CN111834309A - 混合润湿性微纳复合强化换热结构及该结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，包括散热基片，散热基片刻蚀有多个方形的微圆柱阵列单元和设置在所述微圆柱阵列单元之间的凹槽通道，微圆柱阵列单元包括多个整齐排列的微圆柱，所述凹槽通道及微圆柱上均设置有纳米线，纳米线的直径为200nm‑500nm，所述纳米线的高为10μm。本发明还公开了一种混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法。本发明采用的微圆柱阵列单元和纳米线结构能有效增强高热流密度沸腾换热系数，延缓沸腾干烧现象。

Description

混合润湿性微纳复合强化换热结构及该结构的制备方法

技术领域

本发明属于电子器件热控制技术领域，具体涉及一种混合润湿性微纳复合强化换热结构及该结构的制备方法。

背景技术

伴随着微电子机械技术的高速发展，电子器件的微型化和集成化成为必然趋势，单位容积的发热量不断增大，微小空间高功率器件散热成为急需解决的问题。

沸腾换热作为一种相变换热方式，与传统的风冷和液体单相对流相比，换热系数具有数量级的差别，是一种非常有效的散热方式。然而高热流密度时沸腾换热性能往往严重恶化，其根本原因在于沸腾汽泡难以脱离并相互合并形成气膜从而阻碍液体供应和蒸发，最终导致电子器件失效。

通过发明人的研究，发现沸腾换热性能很大程度上取决于换热表面的物化特性，比如润湿性、粗糙度、有效换热面积、汽化核心数目、毛细吸液能力等。通过在换热表面加工微/纳米结构或调控表面亲/疏水润湿性能可显著改变换热面物化特性，有效强化沸腾换热性能。然而，现有通过调控表面润湿性实现强化换热的研究大都基于二维光滑表面，只关注了亲疏水润湿性能对换热的影响，而忽略了表面微纳结构的影响；同样地，微纳复合结构强化换热研究中，主要关注了表面微纳结构对换热的影响，而没有考虑亲疏水润湿性能这一重要因素，使得其对高热流密度池沸腾换热性能的提升非常有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，促进了合并大汽泡的及时脱离，同时加快了蒸发液体的补充，从而提高了高热流密度下的沸腾换热系数，推迟了临界热流密度的发生。

为实现上述目的，发明采用的技术方案是：一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，包括散热基片，所述散热基片表面刻蚀有多个方形的微圆柱阵列单元和设置在所述微圆柱阵列单元之间的凹槽通道，所述微圆柱阵列单元包括多个整齐排列的微圆柱，所述凹槽通道和微圆柱上均设置有纳米线，所述纳米线的直径为200nm-500nm，所述纳米线的高度为10μm。

上述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述微圆柱的顶部设置有聚四氟乙烯涂层。

上述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述微圆柱阵列单元的边长为0.7mm。

上述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述凹槽通道的宽度为0.3mm。

上述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述微圆柱的直径为38.22μm，所述微圆柱的高度为60μm，相邻两个微圆柱的柱间中心距为60μm。

上述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述散热基片为硅片，所述纳米线为硅纳米线。

本发明还公开了一种上述的混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

加工微圆柱阵列和凹槽通道：采用干式腐蚀工艺，在散热基片表面加工出微圆柱阵列和凹槽通道；

加工纳米线：采用两步法湿法腐蚀技术加工纳米线。

本发明还公开了一种上述的混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

加工微圆柱阵列和凹槽通道：采用干式腐蚀工艺，在散热基片表面加工出微圆柱阵列和凹槽通道；

加工纳米线：采用两步法湿法腐蚀技术加工纳米线。

加工聚四氟乙烯涂层：采用磁控溅射技术，在微圆柱的顶部加工聚四氟乙烯涂层。

上述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法，其特征在于，所述采用两步法湿法腐蚀技术加工硅纳米线结构包括如下步骤：

步骤一、在微圆柱的顶部、底部及凹槽通道的表面均刻蚀出均匀的纳米线；

步骤二、在微圆柱侧面刻蚀出均匀的纳米线。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明所采用的微圆柱阵列单元、凹槽通道以及硅纳米线结构能有效分离气液通道，促进合并大汽泡的及时脱离并加快蒸发液体的补充，提高高热流密度下的沸腾换热系数，推迟沸腾干烧现象的发生。

2、本发明采用微机械加工方法在电子硅片表面刻蚀形成的圆柱微结构阵列、凹槽通道以及硅纳米线具有一定的机械强度和化学稳定性，并且当换热面积相同时，圆柱微结构的换热性能要好于方柱微结构，且临界热流密度最大提高了13％，硅纳米线表面相比于光滑表面在核态沸腾换热区具有更低的壁面过热度，并且临界热流密度最大提高了45％。

