TWI301744B - Micropin heat exchanger - Google Patents

Description

1301744 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種冷卻電子設備和系統，但亦不排P余 關於微冷卻技術。 【先前技術】 由於電子裝置變成更有效力和更小（亦即，更密封裝 )，由這些電子裝置所耗費的電源會導致大量熱的產生。 由這些電子裝置所產生的熱會對電子裝置之操作造成損害 。因此，一般所關心的是電子構件的熱移除。 例如，電子裝置可包括一積體電路（1C )晶粒。散熱 模式可藉由熱耦合至1C晶粒以利於從1C晶粒的熱發散。 一般而言，散熱模式可爲具有多數翼片或通道的散熱座形 式（亦即，被動模式）。由於氣流通過翼片或通道，因此 ，熱可從1C晶粒經由翼片或通道傳送至週遭氣體。替代 的，主動散熱模式可爲壓迫流體通過翼片或通道的形式。 但是，因爲各種效應，例如從1C晶粒上的不同區所產生 的熱變化，使用翼片或通道無法提供有效且均勻的從1C 晶粒移除熱。 【發明內容】和【實施方式】 在各種實施例中，所說明的是包括微銷散熱模式的設 備。在下述說明中，將說明各種實施例。但是，熟悉此項 技藝的人士可瞭解即使無其中之一或多個特殊細節’或以 -4- (2) 1301744 〃匕方法材料，或元件等，於此亦可實施各種實施例。 此外已知的構造，材料，或操作並未詳細說明或顯示， 以避免封本發明的各個實施例造成阻礙。相似的，爲了說 明的·目的，所述的特殊數値，材料，和構造乃爲了提供對 本發明的徹底瞭解。但是，本發明可在無此特殊細節下實 施。此外’已知的特性於此省略或簡化以免造成對本發明 的阻礙。再者，需暸解的是，圖式所示之各個實施例只是 用於說明’而不需以刻度描繪。 在整篇說明書中，”一實施例，，意即相關於該實施例的 特殊特性’構造，材料，或特徵包括在本發明的至少一實 施例中。因此’在整篇說明書中，所謂一實施例不非意指 相同實施例或發明。再者，在一或多個實施例中，這些特 殊的特性，構造，材料，或特徵可以任何適當方式結合。 各種操作將輪流以多重離散操作而說明，其最有助於 瞭解本發明。但是，於此說明的順序不應被解讀爲這些操 作有需要的順序相依性。特別的，這些操作無需以所呈現 的順序執行。 圖1 a-1 b爲依照本發明之一實施例的具有微銷散熱模 式的設備。圖1 a顯不該設備1 0 0的側視圖。在圖1 a中， 設備1〇〇包括一基底1〇2和多數微銷104。圖lb爲該設備 1 〇〇的頂視圖。因此，依照本發明的各個實施例，如圖1 b 所示，微銷104安排成圖素形圖型在基底102上。 參考圖1 b，微銷1 〇4可安排以在微銷1 04間提供一預 定空間。更詳細而言，此預定空間可部份基於至少流經空 -5- (3) (3)1301744 間的、例如但非限制以液體形式的水、材料。再者，如圖 1 b所示安排成圖素形圖型的微銷1 04有利於材料的流動在 所有方向，例如但並非限制，在至少兩方向（如x方向和 y方向），如圖lb所示。 在圖la所示的實施例中，微銷104可形成在基底ι〇2 上。亦即’可使用各種蝕刻方法，例如但並非限制，深反 應離子蝕刻（DRIE)、濕蝕刻、微加工等，以從基底ι〇2 形成微銷1 04。因此，微銷1 〇4可以半導體材料製成，例 如但並非限制於矽。替代的，微銷1 04可形成和設置在基 底1 02上。亦即，微銷1 〇4可以各種材料和方法製成，例 如但並非限制，金屬（如銅）和微加工法，和而後設置在 基底上。此外，基底10 2可爲一積體電路（I c )晶粒。替 代的，基底102可熱耦合至1C晶粒。 來自基底的熱能（亦即熱）亦可傳送至微銷1 04。在 一實施例中，因爲微銷104形成在基底102上，微銷1〇4 可熱耦合至IC晶粒，而後，微銷1 〇4有利於熱傳送至和 微銷1 〇4實質接觸的材料。替代的，微銷1 04亦可熱耦合 至基底，而後，其亦熱耦合至IC晶粒。