專利名稱：一種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高熱流密度沸騰強(qiáng)化換熱技木，特別涉及ー種適用于超高熱流密度微電子芯片高效冷卻技術(shù)，具體為ー種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著MEMS微電子機(jī)械加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子元器件高頻、高速、高集成化的要求越來(lái)越高，高溫的工作環(huán)境勢(shì)必會(huì)影響電子元器件的性能，這就要求對(duì)其進(jìn)行更加高效冷卻來(lái)滿足其要求。因此，有效解決電子元器件的散熱問(wèn)題已成為當(dāng)前電子元器件和電子設(shè)備制造的關(guān)鍵技木。目前，利用液體對(duì)電子芯片進(jìn)行冷卻已引起國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的廣泛關(guān)注，尤其將 電子芯片直接浸沒(méi)在不導(dǎo)電液體中，利用沸騰相變傳熱的方式對(duì)其進(jìn)行冷卻。但是，不導(dǎo)電液體相比水而言，普遍具有較高的壁面潤(rùn)濕特性和較低的沸騰傳熱系數(shù)，表面?zhèn)鳠釤嶙璩蔀殡娮有酒倐鳠徇^(guò)程的主要熱阻，因此，利用強(qiáng)化表面技術(shù)來(lái)提高沸騰換熱顯得尤為重要。為了強(qiáng)化電子芯片沸騰換熱，發(fā)明人曾在芯片表面開(kāi)設(shè)平行槽道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在低熱流密度區(qū)電子器件散熱得到了顯著強(qiáng)化，但是在高熱流密度區(qū)由于槽道之間不連通，且槽道內(nèi)液體流動(dòng)阻カ逐漸增加，這樣在槽道底部易形成汽膜，使得新鮮液體難以及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致壁面出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，提前發(fā)生臨界熱流密度；后來(lái)又提出在芯片表面采用干式腐蝕技術(shù)生成十字交叉的方柱微結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化沸騰換熱，其研究結(jié)果表明，利用這種相互連通的微結(jié)構(gòu)微通道，可以顯著的提高臨界熱流密度值，但是，該結(jié)構(gòu)在沸騰起始時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大溫度跳躍同時(shí)壁面溫度會(huì)過(guò)高，這樣對(duì)電子器件的熱性能會(huì)產(chǎn)生較大沖擊，同時(shí)使得電子器件的使用壽命有所降低，歸其主要原因是起始沸騰所需過(guò)熱度較高，而能夠提供產(chǎn)生汽泡的汽化核心數(shù)較少所致。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外其他研究學(xué)者提出了利用多孔介質(zhì)涂層和泡沫金屬結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行芯片的沸騰強(qiáng)化換熱，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)這種多孔結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)核化現(xiàn)象，通過(guò)増加產(chǎn)生汽泡的汽化核心數(shù)，使得沸騰起始時(shí)壁面溫度降低和溫度過(guò)升量減少；同時(shí)，利用多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用カ將主流區(qū)的流體抽吸到受熱表面，進(jìn)行強(qiáng)化沸騰換熱。但是，由于多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部相互交錯(cuò)，在核態(tài)沸騰區(qū)，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部汽泡大量蒸發(fā)產(chǎn)生氣膜，這樣汽體與主流液體形成的逆向流動(dòng)阻カ較大，導(dǎo)致細(xì)小孔隙對(duì)液體的毛細(xì)作用力不足以克服液體流動(dòng)阻力，最后在加熱面上不能及時(shí)得到主流液體的補(bǔ)充，使得發(fā)熱元器件表面在較低的熱流下就可能出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，提前從核態(tài)沸騰進(jìn)入膜態(tài)沸騰，且在較小臨界熱流密度時(shí)壁面溫度已大于芯片正常工作結(jié)點(diǎn)溫度85°C。早在I988 年 Jones 等人在文獻(xiàn) Electronic cooling through porous layerswith wick boiling[C]Proc. National Heat Transfer Conf. , vol. I, pp :523-532,1988.