CN113825365B - 一种强化沸腾传热的分层式微纳复合结构及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化沸腾传热的分层式微纳复合结构及其加工方法，分层式微纳复合结构包括硅基板、硅基板上生长的柱形微结构以及柱形微结构顶面四周的纳米空穴。该复合结构以阵列式排布的柱形微结构为基础，能有效提高热流密度区的液体补给速度；在柱形微结构顶面四周生成的纳米空穴，能有效提高汽化核心密度，从而提高沸腾传热系数。纳米尺度空穴仅分布在柱形微结构顶面的四周，有效防止高热流密度区气泡在柱形微结构底部的大面积横向合并，有效延缓传热恶化的发生，并保证液体补给能力不会因为纳米结构的引入而遭到削弱。通过干腐蚀法一次加工成型分层式微纳复合结构，实现微结构的精确调控，该加工方法操作简单且制造成本较低。

Description

一种强化沸腾传热的分层式微纳复合结构及其加工方法
技术领域
本发明属于相变强化传热技术领域，涉及一种适用于沸腾传热强化的技术，具体涉及一种强化沸腾传热的分层式微纳复合结构及其加工方法。
背景技术
沸腾传热作为一种十分高效的散热方式，广泛应用于航空航天、军事设备、大功率LED灯以及集成电路等超高热流密度器件的散热当中。然而，随着电子器件的集成度和性能的不断提高，超高热流密度器件的热流密度在不断攀升，对沸腾传热技术也不断提出新的挑战。因此，沸腾传热的强化，包括降低换热壁面温度、提高沸腾换热系数和临界热流密度成为了当下超高热流密度器件散热亟待解决的问题。
微纳加工技术的不断发展极大地促进了强化传热的研究与应用。利用微结构和纳米结构可实现沸腾传热的显著强化。其中微结构对增加换热面的传热面积、提高表面润湿性和毛细芯吸性、调控气泡行为和调节气液不稳定波长等方面具有显著的效果；纳米结构表面则在提高汽化核心密度、增加表面传热面积、提高表面润湿性和毛细芯吸性等方面也存在很大优势。
微结构与纳米结构在传热强化方面虽有一定的共性，但也各自存在独特的优点，因此将微结构和纳米结构复合起来，得到微纳复合结构，是实现微结构和纳米结构优势互补，从而进一步强化沸腾传热性能有效途径。但是目前的微纳复合结构仅实现了微结构和纳米结构的简单复合，导致其在高热流密度区，微结构所形成的槽道中过于密集的气泡反而阻塞会造成液体补给通道的阻塞和传热的恶化，因此很难再取得更进一步的传热强化效果。
此外，很多微结构和纳米结构加工技术存在加工成本高的缺点，而且微结构和纳米结构的加工技术和加工条件通常是不同的，导致微纳复合结构的加工通常需要多种加工技术相结合或者同一加工技术多次重复才能获得，这进一步凸显了微纳复合结构在加工过程中工艺流程的复杂性和加工成本十分高昂的缺点。因此，开发简单、可靠且成本较低沸腾传热强化微纳复合结构加工技术，以实现微结构和纳米结构对沸腾传热的优势互补，从而在微结构表面或者纳米结构表面的基础上进一步实现沸腾传热强化，对解决目前不断提高的超高热流密度器件的散热需求具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目在于提供一种强化沸腾传热的分层式微纳复合结构及其加工方法，得到的微纳复合结构提高了沸腾传热系数，强化了沸腾传热性能，一次加工成型，操作过程简单、加工精度高且成本低廉。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种强化沸腾传热的分层式微纳复合结构，包括硅基板，在硅基板上生长有呈规则阵列式分布的柱形微结构，所述柱形微结构中各柱形横截面尺寸为微米级，在各柱子顶面四周边缘密布有纳米级的纳米空穴。
进一步，所述的硅基板厚度为0.5～1mm。
进一步，所述柱形微结构中的柱形为方柱或者圆柱，方柱柱宽和圆柱直径均为20～100μm，柱高为60～200μm，相邻柱形之间的中心距为方柱柱宽或圆柱直径的1.5～2.5倍。
进一步，所述纳米空穴的直径为200～1000nm，深度为1～5μm。
强化沸腾传热的分层式微纳复合结构的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：根据要求进行掩膜图形的设计
步骤二：采用干法腐蚀工艺在硅片上蚀刻形成微纳复合结构
对硅片进行预处理，涂覆光致抗蚀剂涂层，然后经前烘干、曝光、后烘干、定影、显影、坚膜烘焙、刻蚀以及去除抗蚀剂涂层在硅片上即形成分层式微纳复合结构；
