JP2011530195A - 熱交換構造およびそのような構造を備える冷却デバイス - Google Patents

熱交換構造およびそのような構造を備える冷却デバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、主表面（６）内に形成された止まり孔（８）を備える前記主表面（６）を具備する熱交換構造に関するものであり、孔（８）の内面および孔の外側の前記主表面の表面（１０）はナノ粒子（１２）で覆われ、孔（８）の内側は与えられた液体に関して非湿潤性の特性を有し、孔（８）の間の面の表面（１０）は前記液体に関して湿潤性の特性を有する。

Description

本発明は、改善された熱交換構造、およびそのような構造、例えば、ヒートパイプを備える冷却デバイスに関するものであり、その前記構造物は蒸発器を形成する。
電子コンポーネント、および特に、パワーコンポーネントの小型化では、前記コンポーネントから出る熱を放散するためのデバイスを組み込むことが問題となる。マイクロエレクトロニクスおよびパワーエレクトロニクスの分野では、放散すべき熱流束は次第に高くなってゆき、熱抵抗のなおいっそうの低減を必要とする。放出される熱流束は、多くの場合、１５０〜２００Ｗ／ｃｍ２程度の平均値をとるが、１０００Ｗ／ｃｍ２に達しうる。これらの熱流束密度レベルについては、羽根付き放熱体（ｖａｎｅｄ ｄｉｓｓｉｐａｔｅｒｓ）または単相液体系などの、いわゆる受動的冷却法は、引き出される電力に対し限界電力にたちまち達してしまう。
そこで、気液二相流の熱伝達などの他の解決手段が、考えられた。これらの熱伝達を実現する技術は、ヒートパイプ、熱サイフォン、毛細管ループ、または二相流ポンプループ（ｄｉｐｈａｓｉｃ ｐｕｍｐｅｄ ｌｏｏｐｓ）である。冷却されるコンポーネントは、冷却デバイスの冷却領域、つまり、蒸発器上に配置される。
電子コンポーネントを冷却するための１つの解決手段は、コンポーネントのところの熱を吸収し、その熱を外部へ放出するヒートパイプを実現することであり、この解決手段は特に非特許文献１において説明されている。
ヒートパイプを使用することで、放熱体の熱伝導率を高めることが可能になる。ヒートパイプを使用することで、与えられた表面から出た熱出力を二次表面に伝達することが可能になり、多くの場合、放熱のために熱交換が利用しやすくなるか、または熱交換が効率的になる。ヒートパイプは、液体流体がその気体と平衡している閉鎖系である。ヒートパイプは、電子コンポーネントの側面に蒸発器を形成する領域を備え、放散される熱は、蒸気形成を通じて吸収される。蒸発させる発生した蒸気は、ヒートパイプの中心を通り、吸収された熱が蒸気の液化によって排出される凝縮領域へ移動し、したがって熱が放出される。凝縮液は、毛管力のせいで蒸発領域へと戻る。
ヒートパイプは、電子コンポーネントに取り付けるか、またはコンポーネント上に一体化することができ、マイクロエレクトロニクスチップの場合には、これは、シリコン基板上に直接チャネルのアレイを埋め込むことからなり、これにより、熱抵抗を減らす。
他の解決策は、流体が重力によって押しのけられ、蒸発器が凝縮器の下に配置される、熱サイフォンを製作することである。
さらに他の解決策は、モーターシステム、凝縮器、および蒸発器を使用する二相流ポンプシステムである。
したがって、これらの解決策はすべて、冷却されるコンポーネント上に取り付けられるか、または冷却されるコンポーネントの基板内に形成されるコンポーネントと接触する熱交換面を使用し、前記表面はコンポーネント内に発生する熱を引き出すことが意図されている。上で説明されているように、熱を引き出すには、液体の蒸発による相変化を利用する。
この交換面に関する大きな問題は、表面が乾燥する危険性であり、表面が乾燥すると熱交換係数が著しく減少し、したがって排出される熱の量が減少する。次いで、熱交換の温度が上昇し、さらにはコンポーネントの温度も上昇し、次いで、この温度がコンポーネントにとってクリティカルなものとなりうる。
