CN108895873B - 基于uv-liga技术的金属微通换热器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UV‑LIGA技术的金属微通换热器结构及制备方法，通过对金属基底进行旋涂光刻胶制备出所需厚度的胶膜；按微通道的布局及形状设置相应形状图案的掩膜板，采用紫外光源覆盖掩膜板的胶膜进行曝光处理，将曝光后的胶膜置于相应显影液中，直至曝光区域图案完全显现出来，露出金属基底；对显影后的胶膜图形区域进行电铸铜成形；在金属基底上获得所需金属微槽道和加强筋；将机加工形成的金属微盖板和金属基底预装后固定；最终制得包括金属基底，金属盖板、在金属基底上生成的多组的微米尺度的微通道；通过本发明制得的金属微通换热器，增大了冷却介质表面积和体积比，散热效率高。

Description

基于UV-LIGA技术的金属微通换热器及制备方法
技术领域
本发明属于微加工技术领域，特别是一种基于UV-LIGA技术的金属微通换热器及制备方法。
背景技术
电子装备工作的可靠性对温度条件十分敏感，任何设计精良的电子设备在长期过热及不均匀热应力的作用下都会发生故障或失效。著名的10℃法则指出：当电子器件的温度在70～80℃水平上每增加10℃，可靠性就会下降50％。随着宽禁带功率芯片的使用，电子设备正朝着高性能化、高速度化以及高密度集成度化的方向发展，将来其热流密度更是有可能达到千瓦级别。
伴随着MEMS技术的不断成熟和发展，使得微型化换热器件在散热性能和结构适应性方面得到了极大的提升和拓展。带有微通道的冷板构件内部存在大量的槽道等微细结构，具有很大的比表面积。冷却流道的特征尺寸在微细尺度效应下，液体与固体之间以及液体分子之间的吸引力和液体的表面张力变得十分显著，利用微尺度下通道结构、流体特性、传热特性来达到高效散热的效果，是目前各国研究的热点。
工程应用中已有少数微通道换热器，但其微通道特征尺寸都在毫米及亚毫米级。由于电子产品高功率组件的材质均为稳定性及温度匹配性较好的合金，硅基刻蚀工艺无法应用于这类材料加工成形；对于通道宽度50～100μm、深宽比≥5的金属微通道，硅基刻蚀和精密机加工都无法应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UV-LIGA技术的金属微通换热器及制备方法，在金属基底上生成微米尺度的通道，以增大冷却介质表面积和体积比，获得散热效率高的微通道换热器。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器，包括金属基底，金属盖板、在金属基底上生成的N组的微米尺度的微通道；N≥1；每组微通道设有多个相互平行的通道沟槽＝；每组微通道两侧设有加强筋；所述金属盖板固定在金属基底上端；所述金属盖板上端两侧对称设置有水嘴接口；金属盖板下端两侧对称设有喇叭形的主流道；水嘴接口与主流道相连通；所述金属基底上端设有挡水圈，挡水圈位于微通道外部一周；所述主流道正对挡水圈与微通道之间的金属基底上。
一种基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、对金属基底进行旋涂光刻胶制备出所需厚度的胶膜；
步骤S2、按微通道的布局及形状设置相应形状图案的掩膜板，采用紫外光源覆盖掩膜板的胶膜进行曝光处理，将曝光后的胶膜置于相应显影液中，直至曝光区域图案完全显现出来，露出金属基底；
步骤S3、对显影后的胶膜图形区域进行电铸铜成形，直至电铸层厚度达到胶膜厚度；溶解剩余胶膜结构，在金属基底上获得所需金属微槽道和加强筋；
步骤S4：将机加工形成的金属微盖板和金属基底预装后固定。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明制备的金属微通道换热器，基于UV-LIGA技术制备金属微通道，突破硅基刻蚀法对基底材料的限制，通道结构布局可根据使用需求设计，成形的金属微通道尺寸精度高，比表面积大，散热效率高。
(2)本发明制备的金属微通道换热器，金属底板与金属盖板采用扩散焊接，减少了钎剂对微通道精度的影响，密封可靠性好。
(3)本发明的方法成型工艺稳定，微结构精度高，制备的微通道换热器散热效果好。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为金属微通道换热器爆炸结构示意图。
图2为金属盖板结构示意图。
