CN110993577B - 一种pdms微通道热沉、pdms模具、硅模具及其制备方法 - Google Patents

一种pdms微通道热沉、pdms模具、硅模具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PDMS微通道热沉、PDMS模具、硅模具及其制备方法，其中，PDMS微通道热沉包括封装于一体的PDMS微通道和硅片，所述PDMS微通道内设置有一铁磁性柔性柱阵列，所述铁磁性柔性柱阵列包括多个铁磁性柔性柱，流体介质从一进液孔流入所述PDMS微通道，经所述铁磁性柔性柱阵列后由一出液孔流出。本发明PDMS微通道热沉可用于微通道单相液冷和两相流动沸腾散热。

Description

一种PDMS微通道热沉、PDMS模具、硅模具及其制备方法
技术领域
本申请涉及微电子芯片散热领域，特别涉及一种PDMS微通道热沉、PDMS模具、硅模具及其制备方法。
背景技术
现代微电子技术能够将上百亿个晶体管集成在只有数平方厘米的芯片上。这就导致单位面积上的热流密度显著上升。为了保证电子芯片的可靠安全运行，必须及时将该高热流散发出去。
微通道内单相/两相流动换热是一种高效的散热技术。由于比表面积大，具有传热系数高的特点。但单相/两相流动换热技术也存在各自的缺点。由于微通道内为层流流动，热/速度边界层限制了单相流动的换热能力；另一方面，两相流动换热时，由于空间受限，气泡在微通道内流动容易占据整个微通道，进而引发沸腾不稳定性现象，导致“沸腾危机”，影响两相沸腾换热。如果能破坏微通道内流体流动的速度边界层和热边界层；如果能打碎两相流动沸腾时产生的气泡。那么可以预见，微通道内单相/两相流动沸腾换热能力能进一步提高。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种PDMS微通道热沉、PDMS模具、硅模具及其制备方法，微通道热沉通过控制柔性柱摆动，破坏微通道内的热/速度边界层，打碎流动沸腾时长出的气泡，从而强化换热。
为了解决上述问题，本发明提供了一种PDMS微通道热沉，包括封装于一体的PDMS微通道和硅片，所述PDMS微通道内设置有一铁磁性柔性柱阵列，所述铁磁性柔性柱阵列包括多个铁磁性柔性柱，流体介质从一进液孔流入所述PDMS微通道，经所述铁磁性柔性柱阵列后由一出液孔流出。
较佳地，所述铁磁性柔性柱呈圆柱形，其直径为40微米。
较佳地，所述铁磁性柔性柱阵列包括27排27列所述铁磁性柔性柱，所述铁磁性柔性柱间的横排间距为80微米，纵排间距为80微米。
较佳地，所述铁磁性柔性柱上表面与所述PDMS微通道上表面存在一定高度差，所述PDMS微通道上表面高于所述铁磁性柔性柱上表面。
较佳地，所述PDMS微通道的微通道长度、宽度和深度分别为4毫米、2毫米和210微米。
本发明还提供了一种PDMS微通道热沉的制备方法，包括如下步骤：将未固化的Fe3O4和PDMS混合物搅拌均匀后倒入一PDMS模具，静置一定时长后进行烘烤加热，使Fe3O4和PDMS混合物固化形成一PDMS微通道，其中，所述PDMS模具包括一PDMS基板，所述PDMS基板上设置有一凸出部阵列，所述凸出部阵列包括多个凸出部，每个所述凸出部在轴向上设有一凹槽；分离所述PDMS模具和PDMS微通道，所述PDMS微通道内形成一铁磁性柔性柱阵列，所述铁磁性柔性柱阵列包括多个铁磁性柔性柱，所述铁磁性柔性柱为所述未固化的Fe3O4和PDMS混合物流入所述凹槽并固化后形成；将所述PDMS微通道与一硅片键合，形成PDMS微通道热沉。
较佳地，所述凹槽呈圆柱形，其直径为40微米。
较佳地，所述凸出部阵列包括27排27列所述凸出部，所述凸出部间的横排间距为80微米，纵排间距为80微米。
较佳地，所述凹槽底部与所述凸出部底部存在一定高度差，所述凹槽底部高于所述凸出部底部。
较佳地，所述PDMS微通道的微通道长度、宽度和深度分别为4毫米、2毫米和210微米。
