CN111001982B - 一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉及制作方法，属于微制造技术领域。通过分别在两片金属铜基板上制作微通道结构，将基板上分别设置的凹槽和凸起结构对准并封装两片基板，形成梳齿式结构的金属铜微通道，每一片基板上微通道的宽度较宽，方便SU‑8胶的去除，并且梳齿式结构的微通道有利于减小对冷却介质的流动阻力。本发明解决了现有的基于UV‑LIGA技术制作的金属铜微通道热沉，因其具有小线宽、大深宽比的特点，一方面在电铸工艺完成后，SU‑8胶难以去除；另一方面小线宽金属铜微通道热沉的流动阻力较大的问题。
Description
技术领域
本发明属于微制造技术领域，涉及一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉及制作方法。
背景技术
目前，金属铜微通道主要通过UV-LIGA、微机械加工、微细电火花加工和微细电解加工等工艺制作。利用微机械加工、微细电火花加工和微细电解加工等工艺制作的金属铜微通道的宽度通常在200μm以上。而基于SU-8胶光刻和微电铸技术的UV-LIGA工艺在保证微通道的图形化精度和结构质量方面具有独特的优势，因此UV-LIGA工艺常用于小线宽、大深宽比、表面粗糙度小和侧壁垂直度高的金属铜微通道的制作。
采用UV-LIGA工艺制作的金属铜微通道具有小线宽和大深宽比的特点，因此具有良好的热传导性能，为高热流密度电子设备“热障”问题提供了新方法，成为近年来受到广泛关注的一项技术。杂志Journal of Micromechanics and Microengineering 2010年，第20卷，第12期，文献号码：125016，基于UV-LIGA工艺以高热传导率的铜为材料，通过SU-8胶光刻和微电铸工艺制作得到宽度为75μm，高度为333μm的金属铜微通道，深宽比约为5。由于微通道宽度较小、深宽比较大，在电铸工艺完成后，出现了SU-8胶难以去除的问题。去胶时采用化学试剂、高温加热、等离子体和熔融盐浴等方法，导致去胶过程复杂、制作成本增加。杂志电子机械工程2019年，第35卷，第4期，第35-38+43页，对金属微通道进行对流换热的数值模拟，结果表明当微通道深宽比一定时，微通道宽度越小，冷却介质的流动阻力越大；50μm微通道的流阻是100μm微通道流阻的11.7倍。冷却介质的流动阻力越大，需要冷却系统提供更多的能量供冷却介质流动，从而会增大冷却系统的成本、限制金属铜微通道热沉的应用。
综上所述，现有的基于UV-LIGA技术制作的金属铜微通道热沉，因其具有小线宽、大深宽比的特点，一方面在电铸工艺完成后，SU-8胶难以去除；另一方面小线宽金属铜微通道热沉的流动阻力较大。
发明内容
为解决金属铜微通道热沉在制作过程中SU-8光刻胶难以去除以及流动阻力大的问题，本发明提出了一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉及制作方法，即分别在两片金属铜基板上制作微通道结构，通过基板上分别设置的凹槽和凸起结构对准并封装两片基板，形成梳齿式结构的金属铜微通道，每一片基板上微通道的宽度较宽，方便SU-8胶的去除，并且梳齿式结构的微通道有利于减小对冷却介质的流动阻力。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉，包括底板1和顶板2。
所述的底板1上设置有凹槽结构3和底板微通道结构4，凹槽结构3环绕底板微通道结构4。所述的顶板2上设置有进口5、出口6、顶板微通道结构7和凸起结构8，进口5和出口6分布在顶板微通道结构7两侧，凸起结构8环绕进口5、出口6和顶板微通道结构7。所述的底板微通道结构4由多个等间隔分布的底板微壁9组成，所述的顶板微通道结构7由多个等间隔分布的顶板微壁10组成，所述底板微壁9和顶板微壁10的宽、高和间隔均为微米尺度。