图3为金属基底结构立体示意图。
图4为金属基底结构俯视示意图。
图5为微通道局部放大图。
图6为微通道换热器制备方法流程示意图。
图7(a-f)分别位于一次匀胶、二次匀胶、三次匀胶、曝光显影、电沉积、溶解剩余胶膜形成通道沟槽的工艺流程图。
图8为实施例中获得的微通道的实物照片图。
图9为实施例中微通道的局部放大图。
图10为实施例中微通道的扫描电镜图。
图11为实施例获得的微通道换热器散热性能模拟图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图5，本发明的一种基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器，包括金属基底1，金属盖板3、在金属基底1上生成的N组的微米尺度的微通道2；N≥1；每组微通道2设有多个相互平行的通道沟槽22；每组微通道两侧设有宽度1-3mm的加强筋21结构，提高结构强度，便于焊接成形。
所述微通道2的通道沟槽22宽度为100μm，通道沟槽22之间间隔周期300μm，通道沟槽22的深宽比≥5，通道沟槽22的侧壁垂直度＞85°。
所述金属盖板3固定在金属基底1上端；所述金属盖板3上端两侧对称设置有水嘴接口3-1；金属盖板3下端两侧对称设有喇叭形的主流道3-2；水嘴接口3-1与主流道3-2相连通；所述金属基底1上端设有挡水圈1-1，挡水圈1-1位于微通道2外部一周。所述主流道3-2正对挡水圈1-1与微通道2之间的金属基底1上。
所述水嘴接口3-1与主流道3-2采用流线型结构，以减小冷却介质进入时产生的涡流；所述主流道3-2截面积与通道沟槽22截面积之和相等，使得冷却介质无差别从一侧主流道3-2流入各微通道2后经另一侧主流道3-2汇合排出。
进一步的，所述金属基底1设有多排微通道2，每排微通道2均包括N组微通道2，通过设置多排微通道2，可以减小微细流道长度，降低流动阻力，同时可进一步增大流体的接触面积，增加散热效果。
优选的，所述金属基底、金属盖板为紫铜；微米尺度槽道为电解纯铜；铜材质散热性较好。
进一步的，所述金属基底、金属盖板也可为镍材料。
结合图6，本发明的一种基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器制备方法，包括以下步骤：
步骤S0、对金属基底进行预处理：对金属基底进行加工，使得金属基底面度≯0.03，表面粗糙度≯Ra0.8；清洗并烘干。
步骤S1、对金属基底进行旋涂光刻胶制备出所需厚度的胶膜，每次旋涂后静置以保证平整度。
步骤S2、按微通道的布局及形状设置相应形状图案的掩膜板，采用紫外光源(UV)对上述覆盖掩膜板的胶膜进行曝光处理，将曝光后的胶膜置于相应显影液中，直至曝光区域图案完全显现出来，完整露出金属基底为止。
步骤S3、对显影后的胶膜图形区域进行电铸铜成形，直至电铸层厚度达到胶膜厚度；
对电铸后的结构进行研磨处理，去除铸层不均匀的部分，溶解剩余胶膜结构，在金属基底上获得所需金属微槽道和加强筋。
步骤S4：将机加工形成的金属微盖板和金属基底预装后进行扩散焊接处理，保证密封性及微细结构精度，完成微通道换热器制备。
实施例
一种基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器制备方法，包括以下步骤：
步骤S0、对紫铜基底进行预处理，对紫铜基底进行铣削加工并得到挡水圈，要求铜板平面度≯0.03，表面粗糙度≯Ra0.8；涂胶前对基板正面进行研磨，砂纸粒度2000#；再用抛光垫对研磨后的基板进行抛光，使表面粗糙度达到纳米级，呈镜面光亮时停止抛光；将铜基底先后置于丙酮和酒精中超声清洗15min，去离子水洗净烘干备用。
步骤S1、对紫铜基底进行旋涂光刻胶：通过三次匀胶一次曝光的方法制备出总厚度不小于500μm的胶膜，前两次选用粘度较大的SU-8 2150系列光刻胶，单次匀胶厚度＞200μm，第三次选用粘度较小的SU-8 2075光刻胶，旋涂100μm厚度，使制备的胶膜平整性较好,每次旋涂后静置12小时以上以保证平整度。图7(a-c)分别为在紫铜基底1上一次涂胶11、二次涂胶12、三次涂胶13的过程。
步骤S2、按微通道的布局及形状设置相应形状图案的掩膜板，由于SU-8光刻胶为负性胶，未被紫外光照射到的胶膜区域在显影时被保留下来，所以掩膜板遮光部分图案与流道特征一致。采用紫外光源(UV)对上述胶膜进行曝光处理，曝光时间50s；将曝光后的胶膜置于SU-8胶显影液中，直至曝光区域完全被溶解，完整露出基底铜以便后续电沉积“生长”微通道侧壁及加强筋。图7(d)为曝光显影后的紫铜基底1上留下电沉积部分的结构示意图。