中對(duì)多孔涂層表面用于強(qiáng)化電子器件冷卻散熱裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多孔表面底部產(chǎn)生的蒸汽層中蒸汽首先進(jìn)行水平流動(dòng)，找到較大孔徑的孔隙通道時(shí)得以向上溢出，由此啟發(fā)人們，在多孔涂層表面開(kāi)設(shè)槽道可以減少蒸汽的阻力，使蒸汽走槽道，液體走多孔區(qū)，從而汽液流動(dòng)更有序，沸騰傳熱強(qiáng)度增強(qiáng)，臨界熱流密度提高，推遲核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變。由此，許多研究學(xué)者對(duì)多孔表面開(kāi)槽方式主要集中在多孔結(jié)構(gòu)表面開(kāi)設(shè)矩形微槽，通過(guò)增加毛細(xì)作用有效區(qū)域，提高核態(tài)沸騰換熱，結(jié)果表明臨界熱流密度相比沒(méi)有開(kāi)槽的多孔結(jié)構(gòu)大大提高，但是，對(duì)于超高熱流密度沸騰區(qū)域，發(fā)熱元器件表面換熱惡化，其熱流密度值隨著壁面過(guò)熱度線性增加，而且研究發(fā)現(xiàn)臨界熱流密度與開(kāi)設(shè)槽道數(shù)目多少和尺寸大小均無(wú)關(guān)，主要由于在超高臨界熱流密度情形下，對(duì)于大尺寸槽道(數(shù)目少)而言雖然流體流動(dòng)阻力減少，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)泵吸作用降低，這樣不利于液體通過(guò)槽道順利供應(yīng)給加熱表面，而對(duì)于小尺寸槽道(數(shù)目多)雖然毛細(xì)泵吸作用增強(qiáng)，但是相應(yīng)流體流動(dòng)阻カ也會(huì)同步增加。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有強(qiáng)化表面技術(shù)對(duì)超高熱流密度電子器件冷卻存在的不足和缺陷，本發(fā)明的目的在于同時(shí)利用“增加汽化核心數(shù)目，改善毛細(xì)壓頭和流動(dòng)阻カ同步增加或同步減少” 的強(qiáng)化換熱原理，提供一種質(zhì)輕，比表面積大，高的熱傳導(dǎo)率，能夠消除和降低沸騰起始時(shí)的溫度過(guò)升量與壁面過(guò)熱度，増加毛細(xì)壓頭作用力，降低流動(dòng)阻力，増大臨界熱流密度的多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括芯片表面的散熱板以及在散熱板上面利用泡沫金屬形成若干個(gè)多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)，其中多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)為六面型，上下表面為不同尺寸的正方形，4個(gè)側(cè)表面為相同形狀的弧面。上述方案的進(jìn)ー步特點(diǎn)在于所述多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)呈陣列式分布；所述多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)側(cè)表面的弧面形狀為弧線型軌跡，其三維微結(jié)構(gòu)高度h為50μηι 300 μ m,上表面邊長(zhǎng)W上為ΙΟμπι 100 μ m,下表面邊長(zhǎng)W下為5μηι 50 μ m，相鄰微結(jié)構(gòu)之間中心點(diǎn)距離P為上表面邊長(zhǎng)的I. 5 2. 5倍。所述多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)側(cè)表面的弧面形狀為拋物線型軌跡，其三維微結(jié)構(gòu)高度h為50 μ m 300 μ m,上表面邊長(zhǎng)W上為ΙΟμπι 100 μ m,下表面邊長(zhǎng)W下為5 μ m 50 μ m，相鄰微結(jié)構(gòu)之間中心點(diǎn)距離P為上表面邊長(zhǎng)的I. 5 2. 5倍。所述的多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在干，包括如下步驟第一歩利用液態(tài)聚合物紫外光固化エ藝，制作變曲率型面三維微通道鑄模器件首先對(duì)三維CAM/CAD實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其次解析分解為ニ維CAD平面數(shù)據(jù)，工作時(shí)，激光束按照解析平面圖形進(jìn)行分層掃描固化，被掃描到的部位就形成與圖形一致的ニ維片狀単位并堆積，不斷重復(fù)此過(guò)程，形成三維聚合物結(jié)構(gòu)即與三維實(shí)體模型相吻合的鑄模；第二步把制備好的液態(tài)泡沫金屬，澆鑄到鑄模中進(jìn)行金屬微電鍍，待冷卻固化后，用溶劑或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將固化聚合物分解去除，最后得到陣列式分布的多孔微柱變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)。