本发明还提供了一种PDMS模具，所述PDMS模具包括一PDMS基板，所述PDMS基板上设置有一凸出部阵列，所述凸出部阵列包括多个凸出部，每个所述凸出部在轴向上设有一凹槽。
本发明还提供了一种PDMS模具的制备方法，包括如下步骤：将未固化的二甲基硅氧烷和固化剂均匀混合后倒入一硅模具，并进行烘烤加热，使所述二甲基硅氧烷和固化剂混合物固化形成一PDMS模具，所述硅模具包括一硅基板，所述硅基板上设置有一柱体阵列，所述柱体阵列包括多个柱体；分离所述硅模具和PDMS模具。
本发明还提供了一种硅模具，包括一硅基板，所述硅基板上设置有一柱体阵列，所述柱体阵列包括多个柱体。
本发明还提供了一种硅模具的制备方法，包括如下步骤：在一硅基板上通过深硅刻蚀工艺刻蚀一微通道，并在所述微通道内刻蚀形成柱体阵列，所述柱体阵列的每一个柱体的顶部与所述硅基板上表面的高度形成一定高度差。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明实施例微通道热沉可用于微通道单相液冷和两相流动沸腾散热，为一种主动式散热，方法高效、可靠。
2、本发明实施例微通道热沉制备方法中的硅模具和PDMS模具可反复使用。
3、本发明实施例微通道热沉可广泛应用于微电子芯片散热等领域。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明实施例硅模具结构示意图；
图2为本发明实施例硅模具制备流程示意图；
图3为本发明实施例PDMS模具结构示意图；
图4为本发明实施例PDMS模具制备流程示意图；
图5为本发明实施例微通道热沉结构示意图；
图6为本发明实施例PDMS微通道结构示意图；
图7为本发明实施例PDMS微通道和硅片键合示意图；
图8为本发明实施例微通道热沉打破速度/热边界层强化换热示意图；
图9为本发明实施例微通道热沉打破流动沸腾时产生的气泡强化换热示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的一种PDMS微通道热沉、PDMS模具、硅模具及其制备方法进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
本发明实施例通过MEMS(微机电加工系统)和二次曝光技术制备具有圆柱阵列的硅模具；将配置好且未固化的PDMS(聚二甲基硅氧烷)倒入上述硅模具，经加热固化形成了以PDMS为基材的PDMS模具；再将未固化的Fe3O4/PDMS(聚二甲基硅氧烷)混合物倒入PDMS模具，经加热后形成具有铁磁性的柔性柱微通道。对含有柔性柱的微通道和硅片进行表面氧离子体处理后键合，并经高温烘烤，最终形成了能被磁场驱动而摆动的铁磁性柔性柱微通道热沉。硅模具、PDMS模具及微通道热沉的结构及其制备方法请参考一下实施例：
实施例一
请参考图1，一种硅模具，包括一硅基板1，所述硅基板上设置有一微通道12，该微通道内设置有一柱体阵列，所述柱体阵列包括多个柱体11。
本实施例中，硅基板为一3英寸硅片，通过深硅刻蚀技术(DRIE)结合二次曝光技术，在硅基板1上刻蚀出一条微通道12，该微通道的长度、宽度、深度分别为4毫米、2毫米和210微米，并在微通道内的中间位置形成具有顺排方式排列(27排27列)的圆柱阵列(这里需要说明的是图1中仅示出一个圆柱，在以下所有附图中均仅示出一个圆柱)，每个圆柱11的直径为40微米，相邻两个圆柱11的横排间距为80微米，纵排间距为80微米(这里横排间距指横排方向上，相邻两个圆柱同一水平面上的圆的圆心间的距离；纵排间距指纵排方向上，相邻两个圆柱同一水平面上的圆的圆心间的距离)，每一个圆柱11的顶部与硅片表面的高度差为10微米。
请参考图2，一种硅模具的制备方法，可用于制备上述硅模具，包括如下步骤：
S11：在一硅基板上通过深硅刻蚀工艺(DRIE)刻蚀一微通道，并在所述微通道内刻蚀形成柱体阵列，所述柱体阵列的每一个柱体的顶部与所述硅基板上表面的高度形成一定高度差。
具体地，在硅基板上通过深硅刻蚀工艺(DRIE)刻蚀一微通道，并在所述微通道内刻蚀形成柱体阵列可通过多次曝光实现，本实施例以二次曝光刻蚀为例对其制备方法进行详细介绍：