其中坚膜烘焙时间为常规干腐蚀工艺的3～4倍，通过延长坚膜烘焙时间使图案边缘位置光刻胶回流并形成弧度，进而在刻蚀过程中使柱形微结构顶面四周形成纳米空穴。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构以规则的阵列式排布的柱形微结构为基础，可以有效提高换热表面的实际换热面积和液体补给速度，在提高换热系数的同时有效延缓传热恶化的发生，从而提高临界热流密度。在柱形微结构顶面四周生成的纳米空穴，可以显著提高汽化核心密度，从而大幅度降低核态沸腾起始点的壁面过热度并提高沸腾传热系数。
纳米空穴仅分布在柱形微结构顶面的四周，可以实现微结构与纳米结构对沸腾传热强化的优势互补，促进气泡在短时间内在柱形微结构的顶面实现成核、合并和脱离，显著地促进气泡以更小、更快的速度脱离，从而有效防止气泡的大面积横向合并进一步延缓传热恶化的发生。同时，大量的气泡成核、合并和脱离现象被限制在柱形微结构顶面之后，可以有效缓解高热流密度区气泡在柱形微结构之间的微槽道中大量聚集而造成的液体供应受阻的问题，因此此时纳米空穴的引入不仅不会削弱微结构本身的液体补给能力，反而会进一步增强换热面在高热流密度区的液体补给能力，从而进一步显著提高沸腾换热系数，提高换热面的临界热流密度。
本发明的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构通过干腐蚀法加工，可实现微纳复合结构的一次成型，并精确地将纳米空穴复合在柱形微结构顶面的四周，具有操作简单，加工精度高且成本较低的优点。
附图说明
图1是本发明分层式微纳复合结构的三维结构示意图
图2是本发明层式微纳复合结构的加工流程示意图
图3是本发明实施例2分层式微纳复合结构的扫描电子显微镜照片
其中：1、硅基板，2、柱形微结构，3、纳米空穴。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
参见图1和图2，本发明的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构，包括硅基板1，硅基板上生长的柱形微结构2，以及柱形微结构2顶面四周的纳米空穴3。
硅基板的二维几何形状及尺寸与实际发热面的形状和尺寸相同，厚度为0.5～1mm。柱形微结构在硅基板上成规则的阵列式分布，形状为方柱或者圆柱，柱宽或者直径为20～100μm，柱高为60～120μm，相邻柱形微结构之间的中心距为1.5～2.5倍的柱宽或直径。纳米空穴仅分布于柱形微结构顶面的四周，直径为200～1000nm，深度为1～5μm。
本发明通过以微结构为基础，实现纳米结构在微结构表面的顶部四周精确而高质量的复合，从而实现微结构和纳米结构对沸腾传热强化的优势互补的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构。
强化沸腾传热的分层式微纳复合结构的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：根据要求进行掩膜图形的设计
步骤二：对硅片进行预处理、涂覆光致抗蚀剂涂层、前烘干、曝光、后烘干、定影+显影、坚膜烘焙、刻蚀以及去除抗蚀剂涂层等操作。除了坚膜烘焙工序，其余工序均采用常规的干法腐蚀工艺。
本发明所述方法的烘焙时间是常规干腐蚀工艺的3～4倍。从而达到使图案边缘位置光刻胶回流并形成弧度，进而在刻蚀过程中使柱形微结构顶面四周形成纳米空穴3的效果。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
目标：刻蚀柱宽为20μm，柱高为120μm，微柱中心距为60μm的规则排列方柱微结构阵列，同时方柱顶面四棱边上刻蚀纳米尺度的空穴。
步骤一：根据刻蚀目标设计对应的掩膜图案，并进行掩膜的加工。
步骤二：将硅片用HMDS预处理10min；紧接着将其贴于匀胶机上，以600r/min的速度正转6s，随着以4000r/min的速度反转30s，以使光刻胶AZ6130均匀涂覆与硅片正面，涂层厚度为7.5μm；然后将硅片置于100℃的接触式热板上前烘干5min，以获得比较坚固的光刻胶图层。然后将硅片置于MA6光刻机上曝光23s，并置于2.38％TMAH显影液中150s，完成显影过程。检查无误后，进行坚膜烘焙工序，烘焙温度为110℃，时间为20min(注：此工序常规烘焙时间为5min，但是无法在微柱顶面边缘刻蚀出一圈纳米尺度空穴)；坚膜烘焙后，进入刻蚀工序，刻蚀工艺参数为：先刻蚀5min，用台阶仪测试刻蚀速率，测试速率为6μm/min，因此再加刻16min，镜检无明显缺陷后去胶即可。