上述技術(shù)方案的進(jìn)ー步特點(diǎn)在于所述ニ維片狀單位的堆積軌跡是按照三維實(shí)體模型的輪廓設(shè)定，為拋物線型或弧線型。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的效果。優(yōu)點(diǎn)之一利用本發(fā)明的多孔微柱 變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)可以大大増加汽泡汽化核心數(shù)目，顯著提高核態(tài)沸騰換熱，降低沸騰起始過(guò)熱度，消除沸騰起始溫度過(guò)升量，同時(shí)具有很高的熱傳導(dǎo)效率。優(yōu)點(diǎn)之ニ利用本發(fā)明的多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)強(qiáng)化換熱表面開(kāi)設(shè)矩形微通道出現(xiàn)的毛細(xì)作用力和流體阻力同步增加或同步減少的不足，通過(guò)在三維微柱側(cè)表面產(chǎn)生弧面形狀，一方面保證通道底部尺寸較寬，流體流動(dòng)阻カ減小，新鮮液體及時(shí)供應(yīng)，另一方面通道結(jié)構(gòu)的中間部位曲率増大對(duì)應(yīng)曲率半徑減小，毛細(xì)泵吸作用增強(qiáng)，液體輸運(yùn)效率提高，另外，通道結(jié)構(gòu)的入口處曲率半徑較小，其通道尺寸約相當(dāng)于微柱上表面邊長(zhǎng)W ±，這樣能夠保證整個(gè)通道的毛細(xì)壓頭是最大的，而且流體流動(dòng)阻力顯著減小，對(duì)于產(chǎn)生超高臨界熱流密度的芯片沸騰換熱具有很大吸引力。


圖I是本發(fā)明的多孔微柱變曲率型面強(qiáng)化元件實(shí)施的一種三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的主視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)的說(shuō)明。參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括芯片表面的散熱板以及在散熱板2上面利用泡沫金屬I(mǎi)形成若干個(gè)多孔變曲率型面的三維微結(jié)構(gòu)，其中多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)的上下表面為不同尺寸的正方形，側(cè)表面為相同形狀的弧面。由于帶曲面形狀的三維微結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的光刻腐蝕，濕式腐蝕等技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求。早在1993年由日本Ikuta教授(IKUTA K, HIROffATARI K，Realthree dimensional micro fabrication using stereo lithography and metalmolding[C], Proceedings of IEEE MEMS; 93,42-47)提出了一種新的微加工エ藝即集成固化微立體光刻一IHエ藝，主要利用紫外線固化液體聚合物(抗蝕劑)，形成片狀單元，然后按預(yù)設(shè)軌跡堆積而成，不需要制作掩膜板，即可加工出帶任意曲面形狀的微立體三維結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的三維微結(jié)構(gòu)呈陣列式分布，因此采用Ikuta教授在1996年提出的利用微光導(dǎo)纖維陣列進(jìn)行多光束掃描技術(shù)ーMass IH0本發(fā)明提供具體開(kāi)設(shè)方法為采用兩步驟集成法，其步驟一利用液態(tài)聚合物紫外光固化エ藝，制作變曲率型面三維微通道鑄模器件，其中，首先要對(duì)三維CAM/CAD實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其次解析分解為ー系列ニ維CAD平面數(shù)據(jù)，工作時(shí)，激光束按照解析平面圖形進(jìn)行分層掃描固化，被掃描到的部位就形成與圖形一致的ニ維片狀単位，不斷重復(fù)此過(guò)程，其中片狀單位的堆積軌跡是按照三維實(shí)體模型的輪廓設(shè)定(可為拋物線型或弧線型等)，最終形成三維聚合物結(jié)構(gòu)即與三維實(shí)體模型相吻合的鑄模。其步驟ニ，把制備好的液態(tài)泡沫金屬，澆鑄到鑄模中進(jìn)行金屬微電鍍，待冷卻固化后，用溶劑或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將固化聚合物分解去除，最后得到陣列式分布的多孔微柱變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的ー種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)，一方面利用多孔微柱結(jié)構(gòu)增加汽泡汽化核心數(shù)目和提高熱傳導(dǎo)效率，另ー方面利用變曲率型面微結(jié)構(gòu)抑制毛細(xì)壓頭和流體阻力“同步增大或同步減小”現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)強(qiáng)化超高熱流密度核態(tài)沸騰換熱，而且，根據(jù)發(fā)明人曾對(duì)方柱微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究得出，微通道之間存在最優(yōu)尺寸，且對(duì)應(yīng)的毛細(xì)泵吸作用是最強(qiáng)，所以，本發(fā)明微結(jié)構(gòu)高度h，間距P和上表面邊長(zhǎng)1±尺寸范圍的選取是依據(jù)最優(yōu)尺寸而得，同時(shí)本發(fā)明微結(jié)構(gòu)的下表面邊長(zhǎng)WTi上表面的一半，這樣兩個(gè)微通道底部間距最大，保證流體流動(dòng)阻カ最小，新鮮液體順利和及時(shí)供應(yīng)到加熱壁面。