このように乾燥することは、熱交換面に液体が存在しないことに対応しており、これはヒートパイプの場合には過剰に高い熱流束がチャネル内にブロックされた蒸気泡を発生することによって生じる可能性があり、その場合、蒸気泡が表面上にブロックされ、そこにはもはや液体が見られなくなり、熱が引き出されることがなくなる可能性がある。これは、チャネルの内面上に均一に分散されることが意図されている液膜の破裂によっても生じうる。
さらに、湿潤面は非常に良好な沸騰熱伝達能力を有することが示されている。例えば、非特許文献２において、ＴｉＯ２の堆積によって得られる親水性表面の熱交換係数が著しく増大し、その熱流が未処理表面に関してクリティカルなものとなることが示されている。
非特許文献３には、カーボンナノチューブの多少覆われた表面の熱交換特性の研究成果が記載されており、ナノチューブで完全に覆われた表面が部分的に覆われた表面に比べて良好な伝熱能力を有することが観察されている。
非特許文献４には、ミクロ構造とナノ構造とを組み合わせた表面により接触角度を８３°から０°に減らし、臨界熱流束を２００％増やすことが可能であることが示されている。
したがって、超湿潤面は、良好な伝熱能力を得る上で特に効果的であるように思われる。しかし、表面の湿潤性が高まれば高まるほど、蒸気の最初の核を形成するのに要するエネルギーが高くなる。その結果、湿潤面の場合には蒸気泡形成頻度が下がる。
「Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ｆｌａｔ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ｆｏｒ ３Ｄ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ」、Ｌｏｒａ Ｋａｍｅｎｏｖａ、Ｙｖａｎ Ａｖｅｎａｓ、Ｎａｔｈａｌｉｙａ Ｐｏｐｏｖａ、Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｓｃｈａｅｆｆｅｒ、Ｓｌａｖｋａ Ｔｚａｎｏｖａ、１−４２４４−０７５５−９／０７／２００７ ＩＥＥＥ、７８７〜７９２頁 Ｙ．Ｔａｋａｔａ、Ｓ．Ｈｉｄａｋａ、Ｊ．Ｍ．Ｃａｏ、Ｔ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｈ．Ｙａｍａｍｏｔｏ、Ｍ．Ｍａｓｕｄａ、Ｔ．Ｉｔｏ、「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｏｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ」、Ｅｎｅｒｇｙ ３０ （２００５年） ２０９〜２２０頁 Ｓ．Ｕｊｅｒｅｈ、Ｔ．Ｆｉｓｈｅｒ、Ｉ．Ｍｕｄａｗａｒ、「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ａｒｒａｙｓ ｏｎ ｎｕｃｌｅａｔｅ ｐｏｏｌ ｂｏｉｌｉｎｇ」、Ｉｎｔ．Ｊ．ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ５０ （２００７年）４０２３〜４０３８頁 Ｓ．Ｋｉｍ、Ｈ．Ｋｉｍ、Ｈ．Ｄ．Ｋｉｍ、Ｈ．Ｓ．Ａｈｎ、Ｍ．Ｈ．Ｋｉｍ、Ｊ．Ｋｉｍ、Ｇ．Ｃ．Ｐａｒｋ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｂｙ ｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｏｏｌ ｂｏｉｌｉｎｇ」、ＩＣＮＭＭ２００８、２００８年６月２３〜２５日、Ｄａｒｍｓｔａｄｔ、Ｇｅｒｍａｎｙ
そこで、本発明の一目的は、改善された伝熱能力を持つ熱交換デバイス、またはより一般的に、有効性を高めた熱交換構造を実現することである。
すでに述べた目的は、マイクロメートルサイズの表面上に重ね合わされたマイクロメートルサイズの構造とナノメートルサイズの構造を有する表面によって達成され、マイクロメートルサイズの表面はキャビティによって形成され、このキャビティの内面は低い湿潤性の特性を有し、キャビティ間領域は高い湿潤性の特性を有し、表面全体に対するキャビティの内面の比率は低い。
したがって、キャビティの底部および側壁は、蒸気核の生成に有益であり、これらのキャビティは蒸気泡を排出する動作および熱交換面の大半の湿潤を容易にする表面を持つ。