3、本发明通过在微圆柱顶部加工聚四氟乙烯涂层，使微柱顶部的纳米线结构呈超疏水性，而保持凹槽通道、微圆柱底部及侧面硅纳米线结构的超亲水性。该结构可在提高高热流密度沸腾换热系数的同时提高临界热流密度，具有高效的强化换热效果。

4、本发明解决了MEMS工艺不易在微结构侧面加工纳米结构的问题，解决了换热结构超疏水性在高温下的失效问题，并且在微纳复合结构表面实现了超亲疏水润湿性能的调控，可以使芯片在高热流密度下仍进行高效的相变换热过程，以此确保电子器件在超高热流密度下的稳定可靠运行。

下面通过附图和实施例，对发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明混合润湿性微纳复合强化换热结构的俯视图。

图2为图1的A处放大图。

图3本发明单个微圆柱的结构立体图。

图4本发明单个微圆柱的剖视图。

图5为图4的B处放大图。

附图标记说明:

1—散热基片； 2—微圆柱阵列单元； 2-1—微圆柱；

2-2—纳米线； 3—凹槽通道； 4—聚四氟乙烯涂层。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

如图1至图3所示，本发明提供了一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其包括散热基片1，所述散热基片1表面刻蚀有多个方形的微圆柱阵列单元2和设置在所述微圆柱阵列单元2之间的凹槽通道3，所述微圆柱阵列单元2包括多个整齐排列的微圆柱2-1，所述凹槽通道3和微圆柱2-1上均设置有纳米线2-2，所述纳米线2-2的直径为200nm-500nm，所述纳米线2-2的高度为10μm。

当换热面积相同时，本发明的微圆柱2-1的换热性能要好于方微柱结构，且提高了临界热流密度，临界热流密度最大提高了13％，纳米线表面相比于光滑表面在核态沸腾换热区具有更低的壁面过热度，并且临界热流密度最大提高了45％，能有效增强沸腾换热系数并延缓沸腾干烧现象。

如图4和图5所示，所述微圆柱2-1的顶部设置有聚四氟乙烯涂层4。

本发明通过在微圆柱2-1顶部加工聚四氟乙烯涂层4，使微圆柱2-1顶部的纳米线2-2结构呈超疏水性，而凹槽通道3、微圆柱2-1底部及侧面纳米线2-2结构具有超亲水性。该结构具有高效换热性能：汽泡在超疏水微柱顶部富集的汽化核心处生成、长大、聚合形成合并汽泡，随后滑移到超亲水的凹槽通道3，在凹槽通道3道内合并汽泡相互聚合并最终脱离换热表面；同时，在微圆柱2-1的底部和侧面超亲水纳米结构毛细芯吸作用下，凹槽通道3内的液体将通过相互连通的圆柱微结构通道不断被输送至微圆柱2-1的顶部汽液界面进行蒸发换热，使汽泡体积逐渐增大。此外，超亲水的凹槽通道3内液体充足，即使合并汽泡在此汇集也不会出现局部温度过高的现象；汽泡在微圆柱2-1顶部生成长大，由于其底部有充足的液体供应，也不会引起微圆柱2-1区域局部温度过高。因而，混合润湿性微纳复合强化换热结构表面可显著提高高热流密度下的沸腾换热性能。

本实施例中，所述微圆柱阵列单元2的边长0.7mm。

本实施例中，所述凹槽通道3的宽度为0.3mm。

本实施例中，所述微圆柱2-1的直径为38.22μm，所述微圆柱2-1的高为60μm，相邻两个微圆柱2-1的柱间中心距为60μm。

本实施例中，所述散热基片1为硅片。所述纳米线2-2为硅纳米线。

本发明还提供了一种混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法，其包括如下步骤：

加工微圆柱阵列2和凹槽通道3：采用干式腐蚀工艺，在散热基片1表面加工出微圆柱阵列2和凹槽通道3。

具体的，通过干式腐蚀工艺在散热基片1表面刻蚀微圆柱阵列单元2，所述微圆柱阵列单元2由直径为38.22μm、高为60μm、柱间中心距为60μm的微圆柱2-1整齐排列而成，所述微圆柱阵列单元2整体外形为方形，其边长0.7mm。相邻的所述微圆柱阵列单元2之间便是所述凹槽通道3，所述凹槽通道3的宽为0.3mm，所述凹槽通道3也由干腐蚀形成。具体制作过程为：制作掩模板，其尺寸与微圆柱结构一致；在硅表面喷凃抗蚀凃层、通过掩膜板曝光除去无用部分的抗蚀涂层；最后利用深反应离子刻蚀微圆柱阵列单元2和凹槽通道3。干式腐蚀工艺具有各向异性的腐蚀特性，能够精确的控制凸台的柱状机构，不会出现侧凹腐蚀现象。