亦即，微銷1〇4 有效率的熱耦合至1C晶粒。 圖2爲依照一實施例而形成微銷的方法。圖2爲基底 2 02的側視圖。基底202可由有利於熱傳送的適當材料製 成，例如但並非限制，矽基材料，和金屬基材料（如矽， 銅等）。可對基底2 0 2應用各種蝕刻方法，例如但並非限 制，DRIE，濕鈾刻，微加工等。由於蝕刻處理的結果，多 (4) (4)1301744 數微銷204可從基底202形成。 圖3爲依照另一實施例之具有一微銷散熱模式的設備 。圖3顯示該設備3 00的側視圖。該設備3 00包括一基底 3 02和多數微銷3 04，其相似於圖la-lb所示之設備100。 但是，如圖3所示，此設備300包括一介面層306，其設 置在微銷304和基底3 02間。 依照一實施例，介面層306可爲一材料以提供微銷 3 04之構造支持和利於熱耦合、例如但並非限制、一金剛 石膜。如前所述，微銷3 04可以一半導體材料製成，且因 此，介面層可提供用於微銷3 04之構造支持和利於從基底 3 02到微銷3 04之熱耦合（即熱傳送）。再者，基底可爲 1C晶粒或可熱耦合至1C晶粒的基底。 在一實施例中，介面層3 06以可焊材料製成，該可焊 材料具有各種熱性質、例如但並非限制、銅（Cu )，金（ Au)，鎳（Ni)，鋁（A1)，鈦（Ti)，鉅（Ta)，銀（ Ag )，和鉑（Pt )，和其組合。因此，在一實施例中，微 銷3 0 4可以、例如但並非限制、銅之金屬材料製成。 繼續參考圖3，對於熟悉此項技藝的人士而言，除了 介面層3 06外，在微銷3 04和基底3 02間亦可使用各種黏 劑材料（未顯示）。 圖4爲依照另一實施例之具有一微銷散熱模式的設備 。圖4爲具有一裝置400的設備的橫截面圖。裝置400包 括基底402和多數微銷404。如本實施例所示，基底402 提供裝置400的底部。此外，裝置400包括一壁406以實 (7) (7)1301744 圖6a-6b爲依照另一實施例之具有一微銷散熱模式的 設備。圖6a爲具有如圖1-5之設備之具有微銷602之設 備的電子系統600的橫截面圖。如圖所示的電子系統600 具有微銷602直接設置在1C晶粒604頂面上（即，微銷 6 02熱耦合至1C晶粒604 ) 。1C晶粒604可經由多數焊劑 凸塊608而電耦合至基底606。基底606可經由焊球612 而電耦合至一接線板610。因此，由1C晶粒604所產生的 熱可傳送至微銷602。 參考圖6b，圖6b爲具有如圖1-5之設備之具有微銷 6 02之設備的電子系統620的橫截面圖。在圖6b中，微銷 602熱耦合至基底622，而後基底622熱耦合至1C晶粒 624。如圖6b所示，介面層626設置在基底622和1C晶 粒624間。如前所述，介面層626可爲TIM，其可利於基 底622和1C晶粒626的熱耦合，藉以利於從1C晶粒626 至微銷602的熱傳送。 再參考圖6b，該設備可熱耦合至1C晶粒。1C晶粒可 經由焊劑凸塊608而電耦合至基底606。基底606可經由 焊球6 1 2而電耦合至一接線板6 1 0。因此，由1C晶粒所產 生的熱可更有效率的傳送至微銷602，和微銷602可熱耦 合至IC晶粒。 如圖6a-6b所示，微銷602實質容納在電子系統600 和620中。但是，如前所述，微銷602並不需要實質被包 圍（見圖1 - 3 )。此外，在各個實施例中，接線板6 1 0可 具有各種裝置以電親合至、例如但並非限制、一記憶裝置 -10- (9) 1301744 、例如但並非限制、一電滲透泵。此外，使用於熱交換系 統720的材料亦可爲任何材料、例如但並非限制、流體、 氣體、和奈米顆粒。 在圖7b所示的實施例中，泵722提供材料至設備7〇〇 。如前所述，此設備有利於從IC晶粒移除熱。熱交換器 724接收受熱材料和將熱移除至另一散熱座（未顯示）。 値得注意的是，爲了不對本發明的實施例形成阻礙，於此 未顯示熱交換系統720的各個元件。例如，於此可具有各 種閥、和密封件等。 