言い換えると、ナノ構造がミクロ構造を覆う構造的不均一性ならびに蒸気核生成を促す疎水性領域と蒸気泡の排出および再湿潤に都合のよい親水性領域とを備える物理化学的不均一性を持つ表面が形成されるということである。
有利には、キャビティの底部および壁は、１５°未満の低湿潤ヒステリシスを有し、さらに、核を形成するための活性化エネルギーを低減する。
有利には、キャビティの分布は、１ｍｍ２当たりキャビティ数が１〜１００個の付近である。
そこで、本発明の主題は、一次面に形成された非貫通孔を備える前記一次面を具備する熱交換構造であり、前記面はミクロ構造を形成する孔を備え、孔の内面および孔の外側の前記一次面の表面はナノ構造を形成するような表面であり、孔の内側は与えられた液体に関して非湿潤性の特性を有し、孔と孔との間の面の表面は液体に関して湿潤性の特性を有する。
好ましい一例において、これらの孔は、１μｍから１０μｍまでの範囲の寸法を有し、孔の個数が１ｍｍ２当たり１個から１ｍｍ２当たり１００個となり、孔の深さが１μｍから１０μｍまでの範囲となるように分布する。
孔の内面は、有利には、低いヒステリシスを有する、例えば、１５°未満である。
ナノ構造は、サイズが１ｎｍから１００ｎｍまでの範囲とすることができるナノ粒子を堆積することによって得られる。
本発明の主題は、蒸発器、凝縮器、および蒸発器において液相から気相へ、凝縮器において気相から液相へ遷移することができる流体を備える冷却システムでもあり、前記蒸発器は本発明による熱交換構造である。これは、ヒートパイプを伴うことがあり、これは液相の流体を凝縮器から蒸発器へ移動する毛細管のアレイである。
本発明の主題は、本発明による冷却システムを備える電子デバイスもしくはマイクロエレクトロニクスデバイスでもあり、冷却システムは前記デバイスの基板上に取り付けられるか、またはそれと一体化される。
本発明の主題は、本発明による冷却システムを備えるオンボードのデバイスもしくは携帯型デバイスでもある。
本発明の主題は、本発明による熱交換構造を製作するための方法でもあり、これは、
ａ）基板上の、または基板内の非貫通孔を備えるミクロ構造を形成する段階と、
ｂ）ミクロ構造上にナノ構造を形成する段階と、
ｃ）孔の内面が非湿潤性であり、孔と孔との間の表面が湿潤性であるように表面の物理化学的処理をする段階とを含む。
一実施形態において、段階ａ）は、
− 犠牲層を基板上に堆積するステップと、
− ハードマスクを犠牲層上に堆積するステップであって、後者は犠牲層の材料に関して高いエッチング選択度を有する、ステップと、
− ポジティブ型樹脂層をハードマスク上に堆積するステップと、
− 孔を印刷し、露出させるステップと、
− ハードマスクを開くステップと、
− 犠牲層をエッチングするステップと、
− 樹脂の層を除去するステップと、
を含む。
例えば、犠牲層は、ＤＬＣ（「ダイヤモンド状炭素」）層である。
ハードマスクは、ＳｉＯ２またはＳｉＣとすることができる。
マスクは、例えば、フッ素化プラズマによって開けることができ、酸化プラズマを使用して犠牲層のエッチングを実行することができる。
段階ｂ）は、例えば、孔の内面および孔間領域から形成されるミクロ構造全体にわたってナノ粒子を堆積させ、ナノ粒子の堆積によってナノ構造表面を形成するステップを含むことができる。
段階ｃ）は、
ｃ１）ナノ構造によって覆われているミクロ構造の表面全体の疎水性処理を行うステップと、
ｃ２）孔間の領域の親水性処理を行うステップと、
を含むことができる。
ステップｃ１）は、例えば、ＳｉＯＣなどの、疎水性材料の薄膜を堆積することによって行われる。
薄膜の厚さは、有利には構造化されていない表面の平均粗さより小さい。
一実施形態では、ステップｃ２）は、疎水性材料を空気に曝し、孔の内面を除いてナノ構造表面に光線、例えば、レーザー光線を当ててスキャンすることによって実行することができる。
他の実施形態では、ステップｃ２）は、疎水性材料を空気に曝し、ナノ構造表面にレーキング紫外線ビーム（ｒａｋｉｎｇ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｂｅａｍ）を当ててスキャンすることによって実行され、前記ビームは孔の内面をスキャンしないように表面に対して傾斜している。