取一片3英寸的单抛硅片作为硅基板1，用去离子水和无水乙醇交替清洗两次，并用氮气吹干，以除去硅片表面杂质；
S111：单抛硅片上倾倒光刻胶；
S112：进行光刻工艺，在光刻胶上形成用于在硅片上进行刻蚀的间隙；
S113：通过深硅刻蚀技术(DRIE)在硅片上刻蚀出一条微通道12，微通道的长度、宽度、深度分别为4毫米、2毫米和210微米，且在微通道12内的中间位置形成具有叉排方式排列(27排27列)的圆柱阵列，每个圆柱11的直径为40微米，相邻两个圆柱的横排间距为80微米，竖排间距为80微米；
S114：除去光刻胶，清洗硅片表面；
S115：再次在硅片表面倾倒光刻胶以进行二次曝光；
S116：在光刻胶上用于对微圆柱进行二次曝光的间隙；
S117：对微圆柱部分进行二次深硅刻蚀，使每一个圆柱的顶部与硅片表面的高度差为10微米，即圆柱的高度为200微米；需要说明的是，为了保证柔性柱可靠地摆动起来，应保证微圆柱的高度(H)/直径(D)比尽可能大(建议H/D≥5)，本实施例中，微圆柱的高度/直径比为200微米/40微米＝5；
S118：除去光刻胶5，清洗硅片表面，即形成硅模具。
实施例二
请参考图3，一种PDMS模具，包括一PDMS基板2，所述PDMS基板上设置有一凸出部阵列，所述凸出部阵列包括多个凸出部21，每个所述凸出部在轴向上设有一凹槽211。
请参考图4，一种PDMS模具的制备方法，包括如下步骤：
S21：将未固化的二甲基硅氧烷和固化剂均匀混合后倒入一硅模具，并进行烘烤加热，使所述二甲基硅氧烷和固化剂混合物固化形成一PDMS模具，所述硅模具包括一硅基板，所述硅基板上设置有一柱体阵列，所述柱体阵列包括多个柱体；
具体地，未固化的二甲基硅氧烷和固化剂按质量比10:1的比例进行混合，并经除气后倒入硅模具，烘烤加热方式可为在加热板上90℃烘烤10分钟，硅模具可采用实施例一中的硅模具。
S22：分离所述硅模具和PDMS模具。
分离后形成的PDMS模具复制了硅片上的微通道图形，并且形成与硅模具的圆柱阵列对应的带凹槽211的凸出部阵列。
实施例三
请参考图5和图6，一种PDMS微通道热沉，包括封装于一体的PDMS微通道31和硅片32，所述PDMS微通道的微通道内设置有一铁磁性柔性柱阵列，所述铁磁性柔性柱阵列包括多个铁磁性柔性柱313，流体介质从一进液孔311流入所述PDMS微通道，经所述铁磁性柔性柱阵列后由一出液孔312流出。
本实施例中，所述铁磁性柔性柱阵列包括27排27列所述铁磁性柔性柱313，所述铁磁性柔性柱313间的横排间距为80微米，纵排间距为80微米(这里横排间距指横排方向上，相邻两个圆柱同一水平面上的圆的圆心间的距离；纵排间距指纵排方向上，相邻两个圆柱同一水平面上的圆的圆心间的距离)；所述铁磁性柔性柱313呈圆柱形，其直径为40微米；所述铁磁性柔性柱313上表面与所述PDMS微通道31上表面存在一定高度差，所述PDMS微通道31上表面高于所述铁磁性柔性柱313上表面；所述PDMS微通道31的微通道长度、宽度和深度分别为4毫米、2毫米和210微米。
作为一种实施例，在硅片上设置有模拟热源33。
请参考图7，一种PDMS微通道热沉的制备方法，包括如下步骤：
S31：将未固化的Fe3O4和PDMS混合物搅拌均匀后倒入一PDMS模具，静置一定时长后进行烘烤加热，使Fe3O4和PDMS混合物固化形成一PDMS微通道31，其中，所述PDMS模具包括一PDMS基板，所述PDMS基板上设置有一凸出部阵列，所述凸出部阵列包括多个凸出部，每个所述凸出部在轴向上设有一凹槽；
具体地，在倒入混合物前，用羟丙基甲基纤维素溶液(HPMC)处理PDMS模具，配置质量分数为5-10％的Fe3O4和PDMS混合物，将混合物倒入PDMS模具后在10℃左右的环境下静置24h，保证在倾倒过程中被封在圆柱小孔内的空气充分溢出；本实施例中采用将PDMS模具在加热板上90℃烘烤10分钟的方式使混合物固化；PDMS模具可采用实施例二中的PDMS模具。
