阅读说明：本技术 一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法 (With the enhanced boiling heat transfer micro-structure and its manufacturing method of gradient in a kind of vertical direction ) 是由 张永海 徐鹏卓 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法,包括散热板,散热板上设置有若干方形区块单元,相邻的方形区块单元之间布置有补液通道,每个方形区块单元由若干圈方形微柱组成,同一个方形区块单元内的方形微柱的截面尺寸相同,高度不同,使每个方形区块单元内形成中间高、四周低的梯度分布。本发明能够使得水平方向上的气泡不易合并,增加垂直方向气泡脱离频率,减小高热流密度区域的液体补充阻力。同时,本发明还设置有补液通道,能够在高热流区域及时补充液体,阻止高热流区域的传热恶化。(The invention discloses the enhanced boiling heat transfer micro-structures and its manufacturing method in a kind of vertical direction with gradient, including heat sink, several square blocks units are provided on heat sink, fluid infusion channel is disposed between adjacent square blocks unit, each square blocks unit is made of several rectangular microtrabeculaes of circle, the sectional dimension of rectangular microtrabeculae in the same square blocks unit is identical, and height is different, makes to form intermediate gradient distribution high, surrounding is low in each square blocks unit.The present invention enables to the bubble in horizontal direction to be not easy to merge, and increases vertical direction bubble and is detached from frequency, reduces the liquid supplemental drag in high heat flux density region.Meanwhile the present invention is additionally provided with fluid infusion channel, liquid can be replenished in time in high heat flux regions, prevent the heat transfer deterioration of high heat flux regions.)

一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造 方法

技术领域

本发明属于超高热流密度沸腾强化换热技术，涉及一种适用于超高热流密度微电子器件高效冷却技术，具体涉及一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法。

背景技术

随着电子器件集成化程度不断提高，特征尺寸逐渐减小的同时导致芯片的热流密度越来越高。耗能和散热将成为整个信息产业甚至全球经济性命攸关的大问题。芯片的热控制问题直接影响了电子器件可靠性的改善与集成化的提高，因热导致的失效已经成为微电子器件失效的主要形式。沸腾换热是通过大量汽泡的生成、成长和脱离将工质由液态转换到汽态的一种剧烈汽化过程，与传统的风冷和对流换热相比，换热系数具有量级的差别，因此是一种非常有效的散热方式。由于相变过程中存在大量的潜热，沸腾换热作为一种高效的热传递方式已经广泛应用在电子器件冷却领域并取得显著成效。

沸腾过程中，会产生大量气体，沸腾换热很难避免汽液两相的相互限制，无法达到汽体脱离通道和液体供应通道的绝对分离，在高热流区域，由于液体不能及时补充，也会造成传热性能的恶化，因而也就难以进一步实现超高热流密度的散热。近年来国内外大量学者通过强化表面结构对沸腾传热进行了研究，现有的大多数采用强化沸腾换热的方法是使用增大比表面积、提高汽化核心数目的强化表面，具体的强化表面包括粗糙表面、烧结表面、电镀表面、喷涂表面，微机械加工表面等。其中方柱微结构表面利用相互连通的微通道，可以显著地提高临界热流密度值，并且在高热流密度区沸腾曲线非常陡直，壁面温度较稳定，达到临界热流密度时壁面温度远低于芯片工作的上限温度。但是，这种方柱微结构受其自身微柱的形状以及排列方式所限，会导致液体在微结构方柱之间微通道的流动阻力很大，导致其在高热流密度区的补液比较困难。

发明内容

针对现有强化表面结构对超高热流密度电子器件冷却存在的不足和缺陷，本发明提供一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构及其制造方法。本发明能够使得水平方向上的气泡不易合并，增加垂直方向气泡脱离频率，减小高热流密度区域的液体补充阻力。同时，本发明还设置有补液通道，能够在高热流区域及时补充液体，阻止高热流区域的传热恶化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构，包括散热板，散热板上设置有若干方形区块单元，相邻的方形区块单元之间布置有补液通道，每个方形区块单元由若干圈方形微柱组成，同一个方形区块单元内的方形微柱的截面尺寸相同，高度不同，使每个方形区块单元内形成中间高、四周低的梯度分布。