另外，微結(jié)構(gòu)的曲面形狀采用弧線型或者拋物線型，其中側(cè)表面結(jié)構(gòu)的曲率依次増大對(duì)應(yīng)曲率半徑依次減小，在通道入口處曲率半徑最小，這樣沿著通道壁面向上毛細(xì)泵吸作用逐漸增強(qiáng)，能夠保證產(chǎn)生的毛細(xì)泵吸作用可以克服流體流動(dòng)阻力，因此，在整個(gè) 核態(tài)沸騰換熱過(guò)程中，具有很強(qiáng)的換熱性能，尤其對(duì)于產(chǎn)生超高臨界熱流密度的芯片冷卻成為可能，為新一代微電子產(chǎn)品的出現(xiàn)提供了技術(shù)支持。
權(quán)利要求
1.ー種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)，包括芯片表面的散熱板以及在散熱板上面利用泡沫金屬形成若干個(gè)多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)，其特征在干多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)為六面型，上下表面為不同尺寸的正方形，4個(gè)側(cè)表面為相同形狀的弧面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)呈陣列式分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)側(cè)表面的弧面形狀為弧線型軌跡，所述微結(jié)構(gòu)高度h為50μπΓ300μπ ，上表面邊長(zhǎng)W上為ΙΟμπΓ ΟΟμ ，下表面邊長(zhǎng)W下為5μπΓ50μπ ，相鄰微結(jié)構(gòu)之間中心點(diǎn)距離P為上表面邊長(zhǎng)W上的I. 5^2. 5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)側(cè)表面的弧面形狀為拋物線型軌跡，所述微結(jié)構(gòu)高度h為50 μ m 300 μ m,上表面邊長(zhǎng)W上為10 μ m 100 μ m,下表面邊長(zhǎng)W下為5 μ m 50 μ m,相鄰微結(jié)構(gòu)之間中心點(diǎn)距離P為上表面邊長(zhǎng)W上的I. 5^2. 5倍。
5.ー種根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括如下步驟 1)利用液態(tài)聚合物紫外光固化エ藝，制作變曲率型面三維微通道鑄模器件 首先對(duì)三維CAM/CAD實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其次解析分解為ニ維CAD平面數(shù)據(jù)，工作時(shí)，激光束按照解析平面圖形進(jìn)行分層掃描固化，被掃描到的部位就形成與圖形一致的ニ維片狀単位并堆積，不斷重復(fù)此過(guò)程，形成三維聚合物結(jié)構(gòu)即與三維實(shí)體模型相吻合的鑄模； 2)把制備好的液態(tài)泡沫金屬，澆鑄到鑄模中進(jìn)行金屬微電鍍，待冷卻固化后，用溶劑或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將固化聚合物分解去除，最后得到陣列式分布的多孔微柱變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于其中二維片狀単位的堆積軌跡是按照三維實(shí)體模型的輪廓設(shè)定，為拋物線型或弧線型。
全文摘要
本發(fā)明涉及超高熱流密度沸騰強(qiáng)化換熱技術(shù)，特別涉及一種適用于超高熱流密度微電子芯片高效冷卻技術(shù)，具體為一種多孔微柱變曲率型面的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)，包括芯片表面的散熱板以及在散熱板上面利用泡沫金屬形成若干個(gè)多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)，呈陣列式分布，其多孔變曲率型面三維微結(jié)構(gòu)為六面型，上下表面為不同尺寸的正方形，4個(gè)側(cè)表面為相同形狀的弧面。本發(fā)明的芯片強(qiáng)化沸騰換熱結(jié)構(gòu)提供了足夠多的汽泡汽化核心數(shù)目和大的比表面積，高的熱傳導(dǎo)效率，同時(shí)有效解決了毛細(xì)泵吸作用與流體流動(dòng)阻力“同步增加或同步減小”相互制約問(wèn)題，因此顯著地提高了超高熱流密度核態(tài)沸騰換熱，從而使得超高臨界熱流密度微電子器件的有效換熱得到了保證。
文檔編號(hào)H01L23/427GK102683305SQ20121014685
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者薛艷芳, 魏進(jìn)家 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)