本实施例中，所述凸出部阵列包括27排27列所述凸出部，所述凸出部间的横排间距为80微米，纵排间距为80微米；形成的凹槽呈圆柱形，其直径为40微米；所述凹槽底部与所述凸出部底部存在一定高度差，所述凹槽底部高于所述凸出部底部；所述PDMS微通道31的微通道长度、宽度和深度分别为4毫米、2毫米和210微米。
S32：分离所述PDMS模具和PDMS微通道31，所述PDMS微通道31内形成一铁磁性柔性柱阵列，所述铁磁性柔性柱阵列包括多个铁磁性柔性柱313，所述铁磁性柔性柱313为所述未固化的Fe3O4和PDMS混合物流入所述凹槽并固化后形成；
这里，PDMS微通道31的柔性柱阵列的柱体313由Fe3O4和PDMS混合物固化后形成，含有Fe3O4颗粒，因此柱体具有铁磁性，而且，PDMS固化后具有可弯曲的特点，因此，最终可形成了具有铁磁性的柔性柱。
S33：将所述PDMS微通道与一硅片键合，形成PDMS微通道热沉。
具体地，将PDMS微通道和尺寸相当的硅片的表面进行氧等离子体处理，然后手动压合，高温150℃加热2小时，最终即形成具有可被磁场驱动而摆动的铁磁性柔性柱微通道热沉。
如图8和图9所示，PDMS微通道热沉工作时，流体介质从一进液孔311流入所述PDMS微通道31，经所述铁磁性柔性柱阵列后由一出液孔312流出，PDMS微通道31的柔性柱313在外加磁场的驱动下摆动，通过柔性柱313的摆动打破速度/热边界层，打碎流体介质流动沸腾时产生的气泡，达到强化换热的目的，可广泛应用于微电子芯片散热等领域。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种PDMS微通道热沉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将未固化的Fe3O4和PDMS混合物搅拌均匀后倒入一PDMS模具，静置一定时长后进行烘烤加热，使Fe3O4和PDMS混合物固化形成一PDMS微通道，其中，所述PDMS模具包括一PDMS基板，所述PDMS基板上设置有一凸出部阵列，所述凸出部阵列包括多个凸出部，每个所述凸出部在轴向上设有一凹槽；
分离所述PDMS模具和PDMS微通道，所述PDMS微通道内形成一铁磁性柔性柱阵列，所述铁磁性柔性柱阵列包括多个铁磁性柔性柱，所述铁磁性柔性柱为所述未固化的Fe3O4和PDMS混合物流入所述凹槽并固化后形成；
将所述PDMS微通道与一硅片键合，形成PDMS微通道热沉；
所述凹槽底部与所述凸出部底部存在一定高度差，所述凹槽底部高于所述凸出部底部。
2.根据权利要求1所述的PDMS微通道热沉的制备方法，其特征在于，所述凹槽呈圆柱形，其直径为40微米。
3.根据权利要求1所述的PDMS微通道热沉的制备方法，其特征在于，所述凸出部阵列包括27排27列所述凸出部，所述凸出部间的横排间距为80微米，纵排间距为80微米。
4.根据权利要求1所述的PDMS微通道热沉的制备方法，其特征在于，所述PDMS微通道的微通道长度、宽度和深度分别为4毫米、2毫米和210微米。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的PDMS微通道热沉的制备方法制得的PDMS微通道热沉，其特征在于，包括封装于一体的PDMS微通道和硅片，所述PDMS微通道内设置有一铁磁性柔性柱阵列，所述铁磁性柔性柱阵列包括多个铁磁性柔性柱，流体介质从一进液孔流入所述PDMS微通道，经所述铁磁性柔性柱阵列后由一出液孔流出；
所述铁磁性柔性柱呈圆柱形，其直径为40微米；
所述铁磁性柔性柱阵列包括27排27列所述铁磁性柔性柱，所述铁磁性柔性柱间的横排间距为80微米，纵排间距为80微米；
所述铁磁性柔性柱上表面与所述PDMS微通道上表面存在一定高度差，所述PDMS微通道上表面高于所述铁磁性柔性柱上表面；
所述PDMS微通道的微通道长度、宽度和深度分别为4毫米、2毫米和210微米。
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