CN110595241A - 一种分区块式强化沸腾换热微结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分区块式强化沸腾换热微结构及其制造方法，包括散热板，散热板上设置有若干圆形的区块单元，每个区块单元由若干圈微柱组成，所述区块单元呈阵列分布在散热板上。一方面，本发明可限制高热流密度时气柱的间距及气柱的半径，阻碍气柱间合并，显著地强化了高热流密度区的沸腾换热性能，大大地提高芯片沸腾换热的临界热流密度。另一方面本发明的每个区块单元呈同心圆布置的圆形微柱，从内圈到外圈微柱间的间距依次增大，可以减小流体从光滑区域定向输送至微结构区域的流动阻力，在高热流密度下将新鲜液体及时供给到汽泡中心底部，从而维持汽泡蒸发，从而进一步提高临界热流密度。

Description

一种分区块式强化沸腾换热微结构及其制造方法

技术领域

本发明属于超高热流密度沸腾强化换热技术，涉及一种适用于超高热流密度微电子器件高效冷却技术，具体涉及一种分区块式强化沸腾换热微结构及其制造方法。

背景技术

近年来，微电子加工技术逐渐趋于成熟，因而微电子器件的集成化程度越来越高，单位面积的产热也逐渐增大，散热问题成为了制约电子器件发展的关键。

沸腾传热是将微电子器件浸没在不导电的传热工质之中进行换热的一种强化换热方式，具有高热流密度，低壁面过热度的特点。近年来国内外大量学者对强化表面结构的沸腾传热进行了研究。通过多种多样的微加工技术，改变换热表面的润湿性、毛细芯吸性、孔隙率等特征，强化换热效果，降低壁面过热度，将有低温运行要求的集成微电子器件的温度控制在要求的范围之内。

目前已有的通过表面加工技术提高换热性能的方式种类繁多，但基本上都着眼于提高面积强化比和增加气化核心数目。如圆柱微米级结构表面，可减小高热流密度区补液时液体的阻力，加快补液，最终显著地提高临界热流密度，并在高热流密度区沸腾曲线陡直，壁面温度稳定，到达临界热流密度时壁面温度远低于微电子器件的上限工作温度。对于微结构密集的换热表面，虽然面积强化比和气化核心数有极大的提升，但在气泡剧烈产生时，气泡之间极易合并为气柱，气柱之间的合并会极大地阻碍液体的补充，最终导致微结构表面被气膜所覆盖，传热效果恶化。因而除提高面积强化比和气化核心数目以外，通过抑制高热流密度时气柱间的合并来提高临界热流密度也是一种行之有效的方法。通过调控微结构在表面的分布形式，可以有效地限制高热流密度时气柱的合并，从而延缓临界热流密度的到来，提高临界热流密度。

发明内容

针对现有强化表面结构对超高热流密度电子器件冷却存在的不足和缺陷，本发明提供一种分区块式强化沸腾换热微结构及其制造方法。本发明具有高传热效率，阻碍气柱合并，增大临界热流密度的优势。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分区块式强化沸腾换热微结构，包括散热板，散热板上设置有若干圆形的区块单元，每个区块单元由若干圈微柱组成，所述区块单元呈阵列分布在散热板上。

进一步地，散热板的长度c等于宽度e。

进一步地，相邻的区块单元之间的间距相等，且由区块单元形成的阵列的行数和列数相等。

进一步地，所述区块单元的数量为4-16个。

进一步地，所述区块单元的直径为0.25mm-10mm，相邻的区块单元之间的距离是0.2mm-10mm。

进一步地，所述微柱的直径为0.025mm-0.255mm。

进一步地，所述微柱的高度h为30-120μm。

进一步地，每个区块单元的圆心设置有空白区域，且空白区域的直径m为区块单元直径的5％-95％。

进一步地，组成区块单元的微柱的直径从圆心到圆边缘依次增大，且位于同一直径上的相邻微柱之间的距离为0.05mm-0.27mm，从内到外相邻微柱之间间距依次增大。

一种分区块式强化沸腾换热微结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：根据设计好的尺寸参数制作光刻工艺的掩膜图形；

步骤二：将硅芯片经过添加光致抗蚀剂涂层、曝光、干腐蚀以及去除抗蚀剂涂层过程后，将步骤一得到的掩膜图形准确的转移到芯片上，通过控制干腐蚀过程的时间，得到预期的刻蚀深度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的分区块式强化沸腾换热微结构可以通过添加少量的微柱增加有限的换热面积，显著提高核态沸腾换热性能。

本发明的区块式强化沸腾换热微结构，由于区块单元与区块单元之间存在的间隙，以及每个区块单元中心光滑区域的存在，有效限制了高热流密度时气柱的间距及气柱的半径，因此可阻碍高热流密度下气柱间的合并，大大地提高芯片沸腾换热的临界热流密度，对于具备超高临界热流密度的芯片散热需求具有很大吸引力。

利用本发明的分区块式柱状微结构，每个区块单元呈同心圆布置的圆形微柱，且外圈微柱间距较大，内圈微柱间距较小，此类微结构可提供毛细力，并可以减小流体从光滑区域定向输送至微结构区域的流动阻力，在高热流密度下将新鲜液体及时供给到汽泡中心底部，从而维持汽泡蒸发，从而进一步提高临界热流密度。

