高并且溫度400℃或更高的蒸汽從器件15通過一個管道14饋送到管路和管芯中；接著，蒸汽通過另一管道14被引入到器件15中。結(jié)果，所述蒸汽循環(huán)流動以氧化例如管路的表面?；?B面向管芯和管路的區(qū)域由此進(jìn)行氧化退火。在復(fù)合組件9通過入口13和13充入工作流體之后，每個入口用封頭等密封。
如圖4所示，對于使用蒸汽的退火氧化，使用包括水槽和加熱器件的單元16。在此實施例中(未使用管道)，蒸汽通過工作流體入口饋送到所述復(fù)合組件中，并且在管芯和管路中循環(huán)流動。
在網(wǎng)格(篩網(wǎng))18上放置復(fù)合組件9，其中，入口13和13保持開啟。水槽19通過諸如加熱器的加熱器件20加熱，產(chǎn)生溫度400℃或更高的蒸汽。實現(xiàn)與圖3所示效果相同的氧化退火。在此實施例中，單元16具有相對簡單的結(jié)構(gòu)。
參照圖5和6描述子措施(I-2)。在玻璃基片和硅基片通過陽極結(jié)合而結(jié)合之前對這些基片表面進(jìn)行涂敷處理的方法比在結(jié)合之后進(jìn)行涂敷處理的方法更加減少氣體的產(chǎn)生(因為鈉從玻璃基片的遷移減少)。
圖5示出對例如形成管芯和管路的區(qū)域進(jìn)行諸如氧化、氮化或碳化的涂敷處理的方法的實施例。兩個基片按以下步驟進(jìn)行處理(1)硅基片的干式蝕刻；
(2)表面處理；(3)表面拋光；(4)表面處理；(5)玻璃基片的表面處理；以及(6)陽極結(jié)合在步驟(1)中，通過于式蝕刻在基片21A上形成槽或凹凸。
在步驟(2)中，例如，管芯的壁和管路的內(nèi)表面通過離子注入、熱氧化或蒸汽氧化而進(jìn)行表面處理。所述表面處理可應(yīng)用到整個表面或通過掩模應(yīng)用到所述表面的選擇區(qū)域上。
在步驟(3)中，通過干式蝕刻或等離子體處理等進(jìn)行拋光。在步驟(4)中，用掩模22(覆蓋被拋光的表面)執(zhí)行進(jìn)一步的表面處理。例如，除管芯和管路等區(qū)域之外的其它區(qū)域用掩模22覆蓋，接著通過離子注入進(jìn)行表面處理。只對期望區(qū)域有選擇性地執(zhí)行涂敷處理。
可使用用于半導(dǎo)體的離子注入和基于等離子體的離子注入(PBI)。(基于等離子體的各向同性離子注入可用于復(fù)雜形狀的組件的表面改型中，所述離子注入價格低廉并且具有較高的生產(chǎn)率。)由于注入到表面中的離子數(shù)量是關(guān)鍵的，因此，表面處理優(yōu)選以在10到200KeV(千電子伏)之間的注入能量執(zhí)行。用于離子注入的離子優(yōu)選氣體離子，如氧、氮和碳(甲烷)。
在步驟(5)中，在玻璃基片21B(耐熱玻璃)被掩蔽以保護(hù)結(jié)合表面之后，通過汽相沉積形成二氧化硅(SiO2)薄膜等。
在步驟(6)中，在步驟(5)中經(jīng)過處理的玻璃基片21B以及硅基片21A通過陽極結(jié)合而結(jié)合。
在熱氧化中，硅基片21A的整個表面經(jīng)受第一表面處理中的表面處理；因而，在表面拋光之后執(zhí)行進(jìn)一步的表面處理，以便不干擾隨后的陽極結(jié)合?？商鎿Q地，只有硅基片21A上需要的區(qū)域用掩膜進(jìn)行表面處理，跳過步驟(3)和(4)，前進(jìn)到步驟(5)，接著，在步驟(6)中結(jié)合硅基片21A和玻璃基片21B。
例如，在圖6中，為了消除表面拋光和再處理步驟，所述基片按以下步驟處理(1)通過熱壓縮結(jié)合聚酰亞胺板23和熱塑烯烴板24而形成板25，其中，聚酰亞胺板23例如為DuPont制造的0.125mm厚的Kapton(注冊商標(biāo))板；(2)使用紫外線釔鋁石榴石(UVYAG)激光器，通過壓印所述板25而形成用于保護(hù)結(jié)合面的掩膜板26，其中，板25在步驟(1)中制造；(3)通過干式蝕刻而在硅基片27A上例如形成槽；(4)在室溫下，用在步驟(3)中加工的硅基片27A臨時性地壓接在步驟(2)中制造的掩膜板26；(5)注入諸如氧、氮或碳離子這樣的離子(以20KeV或更低的能量執(zhí)行脈沖注入)；(6)在諸如丙酮、異丙醇或乙醇的有機(jī)溶劑中剝離掩膜板26之后，通過等離子體灰化而完全除去殘余物；以及(7)通過陽極結(jié)合而結(jié)合玻璃基片27B和硅基片27A。