本発明は、以下の説明および添付の図面を使用することによって、より理解が進むであろう。
本発明による熱交換面の断面図であり、図１Ａ’及び図１Ａ”は、図１Ａの詳細図である。 図１Ａの表面の上面図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図であり、図２Ｈ’は、図２Ｈの詳細を示す拡大図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図であり、図２Ｉ’は、図２Ｉの斜視図である。 断面図で示されている本発明による熱交換構造を製作するための異なるステップの概略図である。 本発明による表面上に蒸気泡を形成するための異なるステップの概略図である。 本発明による表面上に蒸気泡を形成するための異なるステップの概略図である。 本発明による表面上に蒸気泡を形成するための異なるステップの概略図である。 本発明による表面上に蒸気泡を形成するための異なるステップの概略図である。 本発明による表面上に蒸気泡を形成するための異なるステップの概略図である。 本発明によるヒートパイプの概略図である。
以下の説明では、蒸発させる液体は水溶液であり、したがって、ここでは、親水性または疎水性の表面を話題とする。しかし、本発明は、水溶液の使用に限定されず、例えば、油の使用も考えられ、この場合は、親油性または疎油性の表面を話題とする。より一般的には、湿潤性または非湿潤性の表面を話題とする。
図１Ａおよび１Ｂは、冷却されるコンポーネントの反対側に配置されることが意図されている一次面６を備え、構造の他の面を貫通しない孔８を備える本発明による熱交換構造２の一部を示す。
示されている例では、この一次面は、平板４によって担持されている。
この構造は、任意の形状の、凹状の、凸状の、または平面、凹面、および／または凸面で構成される一次面を備えることができる。
孔８は、底部８．１および側壁８．２を備える。
示されている例において、孔８は円形部分を有し、ただし、他の形状、特に平行六面体、特に正方形の孔は、本発明の範囲から外れるものではない。
孔を備えていない、孔を囲む面６の残り部分１０は、これ以降、「孔間領域」１０として示される。
典型的には、孔は、１μｍ〜１０μｍの直径を有し、その分布は、およそ１孔／ｍｍ２から１００孔／ｍｍ２である。孔の深さは、１μｍ〜１０μｍである。これらの孔密度およびサイズの条件の下で、疎水性または非湿潤表面の割合は、約１５％未満である。
したがって、孔８はミクロ構造を形成する。
熱交換構造は、面４全体を覆うナノ粒子１２によって形成されるナノ構造も含み、より具体的には、キャビティの底部８．１および側壁８．２はナノ粒子、さらには孔間領域１０で覆われる。ナノ粒子を使用することによって、構造の比表面積を増やすことが可能である。これらは、１〜１００ｎｍの平均直径を有する。
ナノ粒子は、例えば、金属、金属合金、銀、銅、またはＦｅ２Ｏ３、酸化ケイ素、またはポリマーから作られる。
本発明によれば、孔８、より具体的にはそれぞれの孔の底部８．１および壁８．２は、非湿潤性であるか、または与えられた液体１６、例えば、水に関して疎水性の特性を有し、孔間領域１０は、液体１６に関して湿潤性を有する。
底部８．１および孔８．２は、非ナノ構造表面と比べて大きな非湿潤性を有しているが、孔間領域は、非ナノ構造表面と比べて大きな湿潤性を備える。
図４は、蒸発器を形成する本発明による構造２を備えるヒートパイプを示しており、これは凝縮器１３および断熱領域１５も備える。断熱領域１５は、凝縮された液体流体１６を蒸発器へ移動させることによってヒートパイプ用の動力装置として使用される毛細管アレイ１７によって形成される。矢印１９は、蒸気流体１９を記号化したものである。
従来技術と同等の方法において、本発明によるヒートパイプは、冷却されるコンポーネントの表面に関してさまざまな形態（チューブ、コイル）をとりうる。特に、これは、数ミリメートルから数センチメートルまでの範囲の長さを有するが、さまざまな形状（正方形、矩形、三角形、．．．）をとりうるヒートパイプのパイプ部分の寸法は、１ミリメートル以下、より好ましくは１／１０ミリメートル程度の高さである。