实施例2
目标：刻蚀柱宽为50μm，柱高为60μm，微柱中心距为100μm的规则排列方柱微结构阵列，同时方柱顶面四棱边上刻蚀纳米尺度的空穴。
步骤一：根据刻蚀目标设计对应的掩膜图案，并进行掩膜的加工。
步骤二：将硅片用HMDS预处理10min；紧接着将其贴于匀胶机上，以600r/min的速度正转6s，随着以1000r/min的速度反转30s，以使光刻胶AZ6130均匀涂覆与硅片正面，涂层厚度为5.2μm；然后将硅片置于100℃的接触式热板上前烘干5min，以获得比较坚固的光刻胶图层。然后将硅片置于MA6光刻机上曝光4.2s，并置于3038显影液中70s，完成显影过程。检查无误后，进行坚膜烘焙工序，烘焙温度为110℃，时间为15min(注：此工序常规烘焙时间为4min，但是无法在微柱顶面边缘刻蚀出一圈纳米尺度空穴)；坚膜烘焙后，进入刻蚀工序，刻蚀工艺参数为：先刻蚀5min，用台阶仪测试刻蚀速率，测试速率为6μm/min，因此再加刻6min，镜检无明显缺陷后去胶即可。
经实验测定，本实施例的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构表面相比相同尺寸下无纳米空穴的常规方柱微结构表面，核态沸腾区的壁面温度降低了5℃，最大沸腾换热系数提高了20％，临界热流密度提高了8％。
实施例3
目标：刻蚀柱宽为100μm，柱高为60μm，微柱中心距为200μm的规则排列方柱微结构阵列，同时方柱顶面四棱边上刻蚀纳米尺度的空穴。
步骤一：根据刻蚀目标设计对应的掩膜图案，并进行掩膜的加工。
步骤二：将硅片用HMDS预处理10min；紧接着将其贴于匀胶机上，以600r/min的速度正转6s，随着以1000r/min的速度反转30s，以使光刻胶AZ6130均匀涂覆与硅片正面，涂层厚度为5.2μm；然后将硅片置于100℃的接触式热板上前烘干5min，以获得比较坚固的光刻胶图层。然后将硅片置于MA6光刻机上曝光4.2s，并置于3038显影液中70s，完成显影过程。检查无误后，进行坚膜烘焙工序，烘焙温度为110℃，时间为16min(注：此工序常规烘焙时间为4min，但是无法在微柱顶面边缘刻蚀出一圈纳米尺度空穴)；坚膜烘焙后，进入刻蚀工序，刻蚀工艺参数为：先刻蚀5min，用台阶仪测试刻蚀速率，测试速率为6μm/min，因此再加刻6min，镜检无明显缺陷后去胶即可。

Claims (5)

1.一种强化沸腾传热的分层式微纳复合结构，其特征在于：包括硅基板（1），在硅基板（1）上生长有呈规则阵列式分布的柱形微结构（2），所述柱形微结构（2）中各柱形横截面尺寸为微米级，仅在各柱子顶面四周边缘密布有纳米级的纳米空穴（3）。
2.如权利要求1所述的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构，其特征在于：所述的硅基板（1）厚度为0.5~1mm。
3.如权利要求1所述的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构，其特征在于：所述柱形微结构（2）中的柱形为方柱或者圆柱，方柱柱宽和圆柱直径均为20~100μm，柱高为60~200μm，相邻柱形之间的中心距为方柱柱宽或圆柱直径的1.5~2.5倍。
4.如权利要求1所述的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构，其特征在于：所述纳米空穴（3）的直径为200~1000nm，深度为1~5μm。
5.权利要求1-4任一项所述的强化沸腾传热的分层式微纳复合结构的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：根据要求进行掩膜图形的设计；
步骤二：采用干法腐蚀工艺在硅片上蚀刻形成微纳复合结构；
对硅片进行预处理，涂覆光致抗蚀剂涂层，然后经前烘干、曝光、后烘干、定影、显影、坚膜烘焙、刻蚀以及去除抗蚀剂涂层在硅片上即形成分层式微纳复合结构；
其中坚膜烘焙时间为20min，通过延长坚膜烘焙时间使图案边缘位置光刻胶回流并形成弧度，进而在刻蚀过程中使柱形微结构顶面四周形成纳米空穴（3）。
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