所述的底板1和顶板2通过凹槽结构3和凸起结构8进行密封连接，底板微通道结构4和顶板微通道结构7互相插入并互不接触，底板微壁9、顶板微壁10交错布置，形成梳齿式结构11。
所述的凸起结构8的宽度小于凹槽结构3的槽宽，凹槽结构3和凸起结构8采用扩散焊接的方式连接。
所述的底板1和顶板2的材料为铜。
换热过程为：底板1背面贴在热源上，冷却剂水通过进口5流入，流经梳齿式结构11，与微通道热沉进行热量交换后，经由出口6流出，完成换热过程。
一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉的制作方法，包括以下步骤：
(1)分别在所述的底板1和顶板2上制作SU-8光刻胶微结构，通过基板研磨、抛光、匀胶，光刻胶曝光、显影等标准工艺，实现胶膜图形化，露出导电基底；
(2)分别在制作有SU-8光刻胶微结构的所述的底板1和顶板2上进行铜的微电铸加工，在所述的底板1上电铸加工出所述的凹槽结构3和底板微通道结构4，在所述的顶板2上电铸加工出所述的凸起结构8和顶板微通道结构7；
(3)使用SU-8去胶液去除所述的底板1和顶板2上的SU-8光刻胶微结构；
(4)在所述的顶板2上应用线切割加工方式加工出所述的进口5、出口6；
(5)将所述的凹槽结构3和凸起结构8装配并采用扩散焊接处理，完成金属铜微通道热沉的制作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉及制作方法。分别在两片金属铜基板上制作铜微通道，将两片基板焊接在一起，微通道间形成梳齿式结构，每一片基板上的微通道宽度较大，铜的微电铸工艺完成后SU-8光刻胶去除方便，从而解决了金属铜微通道热沉在电铸工艺完成后SU-8光刻胶难以去除的问题。
(2)具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉与使用单片基板制作的金属铜微通道热沉相比，当微通道宽度相同时，具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉对冷却介质的流动阻力小于使用单片基板制作的金属铜微通道热沉。
附图说明
图1为本发明中底板的三维视图；
图2为本发明中底板微通道结构的局部放大视图；
图3为本发明中顶板的三维视图；
图4为本发明中顶板微通道结构的局部放大视图；
图5为本发明中底板与顶板装配后的总体视图；
图6为本发明中梳齿式结构的局部示意图；
图中：1底板；2顶板；3凹槽结构；4底板微通道结构；5进口；6出口；7顶板微通道结构；8凸起结构；9底板微壁；10顶板微壁；11梳齿式结构。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1，2所示，底板1材料为铜，通过线切割工艺制作成6cm×6cm×0.5cm的长方体基板。通过基板研磨、抛光、匀胶，光刻胶曝光、显影等标准工艺，实现胶膜图形化，露出导电基底。在制作有SU-8光刻胶微结构的所述的底板1上进行铜的微电铸加工，加工出凹槽结构3和底板微通道结构4，凹槽结构3槽宽1.75mm，高0.5mm，底板微通道结构4由100个底板微壁9组成，每个底板微壁9长2cm，宽100μm，高500μm，相邻底板微壁9之间间距为400μm。使用SU-8去胶液去除所述的底板1上的SU-8光刻胶微结构，由于相邻底板微壁9之间的间距大，深宽比小，所以SU-8光刻胶微结构去除容易。