次に、図３Ａから３Ｅを使用して、本発明による熱交換構造２から蒸気核を生成するためのプロセスを説明する。
孔間領域１０によって囲まれている孔８は見えている。
液体１６、ここでは、水が、孔と孔間領域を覆っている。
図１Ａ’は、キャビティの底８．１の拡大図を示しており、水はナノ粒子１２の間で空気を捕捉しているナノ粒子の上を覆っている。この図は、カシー超撥水状態に対応している。
図１Ａ”は、親水性孔間領域１０の拡大図を示しており、水はナノ粒子を覆い、ナノ粒子の間の空間を満たしている。この図は、カシー超撥水状態に対応している。
孔８の底部８．１および壁８．２上に堆積されたナノ粒子は、蒸気が液体と平衡している空気を満たされた疎水性核形成部位を形成する。そこで、蒸気核を形成するための活性化エネルギーが低減される。その結果、これらは、親水性表面に比べてより容易であるように思われる。さらに、非常に大きな比表面積のせいで、核形成部位の数が非常に大きい。したがって、多数の蒸気核を生成することが容易になり、これらは、一緒にグループ化することによって、蒸気泡１４の始まりを形成する（図３Ｂ）。
実際には、孔の中の蒸気膜の形成が有利に進む。しかし、これらの孔は、構造の全表面積に関して、したがって、親水性表面に関して比較的小さな表面積を占めており、その表面上の湿潤が促進される。そのため、局部的な乾燥は、冷却されるコンポーネントの温度の上昇を引き起こしえない。
次いで、蒸気泡１４が拡大する（図３Ｃ）。孔間領域は親水性であり、液相気相界面における接触角度θは、９０°より小さい。
蒸気泡は、膨張時に、孔に覆い被さり、孔を囲む孔間領域の部分と接触し、次いで、孔間領域の乾燥の始まりがある。
しかし、毛管現象の力によって、三重点がキャビティの方へ押し戻され、孔間領域の湿潤が確保される。
最後に、蒸気泡が離れる。
次いで、孔８が即座に再湿潤し、これにより、核形成頻度を高めることが可能になる。
孔間空間の親水性の特性により、蒸気泡の離脱と孔間領域の再湿潤が可能になる。熱の引き出しを妨げる蒸気膜の出現がこうして回避される。
本発明によれば、疎水性ナノ構造により核形成が容易に行われるとともに、親水性ミクロ構造により沸騰および再湿潤が容易に行われるようにすることが可能である。
次に、このような熱交換構造を形成するための方法について説明する。
この構造は、基板を構成する材料、例えば、シリコン、アルミニウム、または鋼鉄内に直接形成することできるか、または基板の小さな厚さ部分にあらかじめ堆積されている犠牲層内に形成することができる。
そこで、ＤＬＣ（「ダイヤモンド状炭素」）タイプの犠牲層を使用するこの第２の可能性について詳しく説明する。図２Ａから２Ｉは、異なる製造ステップ中における、孔８における本発明による構造の概略断面図である。
本発明による製造方法には、ミクロ構造化段階、ナノ構造化段階、および物理化学的処理段階の３つの段階があることがわかる。
第１に、ミクロ構造化段階が行われる。
図２Ａは、基板２０、例えば、シリコン、鋼鉄、またはアルミニウムの基板上に犠牲層１８を堆積するための第１のステップを示している。犠牲層１８は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって堆積されうる。
犠牲層１８は、基板上に均一に、かつ一様に、５００ｎｍ〜２μｍの厚さにわたって堆積される。この層は、基板２０の熱伝達を変えない十分な細かさと粘着性を持つように形成される。
犠牲層は、プラズマによりエッチングできることと、その熱的特性との間の適切な妥協点をもたらす材料の薄い層を堆積することによっても形成されうる。この材料は、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、または炭化ケイ素、アルミニウムもしくは銅などの金属とすることができる。
図２Ｂに示されている以下のステップにおいて、ハードマスク２２は犠牲層１８上に堆積される。マスク２２は、例えば、５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する。マスク２２の材料は、犠牲層に関して、より具体的には、酸化プラズマ条件の下でＤＬＣ層に関して、高いエッチング選択度を有する。例えば、このマスクは、酸化ケイ素ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または金属から作られる。マスク２２は、ＰＥＣＶＤでも堆積することができる。