此實施例要求在步驟(1)和(2)中制造掩膜板26，但只需要單個表面處理。
圖6示出基片的平面圖和在每個步驟(3)、(4)、(6)和(7)中沿虛線剖分的橫截面視圖。
參照圖7描述不包括陽極結(jié)合步驟的措施(II)。其處理描述如下(1)通過干式蝕刻而在硅基片28A中形成槽的步驟；(2)表面處理(離子注入、熱氧化或蒸汽氧化)的步驟；(3)用UVYAG激光器加工(壓印)熱塑聚酰亞胺板的步驟；(4)用在硅基片28A中通過干式蝕刻形成的槽校準(zhǔn)結(jié)合板29的步驟；(5)借助結(jié)合板29在硅基片28A上放置玻璃組件28B的步驟；以及(6)通過真空按壓而熱熔接結(jié)合板29的步驟(例如，在真空壓力1×10-3Pa和大約330℃溫度下用3.92×106Pa(40kg/cm2)按壓物體10分鐘，以完成結(jié)合)。
玻璃組件28B要求線性膨脹系數(shù)與硅基本相同或接近于硅。例如，基于氧化硼(B2O3)單組分的玻璃或HCD-1(注冊商標(biāo)，OHARA INC.制造)具有在大約3×10-6和4×10-6之間的線性膨脹系數(shù)。優(yōu)選使用非堿性玻璃。
結(jié)合板例如為熱熔接聚酰亞胺膜Upilex-VT(注冊商標(biāo)，UbeIndustries，Ltd.制造)。
權(quán)利要求
1.一種熱傳輸器件，包括多個復(fù)合組件，每個復(fù)合組件包括產(chǎn)生毛細(xì)作用以逆流工作流體的管芯以及其中流動液相或汽相工作流體的管路，所述多個復(fù)合組件被結(jié)合，管芯和管路中至少一個的表面進(jìn)行涂敷處理，以防止氣體產(chǎn)生。
2.如權(quán)利要求1所述的熱傳輸器件，其中，管芯和管路中至少一個的表面通過氮化、氧化或碳化進(jìn)行表面處理。
3.如權(quán)利要求1所述的熱傳輸器件，其中，多個復(fù)合組件通過陽極結(jié)合而結(jié)合。
4.如權(quán)利要求1所述的熱傳輸器件，其中，多個復(fù)合組件通過熱熔接而結(jié)合熱塑結(jié)合板。
5.如權(quán)利要求1所述的熱傳輸器件，其中，構(gòu)成多個復(fù)合組件的硅和玻璃相互結(jié)合。
6.一種用于制造包括多個復(fù)合組件的熱傳輸器件的方法，每個復(fù)合組件包括產(chǎn)生毛細(xì)作用以逆流工作流體的管芯以及其中流動液相或汽相工作流體的管路，所述多個復(fù)合組件被結(jié)合，該方法包括對管芯和管路中至少一個的表面進(jìn)行涂敷處理，以防止氣體產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求6所述的制造熱傳輸器件的方法，其中，管芯和管路中至少一個的表面通過氮化、氧化或碳化進(jìn)行表面處理。
8.如權(quán)利要求6所述的制造熱傳輸器件的方法，其中，多個復(fù)合組件通過陽極結(jié)合而結(jié)合。
9.如權(quán)利要求6所述的制造熱傳輸器件的方法，其中，多個復(fù)合組件通過熱熔接而結(jié)合熱塑結(jié)合板。
10.一種包括熱源的電子器件，所述熱源具有包括多個復(fù)合組件的熱傳輸機(jī)構(gòu)，每個復(fù)合組件包括產(chǎn)生毛細(xì)作用以逆流工作流體的管芯以及其中流動液相或汽相工作流體的管路，所述多個復(fù)合組件被結(jié)合，其中，管芯和管路中至少一個的表面進(jìn)行涂敷處理，以防止氣體產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱傳輸器件及其制造方法、以及電子器件，其中一種適于減小體積和厚度的熱傳輸器件包括產(chǎn)生毛細(xì)作用以逆流工作流體的管芯；以及其中流動液相或汽相工作流體的管路，其中，管芯和管路中至少一個的表面通過離子注入、熱氧化、或蒸汽氧化進(jìn)行涂敷處理，以防止氣體的產(chǎn)生，尤其是防止產(chǎn)生氫氣。
文檔編號H01L23/427GK1507038SQ20031012052
公開日2004年6月23日 申請日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月12日
發(fā)明者外崎峰廣, 大海元祐, 加藤豪作, 矢島正一, 谷島孝, , 一, 作 申請人:索尼株式會社