上述已參考所示實施例説明本發明的原理，但是需瞭 解的是所示實施例可在安排上和細節上修改，而未悖離本 原理。再者’雖然則述係針對特殊的實施例做說明，於此 亦可期待有其它的構造。特別的，即使如本說明書所使用 的’’ 一實施例’’，和”另一實施例”等，這些話語意即一般參 考貫施例可能性，而非用於限制本發明在一特殊實施例架 構。如所說明的，這些話語可參考可結合在其它實施例中 的相同或不同的實施例。 因此，從上述可知，本於此所說明的是包括一微銷散 熱模式的新穎設備。 包括在摘要所述的本發明的所述實施例的上述說明並 非佣於排除或限制本發明於所述準確的形式。本發明的特 殊實施例和範例於此只用於說明目的，對於熟悉此項技藝 的人士而言，在本發明的範疇內仍可能有各種等效修改。 因此，這些說明僅可視爲說明而非對本發明的限制。 -12- (10) (10)1301744 因此，有鑒於所述實施例的廣泛變換，於此之詳細說 明只爲了說明而已，而非用於限制本發明的範疇。因此， 本發明之申請專利範圍包括下述申請專利範圍和其等效例 之精神和範疇內之所有變化。 【圖式簡單說明】 圖la-lb爲依照本發明的一實施例的具有微銷散熱模 式的設備； 圖2爲依照一實施例的形成微銷的方法； 圖3爲依照另一實施例的具有微銷散熱模式的設備； 圖4爲依照又一實施例的具有微銷散熱模式的設備； 圖5爲依照又一實施例的具有微銷散熱模式的設備； 圖6a-6b爲依照一變化實施例的具有微銷散熱模式的 設備；和 圖7 a-7b爲依照一變化實施例的微銷散熱模式。 【主要元件符號說明】 100 設備 102 基底 104 微銷 202 基底 204 微銷 206 側壁 300 設備 -13» (11)1301744 302 基底 304 微銷 306 介面層 400 裝置一 402 基底 404 微銷 406 壁 408 蓋 4 10 入口 4 12 出口 4 14 介面 500 裝置 一 502 基底 504 微銷 506 壁 508 蓋 5 10 入口 5 12 出口 514 介面層 600 電子系統 602 微銷 604 1C晶粒 606 基底 608 焊劑凸塊 (12) 接線板 焊球 電子系統 基底 1C晶粒 介面層 設備 熱交換系統 泵 熱交換器 入口 出口 入口 出口 -15-

Claims (1)

1301744

Λ 十、申請專利範圍 附件4 第93 1 34005號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國97年2月15日修正 1. 一種熱交換設備，包含： 一基底；和 熱耦合至基底的多數微銷，該多數微銷在基底上安排 成一圖素狀圖型。 2 ·如申請專利範圍第1項的設備，其中該多數微銷包 含從基底形成的多數微銷。 3 ·如申請專利範圍第1項的設備，其中該基底包含一 積體電路（1C )晶粒。 4·如申請專利範圍第1項的設備，其中該多數微銷包 含耦合至一介面層的多數微銷，和該介面層熱耦合至基底 〇 5 ·如申請專利範圍第4項的設備，其中該介面層包含 一金剛石膜。 6 ·如申請專利範圍第4項的設備，其中該介面層包含 一可焊層。 7.如申請專利範圍第6項的設備，其中該可焊層包含 由銅（Cu )，金（Au )，鎳（Ni )，鋁（A1 )，鈦（Ti ) ，鉅（Ta)，銀（Ag )，和鉑（Pt )其中至少之一所形成 1301744 的可焊層。 8·如申 含實質容納 設置在多數 9·如申 包含一入口 10·如申 ，該泵具有 入口。 11 ·如申 包含實質容 和蓋上形成: 1 2.如申 步包含一入 1 3 ·如申 ，該泵具有 入口。 1 4 ·如申 含具有一原: 1 5 ·如申 含具有一複: 1 6.如申 包含安排以 微銷。 淸專利範圍第1項的設備，其中該多數微銷包 在一裝置中的多數微銷，該裝置具有一蓋，其 微銷上。 誇專利範圍第8項的設備，其中該裝置進一步 和一出口。 