図２Ｃに示されているその後のステップでは、感光性樹脂２４の層が、０．５μｍ〜２μｍの厚さで堆積される。
図２Ｄに示されているその後のステップ中に、従来のレーザーもしくはフォトリソグラフィによって孔８が印刷され、露出される。こうして形成された孔の直径は、１μｍ〜１０μｍである。これらの孔は、すでに説明されているように、任意の形状、例えば、正方形をとることができる。その密度は、１孔／ｍｍ２〜１００孔／ｍｍ２である。孔の寸法は、蒸気泡の成長を可能にする最小の安定した半径である、核形成部位の臨界半径、および水に対するテイラー波長に基づいて選択され、これは数学的には式
Figure 2011530195
および
Figure 2011530195
として表される。
ここで、式中、
− ｒｃは核形成部位の臨界半径であり、
− λＴは水に対するテイラー波長であり、
− σは液体の表面電圧であり、
− ρ１およびρｖはそれぞれ液相と気相の体積質量であり、
− ｈ１ｖは潜熱であり、
− ＴｐおよびＴｓａｔは壁の温度および飽和温度である。
図２Ｅに示されているその後のステップにおいて、ハードマスク２２がフッ素化プラズマによって開けられ、ＤＬＣから作られた犠牲層１８が露出する。
図２Ｆに示されている他のステップ中に、犠牲層１８は、酸化プラズマによってエッチングされる。
図２Ｇに示されているステップ中に、感光性樹脂層２４が、溶剤への浸漬によって除去される。
次いで、ナノ構造化段階が行われ、この段階中に、ナノ粒子１２が、図２Ｆに示されているステップ中に得られた表面上に均一に、かつ一様に堆積される。この堆積は、図２Ｈおよび斜視図としての図２Ｈ’に示されており、ナノ粒子の堆積は、孔８の底部８．１および壁８．２上、ならびに孔間領域１０上に示されている。
ナノ粒子１２は、１ｎｍ〜１５０ｎｍの平均直径を有する。これらの粒子は、異なる技術を使用して堆積されたさまざまな材料から形成されうる。すでに示されているように、これらのナノ粒子は、その後のステップによって引き起こされる湿潤または非湿潤を高めるために、構造の比表面積を増やすことを意図されている。
これらの粒子は、通常の技術を使用して得られたカーボンナノチューブであってもよい。
これらは、Ｍａｎｔｉｓ法（Ｍａｎｔｉｓ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）を使用して堆積された、サイズが１ｎｍ〜１０ｎｍの金属もしくは金属合金のナノ粒子とすることができる。銀、白金、銅、Ｆｅ２Ｏ３ナノ粒子の堆積は、ＤＬＩ法、ＭＯＣＢＶＤ法、またはＭＰＡ法を使用して行うことができる。ナノメートル法を使用するサイズが１００ｎｍ未満である酸化ケイ素またはポリマーの堆積を考えることも可能である。
次に、物理化学的処理段階が行われる。
図２Ｉに示されているステップにおいて、疎水性材料２６の膜が、表面を均一に覆うように十分な厚さで堆積されるが、この材料は、（典型的には１０ｎｍ未満の厚さの）ナノ粒子によって形成される凹凸形状を消すことなく、構造の表面全体にわたって低い湿潤ヒステリシス、好ましくは１５°未満の湿潤ヒステリシスをもたらす。ＳｉＯＣはこのような特性を備える。堆積２６は、孔８のナノテクスチャ化に対して十分に細かく、したがってその役割を果たせる。図２Ｉの拡大図である図２Ｉ’では、ナノ粒子１２は、膜２６で覆われている孔間領域１０上に見えており、この膜が個別にナノ粒子１２をおぼれさせることなく覆い、したがってナノ構造化が保持されることが示されている。
湿潤ヒステリシスが２０°〜４０°ではあるが、テフロン（登録商標）も考慮することができる。
この疎水性層の堆積は、ＰＥＣＶＤによって行うことができる。薄膜２６（図２Ｉにおいて灰色で図式的に示されている）の厚さは、広い比表面積を維持するために、ナノ粒子１２が堆積されている底部８．１および８．２の表面の平均的粗さより小さい。説明のため、図２Ｉに示されているような膜２６の厚さは、実際の厚さに比べてかなり厚い。膜２６は、例示されているのとは反対に、ナノ粒子のそれぞれをおぼれさせることなく覆い、それにより、表面のナノ構造化を維持する。