如图3，4所示，顶板2材料为铜，通过线切割工艺制作成6cm×6cm×0.5cm的长方体基板。通过基板研磨、抛光、匀胶，光刻胶曝光、显影等标准工艺，实现胶膜图形化，露出导电基底。在制作有SU-8光刻胶微结构的所述的顶板2上进行铜的微电铸加工，加工出顶板微通道结构7和凸起结构8，凸起结构8宽1.6mm，高0.25mm，顶板微通道结构7由99个顶板微壁10组成，每个顶板微壁10长2cm，宽100μm，高600μm，相邻顶板微壁10之间间距为400μm。使用SU-8去胶液去除所述的顶板2上的SU-8光刻胶微结构，由于相邻顶板微壁10之间的间距大，深宽比小，所以SU-8光刻胶微结构去除容易。去胶之后通过线切割工艺在顶板微通道结构7两侧切割出形状为半径3mm的圆形的进口5和出口6。
如图5，6所示，底板1和顶板2通过凹槽结构3和凸起结构8采用扩散焊接的方式连接在一起，完成具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉的制作。底板微通道结构4和顶板微通道结构7互相插入并互不接触，形成如图6所示的梳齿式结构11，作为本发明的散热通道，梳齿式结构11中相邻底板微壁9和顶板微壁10间距为150μm，小于底板1和顶板2上微通道的线宽400μm，并且不存在小线宽SU-8光刻胶微结构不方便去除的问题。换热过程：底板1背面贴在热源上，冷却剂水通过进口5流入，流经梳齿式结构11，与微通道热沉进行热量交换后，经由出口6流出，完成换热过程。
与使用单片基板制作的微通道线宽150μm，高600μm的金属铜微通道热沉相比，梳齿式结构的金属铜微通道热沉的制作过程中，底板1和顶板2的微通道线宽大，深宽比小，所以SU-8光刻胶去除容易。并且梳齿式结构金属铜微通道热沉的进出口压降为92.9kPa，仅为使用单片基板制作的微通道热沉的进出口压降210kPa的44.2％，即把进出口压降降低了55.8％。因此梳齿式结构的金属铜微通道热沉能够有效地减小对冷却介质的流动阻力。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉的制作方法，其特征在于，所述的制作方法基于金属铜微通道热沉实现，所述金属铜微通道热沉包括底板(1)和顶板(2)；所述的底板(1)上设置有凹槽结构(3)和底板微通道结构(4)，凹槽结构(3)环绕底板微通道结构(4)；所述的顶板(2)上设置有进口(5)、出口(6)、顶板微通道结构(7)和凸起结构(8)，进口(5)和出口(6)分布在顶板微通道结构(7)两侧，凸起结构(8)环绕进口(5)、出口(6)和顶板微通道结构(7)；所述的底板微通道结构(4)由多个等间隔分布的底板微壁(9)组成，顶板微通道结构(7)由多个等间隔分布的顶板微壁(10)组成，其中，底板微壁(9)和顶板微壁(10)的宽、高和间隔均为微米尺度；所述的底板(1)和顶板(2)通过凹槽结构(3)和凸起结构(8)进行密封连接，底板微通道结构(4)和顶板微通道结构(7)互相插入并互不接触，底板微壁(9)、顶板微壁(10)交错布置，形成梳齿式结构(11)；所述的制作方法包括以下步骤：
1)分别在底板(1)和顶板(2)上制作SU-8光刻胶微结构，通过基板研磨、抛光、匀胶，光刻胶曝光、显影标准工艺，实现胶膜图形化，露出导电基底；
2)分别在制作有SU-8光刻胶微结构的底板(1)和顶板(2)上进行铜的微电铸加工，在底板(1)上电铸加工出凹槽结构(3)和底板微通道结构(4)，在顶板(2)上电铸加工出凸起结构(8)和顶板微通道结构(7)；
3)使用SU-8去胶液去除底板(1)和顶板(2)上的SU-8光刻胶微结构；
4)在顶板(2)上应用线切割加工方式加工出进口(5)、出口(6)；
5)将凹槽结构(3)和凸起结构(8)装配并采用扩散焊接处理，完成金属铜微通道热沉的制作。
2.根据权利要求1所述的一种具有梳齿式结构的金属铜微通道热沉的制作方法，其特征在于，所述的底板(1)和顶板(2)的材料为铜。
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