請專利範圍第9項的設備，進一步包含一泵 一出口’和出口材料可轉換地耦合至該裝置的 請專利範圍第1項的設備，其中該多數微銷 納在一裝置中的多數微銷，該裝置具有一蓋， 有多數微銷。 μ專利fe圍第1 1項的設備，其中該裝置進一 口和一出口。 請專利範圍第1 2項的設備，進一步包含一泵 出□’和出□材料可轉換地耦合至該裝置的 請專利範圍第1項的設備，其中每一微銷包 始幾何形狀的微銷。 請專利範圍第1項的設備，其中每一微銷包 雜幾何形狀的微銷。 邮專利範圍第1項的設備，其中該多數微銷 利於材料流在至少兩方向穿過多數微銷的多數 1301744 17.一種熱交換系統，包含： 一裝置’其具有一入口和一出口，該裝置包含： 一基底，和 # μ ^銷熟耦合至該基底，該多數微銷安排以利 μ # # ^ & s少兩方向穿過多數微銷，和在基底上安 排成圖素狀圖型； 一栗’該聚具有一入口和一出口，該泵的出口材料轉 換的親合至該裝置的入口；和 一熱交換器’該熱交換器具有一入口和一出口，該熱 父換器的入□材料可轉換地耦合至該裝置的出口，和該熱 父換器的出口材料可轉換地耦合至該泵的入口。 1 8 ·如申g靑專利範圍第1 7項的熱交換系統，其中該多 數微銷包含從基底形成的多數微銷。 1 9 ·如申請專利範圍第1 7項的熱交換系統，進一步包 含一積體電路（1C )晶粒熱耦合至多數微銷。 2〇·如申請專利範圍第17項的熱交換系統，其中該裝 置包含實質容納多數微銷的裝置，該裝置具有一蓋，其設 置在多數微銷上。 2 1 ·如申請專利範圍第1 7項的熱交換系統，其中該裝 置包含實質容納多數微銷的裝置，該裝置具有一蓋，和蓋 上形成有多數微銷。 22.—種電子系統，包含： 一基底，該基底熱耦合至一積體電路（1C )晶粒； 多數微銷，其熱耦合至該基底，該多數微銷以圖素狀 -3- 1301744 圖型安排在基底上； 一接線板，其電耦合至I c晶粒；和 一記憶裝置，其電耦合至接線板。 23 ·如申請專利範圍第22項的電子系統，其中該多數 微銷包含從基底形成的多數微銷。 24.如申請專利範圍第22項的電子系統，其中該多數 微銷包含實質容納在一裝置中的多數微銷，該裝置具有一 蓋，其設置在多數微銷上。 2 5 ·如申請專利範圍第2 4項的電子系統，其中該裝置 進一步包含一入口和一出口。 26.如申請專利範圍第25項的電子系統，進一步包含 一泵，該泵具有一出口，和該出口耦合至該裝置的入口。 27·如申請專利範圍第22項的電子系統，其中該多數 微銷包含實質容納在一裝置中的多數微銷，該裝置具有一 蓋，和蓋上形成有多數微銷。 2 8 ·如申請專利範圍第2 7項的電子系統，其中該裝置 進一步包含一^入口和一^出口。 29·如申請專利範圍第28項的電子系統，進一步包含 一泵，該泵具有一出口，和出口材料可轉換地耦合至該裝 置的入口。 3 0 ·如申請專利範圍第22項的電子系統，其中該記憶 裝置包含一快閃記憶裝置。 31.—種電子系統，包含： 一基底，該基底熱耦合至一積體電路（1C )晶粒； -4- 1301744 多數微銷’其熱耦合至該基底，該多數微銷安排以利 於材料流穿過以圖素狀圖型安排在基底上的多數微銷，和 實質的容納在一裝置中，該裝置具有一入口和一出口； 一栗’該泵具有一入口和一出口，和該泵的出口材料 可轉換地耦合至該裝置的入口； 一熱交換器’該熱交換器具有一入口和一出口，該熱 父換器的入□材料可轉換地耦合至該裝置的出口，和該熱 交換器的出口材料可轉換地耦合至該泵的入口； 一接線板’其電耦合至該基底；和 一記億裝置，其電耦合至接線板。 3 2 ·如申請專利範圍第3 1項的電子系統，其中該多數 微銷包含從基底形成的多數微銷。 3 3 .如申請專利範圍第31項的電子系統，其中該裝置 包含具有一盖設置在多數微銷上的裝置。 34·如申請專利範圍第31項的電子系統，其中該裝置 包含具有一蓋的裝置，和該蓋具有多數微銷形成在其上。 3 5·如申請專利範圍第3 1項的電子系統，其中該記億 裝置包含一快閃記憶裝置。