後のステップ（図２Ｊ）中に、孔間表面１０は、孔の内面の疎水性の特性（図２Ｊに灰色で示されている）を維持しながら、親水性（図２Ｊに正方形で示されている）を備えるように処理される。
この親水性処理は、ＳｉＯＣ膜２６を空気に曝し、光線を当ててスキャンすることによって行うことができ、これにより、その酸化が行われ、親水性官能基、例えば、ＯＨもしくはヒドロキシルが形成される。スキャンするステップは、孔８を含まない。光線は、レーザーとすることができる。
この処理は、レーキング紫外線ビームの下でＳｉＯＣを空気に曝すことによって行うこともでき、これにより、前述のように、親水基が形成される。ビームを傾けることで、孔の内側を酸化反応から保護し、孔の疎水性の能力を保つことが可能になる。
したがって、本発明による熱交換構造は、ヒートパイプ、熱サイフォン、および二相流ポンプシステムなどの、冷却システムにおいて使用されるのに特に適しており、この構造は蒸発器を形成する。
例えば、ヒートパイプの場合、本発明による構造は、凝縮器から蒸発器へ液体を戻すことを意図されている毛細管の底部の一部を形成することができる。
本発明は、著しい流束による冷却の必要性を有し、嵩の大きいことが回避されなければならない分野において使用することができる。
例えば、本発明は、熱流束密度が１０００Ｗ／ｃｍ２に達しうるパワーエレクトロニクスの分野、例えば携帯電話、外部ハードドライブ用のコンポーネントを冷却することを目的として民間および軍用航空宇宙産業、および空間的な産業、およびモバイルシステムなどにおいて、例えばマイクロチップ、オンボード機器を冷却することを目的としてマイクロエレクトロニクス分野に特に適合する。
２ 熱交換構造
４ 平板
６ 一次面
８ 孔
８．１ 底部
８．２ 側壁
１０ 「孔間領域」
１２ ナノ粒子
１３ 凝縮器
１４ 蒸気泡
１５ 断熱領域
１６ 液体
１７ 毛細管アレイ
１８ 犠牲層
１９ 蒸気流体
２０ 基板
２２ ハードマスク
２４ 感光性樹脂層
２６ 疎水性材料

Claims (20)

  1. 一次面（６）に形成された非貫通孔（８）を備える前記一次面（６）を具備する熱交換構造であって、
    前記面（６）はミクロ構造を形成する孔（８）を備え、前記孔（８）の内面および前記孔（８）の外側の前記一次面（６）の表面（１０）はナノ構造を形成するような表面であり、前記孔（８）の内側は所定の液体に関して非湿潤性の特性を有し、前記孔と孔との間の前記一次面（６）の前記表面（１０）は前記液体に関して湿潤性の特性を有する熱交換構造。
  2. 前記孔（８）は、１μｍ〜１０μｍの寸法、１μｍ〜１０μｍの深さを有し、１孔／ｍｍ２〜１００孔／ｍｍ２内となるように前記一次面（６）上に分散される請求項１に記載の熱交換構造。
  3. 前記疎水性表面積と全表面積との比は、約１５％未満である請求項１または２に記載の熱交換構造。
  4. 前記孔（８）の前記内面は、低いヒステリシス、例えば、１５°未満のヒステリシスを有する請求項１、２、または３に記載の熱交換構造。
  5. 前記ナノ構造は、サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍであるナノ粒子（１２）を堆積することによって得られる請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換構造。
  6. 蒸発器、凝縮器、および前記蒸発器において液相から気相へ、前記凝縮器（１３）において気相から液相へ遷移することができる流体を備える冷却システムであって、
    前記蒸発器は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換構造（２）である冷却システム。
  7. 液相の前記流体を前記凝縮器（１３）から前記蒸発器（４）へ移動する毛細管のアレイ（１７）である、ヒートパイプを形成する請求項６に記載の冷却システム。
  8. 請求項６または７に記載の冷却システムを備え、前記冷却システムはデバイスの基板上に取り付けられるか、または前記デバイスと一体化される電子デバイスもしくはマイクロエレクトロニクスデバイス。