进一步地，利用本发明的内圈微柱直径较小，外圈微柱直径较大，因而内部微结构更加密集，提供更多气化核心，利于散热。

进一步地，本发明设计的微结构，微结构部分的面积占整个换热部分表面的面积较小，实现了少量微结构便达到较高热流密度的效果，为微结构设计提供了新方向。

附图说明

图1是本发明的分区块式柱状微结构的三维结构示意图；

图2是本发明的分区块式柱状微结构的平面图。

其中，1、散热板；2、区块单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1和图2，一种分区块式强化沸腾换热微结构，包括换热表面的散热板1，散热板1上设置有若干圆形的区块单元2，每个圆形的区块单元2由若干圈微柱组成，将区块单元2呈方形阵列分布在散热板1上，散热板1的长度c等于宽度e。每个区块单元2完全相同，作为阵列的元素，且阵列的行数与列数相等，相邻的区块单元2之间的间距相等，阵列可填充满散热板1，其中，区块单元2数量范围为4到16，每个区块单元2的直径d的大小是0.25mm-10mm，相邻区块单元2之间的距离是0.2mm-10mm，区块单元中微柱的直径范围为0.025mm-0.255mm，每个微柱高度h为30-120μm，每个区块单元2的圆心区留有空白区域，空白区域的直径m为区块单元2直径的5％-95％，单个圆形区块单元2中微柱的直径从圆心到圆边缘依次增大，同一直径上相邻微柱间的距离是0.05mm-0.27mm，从内圈到外圈微柱间的间距依次增大。

下面对本发明实施例做详细描述：

本发明的目的在于同时利用“增加汽化核心数目，增加分区块微结构，阻碍气柱合并”的强化换热原理，提出一种具有高传热效率，较小面积强化比，增大临界热流密度的分区块微柱的芯片强化沸腾换热结构。组成部分包括散热板1，长度与宽度都为10mm，以及散热板1上面利用干腐蚀技术加工形成的若干个微结构区块单元2。区块单元2呈阵列分布在散热板1上，散热板1的长度c等于宽度e。每个区块单元2完全相同，作为阵列的元素，且阵列的行数与列数相等，相邻区块单元2间的间距相等，阵列填充满散热板，区块单元2数量范围为4到16。每个微柱高度为120μm，每个区块单元2微柱的圆心区留有空白部分，空白区域的直径m为区块单元2直径的5％-95％。单个圆形微柱的直径从圆心到圆边缘依次增大，区块单元2中微柱的直径范围为0.025mm-0.255mm，同一直径上相邻微柱间的距离是0.05mm-0.27mm。本发明的芯片强化沸腾换热结构具有足够多的汽化核心数，能大大提高核态沸腾换热的传热效率。本发明的分区块式微结构能有效的限制高热流密度时气柱的大小与气柱间距，因而保证了气泡剧烈产生时不会连接形成气膜，阻塞液体补充，从而提高临界热流密度。

分区块式柱状微结构的芯片强化沸腾换热结构的制造方法，包括如下步骤：

第一步：根据设计好的芯片表面微结构尺寸参数制作光刻工艺的掩膜图形；

第二步：将硅芯片经过添加光致抗蚀剂涂层、曝光、干腐蚀以及去除抗蚀剂涂层等过程后，将第一步得到的掩膜图形准确的转移到芯片上，并通过控制干腐蚀过程的时间，得到预期的刻蚀深度。掩膜版上的分区块式柱状微结构的尺寸、图形轮廓以及布置方式能够精确地转移到硅芯片上，且不会出现侧凹的缺陷。

Claims (10)

1.一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，包括散热板(1)，散热板(1)上设置有若干圆形的区块单元(2)，每个区块单元(2)由若干圈微柱组成，所述区块单元(2)呈阵列分布在散热板(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，散热板(1)的长度c等于宽度e。

3.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，相邻的区块单元(2)之间的间距相等，且由区块单元(2)形成的阵列的行数和列数相等。

4.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，所述区块单元(2)的数量为4-16个。

5.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，所述区块单元(2)的直径为0.25mm-10mm，相邻的区块单元(2)之间的距离是0.2mm-10mm。

6.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，所述微柱的直径为0.025mm-0.255mm。

7.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，所述微柱的高度h为30-120μm。

8.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，每个区块单元(2)的圆心设置有空白区域，且空白区域的直径m为区块单元(2)直径的5％-95％。

9.根据权利要求1所述的一种分区块式强化沸腾换热微结构，其特征在于，组成区块单元(2)的微柱的直径从圆心到圆边缘依次增大，且位于同一直径上的相邻微柱之间的距离为0.05mm-0.27mm，从内到外相邻微柱之间间距依次增大。

10.一种权利要求1所述的分区块式强化沸腾换热微结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据设计好的尺寸参数制作光刻工艺的掩膜图形；

步骤二：将硅芯片经过添加光致抗蚀剂涂层、曝光、干腐蚀以及去除抗蚀剂涂层过程后，将步骤一得到的掩膜图形准确的转移到芯片上，通过控制干腐蚀过程的时间，得到预期的刻蚀深度。