步骤S3、步骤130：对显影后的胶膜图形区域进行电铸铜成形，将不需电铸区域进行封蜡处理；电铸前将紫铜基底浸入弱酸进行表面活化，提高铸层与基底的接合力；电铸过程中控制电铸电源参数1A/cm2，直至电铸层厚度达到胶膜厚度。图7(e)为在紫铜基底1上通过电沉积形成微通道2总体结构的示意图。
对电铸后的结构进行研磨处理，去除铸层不均匀的部分，溶解胶膜结构，在基底上获得所需金属微槽道和加强筋。图7(f)为溶解剩余胶膜后，形成属微槽道22和加强筋21的结构示意图。
步骤S4：将机加工形成的铜金属微盖板和基底预装后进行扩散焊接处理，完成微通道换热器制备。工艺参数包括：中间层为300nmAg；焊接温度600℃；焊接压力0.6MPa，保温时间45min；通过扩散焊接，保证了换热器的密封性及微通道微细结构的精度。
图8、图9为通过上述方法制备的含3排、每排含8组微通道的基底实物照片图实物图，其中，每组微通道含10个相互平行的通道沟槽22；图10为扫描电镜图。通过上述方法制备的微通道2的通道沟槽22宽度为100μm，通道沟槽22之间间隔周期300μm，通道沟槽22的深宽比≥5，通道沟槽22的侧壁垂直度＞85°；加强筋的宽度为2mm。图11为换热器的散热效果模拟图，在冷板背面设置3个微通道换热器，每个换热器作用于一组四通道组件芯片，通过输入约20℃的冷却液，模拟结果显示，四通道组件芯片热流密度可达300W/cm2，在20L/h流量下，芯片温度最高81.7℃，满足使用需求。通过本发明制备的微通道特征结构细小、尺寸精度高、深宽比大、侧壁垂直度好，散热效果好，可应用于高功率芯片高效能散热。

Claims (3)

1.一种基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器制备方法，其特征在于，所述换热器包括金属基底(1)，金属盖板(3)、在金属基底(1)上生成的N组的微米尺度的微通道(2)；N≥1；每组微通道(2)设有多个相互平行的通道沟槽(22)；每组微通道两侧设有加强筋(21)；所述金属盖板(3)固定在金属基底(1)上端；所述金属盖板(3)上端两侧对称设置有水嘴接口(3-1)；金属盖板(3)下端两侧对称设有喇叭形的主流道(3-2)；水嘴接口(3-1)与主流道(3-2)相连通；所述金属基底(1)上端设有挡水圈(1-1)，挡水圈(1-1)位于微通道(2)外部一周；所述主流道(3-2)正对挡水圈(1-1)与微通道(2)之间的金属基底( 1) 上；所述微通道(2)的通道沟槽(22)宽度为100μm，通道沟槽(22)之间间隔周期300μm，通道沟槽(22)的深宽比≥5，通道沟槽(22)的侧壁垂直度＞85°；所述换热器制备方法包括以下步骤：
步骤S1、对金属基底进行旋涂光刻胶制备出所需厚度的胶膜；包括三层光刻胶，总厚度不小于500μm；前两次选用粘度较大的SU-8 2150系列光刻胶，单次匀胶厚度＞200μm，第三次选用粘度较小的SU-8 2075光刻胶，旋涂100μm厚度；
步骤S2、按微通道的布局及形状设置相应形状图案的掩膜板，采用紫外光源覆盖掩膜板的胶膜进行曝光处理，将曝光后的胶膜置于相应显影液中，直至曝光区域图案完全显现出来，露出金属基底；
步骤S3、对显影后的胶膜图形区域进行电铸铜成形，直至电铸层厚度达到胶膜厚度；溶解剩余胶膜结构，在金属基底上获得所需金属微槽道和加强筋；
步骤S4：将机加工形成的金属微盖板和金属基底预装后固定：金属微盖板和金属基底固定采用扩散焊接处理，扩散焊接工艺参数为中间层为300nmAg；焊接温度600℃；焊接压力0.6MPa，保温时间45min。
2.根据权利要求1所述的基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器制备方法，其特征在于，还包括步骤S0、对金属基底进行预处理：对金属基底进行加工，使得使得金属基底面度≯0.03，表面粗糙度≯Ra0.8；然后清洗并烘干。
3.根据权利要求1所述的基于UV-LIGA技术的金属微通道换热器制备方法，其特征在于，步骤S3对对电铸后还对金属基底进行研磨处理，去除铸层不均匀的部分。
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