加工纳米线2-2：采用两步法湿法腐蚀技术加工纳米线2-2；其包括：步骤一、在微圆柱2-1顶部、底部及凹槽通道3表面刻蚀出均的纳米线2-2；步骤二、在微圆柱2-1侧面刻蚀出均匀的纳米线2-2。

具体的，所述纳米线2-2的直径为200-500nm，高为10μm。具体制作过程为：第一步，将试样置于HF/AgNO₃溶液，在微圆柱顶部、底部及凹槽通道3表面刻蚀出均匀的纳米线结构；第二步，将试样置于HF/H₂O₂溶液，在微圆柱侧面刻蚀出均匀的硅纳米线结构。

加工聚四氟乙烯涂层4：采用磁控溅射技术，在微圆柱2-1顶部加工聚四氟乙烯涂层4；

具体的，先加工只露出微圆柱2-1顶部的掩膜板，然后采用磁控溅射技术在微圆柱顶部加工聚四氟乙烯涂层4，由于聚四氟乙烯涂层4的作用，使得微圆柱2-1顶部的纳米线2-2呈超疏水性，没有涂层的部分如，凹槽通道3、微圆柱2-1底部及侧面纳米线结构具有超亲水性。由于超亲水纳米线产生的毛细力为蒸发液体提供流动动力，使得凹槽通道3内的液体通过相互连通的圆柱微结构通道不断被输送至微柱顶部汽液界面进行蒸发换热，及时带走热量，有效降低高热流密度下的壁面温度并推迟临界热流密度的发生。同时，聚四氟乙烯凃层可有效解决换热结构超疏水性在高温下失效的问题。

在正常工作时，所述微圆柱阵列单元2和微圆柱阵列单元2与凹槽通道3的交界线处汽化核心密集，复合表面的特殊性使得汽泡易在凹槽通道3内聚集，增加了汽泡间的合并，同时汽泡受到向上的通道压力而加速脱离，提高了汽泡的脱离频率；凹槽通道3内液体供给充足，即便汽泡多在此汇集也不会产生局部温度过高的现象，有效避免壁面温度不均的现象，并显著提高临界热流密度。

本发明一方面通过微圆柱结构，增加有效换热面积，提供更多有效的汽化核心；一方面微圆柱和凹槽通道的亲疏水性，可保证大尺寸合并汽泡的及时脱离，以及微圆柱结构阵列内汽泡下方的液体补给。与此同时，上述设计的材料、加工方式都源自芯片集成工艺，便于实现该结构在电子器件集成散热中的应用。

以上所述，仅是发明的较佳实施例，并非对发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，包括散热基片(1)，所述散热基片(1)表面刻蚀有多个方形的微圆柱阵列单元(2)和设置在所述微圆柱阵列单元(2)之间的凹槽通道(3)，所述微圆柱阵列单元(2)包括多个整齐排列的微圆柱(2-1)，所述凹槽通道(3)和微圆柱(2-1)上均设置有纳米线(2-2)，所述纳米线(2-2)的直径为200nm-500nm，所述纳米线(2-2)的高度为10μm。

2.按照权利要求1所述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述微圆柱(2-1)的顶部设置有聚四氟乙烯涂层(4)。

3.按照权利要求2所述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述微圆柱阵列单元(2)的边长为0.7mm。

4.按照权利要求2所述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述凹槽通道(3)的宽度为0.3mm。

5.按照权利要求2所述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述微圆柱(2-1)的直径为38.22μm，所述微圆柱(2-1)的高度为60μm，相邻两个微圆柱(2-1)的柱间中心距为60μm。

6.按照权利要求1-5中任一项权利要求所述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构，其特征在于，所述散热基片(1)为硅片，所述纳米线(2-2)为硅纳米线。

7.一种如权利要求1所述的混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

加工微圆柱阵列(2)和凹槽通道(3)：采用干式腐蚀工艺，在散热基片(1)表面加工出微圆柱阵列(2)和凹槽通道(3)；

加工纳米线(2-2)：采用两步法湿法腐蚀技术加工纳米线(2-2)。

8.一种如权利要求2所述的混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

加工微圆柱阵列(2)和凹槽通道(3)：采用干式腐蚀工艺，在散热基片(1)表面加工出微圆柱阵列(2)和凹槽通道(3)；

加工纳米线(2-2)：采用两步法湿法腐蚀技术加工纳米线(2-2)。

加工聚四氟乙烯涂层(4)：采用磁控溅射技术，在微圆柱(2-1)的顶部加工聚四氟乙烯涂层(4)。

9.按照权利要求7或8所述的一种混合润湿性微纳复合强化换热结构的制作方法，其特征在于，所述采用两步法湿法腐蚀技术加工硅纳米线结构包括如下步骤：

步骤一、在微圆柱(2-1)的顶部、底部及凹槽通道(3)的表面均刻蚀出均匀的纳米线(2-2)；

步骤二、在微圆柱(2-1)的侧面刻蚀出均匀的纳米线(2-2)。

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