  9. 請求項６または７に記載の冷却システムを備えるオンボードデバイスまたは携帯型デバイス。
  10. ａ）基板上に、または基板内に非貫通孔（８）を備えるミクロ構造を形成する段階と、
    ｂ）前記ミクロ構造上にナノ構造を形成する段階と、
    ｃ）前記孔（８）の前記内面が非湿潤性であり、前記孔（８）と孔（８）との間の前記表面（１０）が湿潤性であるように、前記表面の物理化学的処理をする段階と
    を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換構造（２）を形成するための方法。
  11. 前記段階ａ）は、
    − 犠牲層（１８）を基板（２０）上に堆積する段階と、
    − ハードマスク（２２）を前記犠牲層（１８）上に堆積するステップであって、ハード前記マスク（２２）は前記犠牲層（１８）の材料に対して高いエッチング選択度を有する、堆積するステップと、
    − ポジティブ型樹脂層（２４）を前記ハードマスク（２２）上に堆積するステップと、
    − 孔（８）を印刷し、露出させるステップと、
    − 前記ハードマスク（２２）を開口するステップと、
    − 前記犠牲層（１８）をエッチングするステップと、
    − 前記樹脂層（２４）を除去するステップと、
    を含む請求項１０に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  12. 前記犠牲層（１８）は、ＤＬＣ（「ダイヤモンド状炭素」）層である請求項１１に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  13. 前記ハードマスク（２２）は、ＳｉＯ２またはＳｉＣから作られる請求項１１または１２に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  14. 前記マスク（２２）は、フッ素化プラズマによって開口され、前記犠牲層（１８）の前記エッチングは、酸化プラズマを使用して行われる請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  15. 前記段階ｂ）は、前記孔（８）の前記内面および孔間領域（１０）から形成される前記ミクロ構造全体にわたってナノ粒子（１２）を堆積させ、ナノ粒子（１２）の堆積によってナノ構造表面を形成するステップを含む請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  16. 前記段階ｃ）は、
    ｃ１）前記ナノ構造によって覆われている前記ミクロ構造の前記表面全体の疎水性処理を行うステップと、
    ｃ２）前記孔間領域（１０）の親水性処理を行うステップと、
    を含む請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  17. 前記ステップｃ１）は、ＳｉＯＣなどの、疎水性材料の薄膜（２６）を堆積することによって行われる請求項１６に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  18. 前記膜（２６）の厚さは、前記非構造化表面の平均的な粗さより小さい請求項１７に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  19. 前記ステップｃ２）は、前記疎水性材料を空気に曝し、前記孔（８）の前記内面を除いて前記ナノ構造表面に光線を当ててスキャンすることによって実行することができる請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の熱交換構造を形成するための方法。
  20. 前記ステップｃ２）は、前記疎水性材料を空気に曝し、前記ナノ構造表面にレーキング紫外線ビームを当ててスキャンすることによって実行され、前記ビームは前記孔（８）の前記内面をスキャンしないように前記表面に対して傾斜している請求項１９に記載の熱交換構造を形成するための方法。
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