进一步地，所述方形区块单元呈方形阵列分布在散热板上，且相邻的方形区块单元之间的间距相等，所述方形阵列填充满散热板。

进一步地，散热板的长度和宽度都为L，L＝10mm。

进一步地，每个方形区块单元的长度a等于宽度b，且相邻的方形区块单元之间的距离D为0.1L。

进一步地，所述方形区块单元中的方形微柱的截面长度和宽度都为d，d＝100μm-400μm。

进一步地，所述方形区块单元内的相邻两个方形微柱之间距离为d。

进一步地，每个方形区块单元内的方形微柱由外到内在高度方向上呈阶梯分布，方形微柱的最低高度h₁为60μm，相邻圈层的方形微柱高度差相等，均为0.25d。

一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：根据不同方形微柱的高度制作若干对应不同高度及形状的光刻工艺掩膜图形；

步骤二：将硅芯片经过添加光致抗蚀剂涂层、暴光、干腐蚀以及去除抗蚀剂涂层过程后，将步骤一得到的掩膜图形准确的转移到硅芯片上，通过控制干腐蚀过程的时间，将硅片表面刻蚀出高度相同的方形微柱，所述高度取高度最大值；

步骤三：替换不同高度微结构对应的掩膜图形，加工出不同高度的方形微柱，最终形成在垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明是垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构表面，由于在垂直于散热面的方向上的方形微柱的高度不同，一方面阻碍了同一水平方向的气泡合并，有效限制了高热流密度时气柱的间距及气柱的半径，因此可阻碍高热流密度下气柱间的合并；另一方面，这种设计可以减小流体从光滑区域定向输送至方形微柱区域的流动阻力，使得平行于散热面方向上的液体补充更加充足，从而提高芯片沸腾换热的临界热流密度。由于设置了补液通道，通过及时向高热流区补充新鲜液体，维持高热流密度下的蒸发，进一步提高芯片沸腾换热的临界热流密度，能够满足具备超高临界热流密度芯片的散热需求。

进一步地，方形区块单元能够使换热板上尽可能多得分布方形微柱，更加充分的利用换热板的表面积，增大换热面积，强化换热。方形区块单元呈方形阵列分布在散热板上，这种阵列方式也能够保证换热板面积得到充分利用，进一步增大换热面积，强化换热。

进一步地，相邻的方形区块单元之间设置的补液通道能够向高热流区补充新鲜液体，维持高热流密度下的蒸发，提高热流密度。同一个方形区块单元内部的方形微柱之间设置成相同的间距，也能够实现新鲜液体的及时补充，提高热流密度。

进一步地，同一个方形区块单元内的方形微柱形成中间高、四周低的梯度分布，能够阻碍高热流下气柱合并，也能够减小新鲜液体向方形微柱区域流动时的阻力。

附图说明

图1是本发明的垂直方向上具有梯度的柱状微结构强化元件(4个区块)的三维结构示意图；

图2是本发明的垂直方向上具有梯度的柱状微结构强化元件(4个区块)的平面图；

图3是本发明的垂直方向上具有梯度的柱状微结构强化元件(4个区块)的侧视图。

其中，1、散热板；2、方形区块单元；3、补液通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1至图3，一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构，包散热板1，散热板1上设置有若干方形区块单元2，每个方形区块单元2之间布置有补液通道3，每个方形区块单元2由若干方形微柱组成，同一个方形区块单元2内的方形微柱的截面尺寸相同，高度不同，使得每个方形区块单元2内形成中间高，四周低的梯度分布；将方形区块单元2呈方形阵列分布在散热板1上，散热板1的长度和宽度都为L，取值为10mm。可分4，9和16个方形区块单元2块，每个方形区块单元2完全相同，作为阵列的元素，且阵列的行数与列数相等，方形区块单元2之间的间距相等，阵列可填充满散热板；每个方形区块单元2的长度a等于宽度b，相邻方形区块单元2之间的距离D为0.1L，方形区块单元2中的方形微柱的截面长度和宽度都为d，数值为100μm-400μm，方形区块单元2内的每个方形微柱之间距离为d，每个方形区块单元2内的方形微柱由外到内在高度方向上呈阶梯分布，方形微柱的最低高度h₁为60μm，相邻圈层的方形微柱高度差相等，为0.25d，使得每个方形区块单元2内形成中间高，四周低的梯度分布。

一种垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构表面的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：步骤一：根据不同方形微柱的高度(每个高度相同的方形微柱形成一个圈层，共N个圈层高度)制作M(M＝N)个对应高度及形状的光刻工艺掩膜图形。

步骤二：将硅芯片经过添加光致抗蚀剂涂层、暴光、干腐蚀以及去除抗蚀剂涂层过程后，将步骤一得到的掩膜图形准确的转移到芯片上，通过控制干腐蚀过程的时间，将硅片表面刻蚀出高度相同(取高度最大值)的微柱。

步骤三：替换不同高度微结构对应的掩膜图形，加工出不同高度的微柱，最终形成所需要的在垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构表面。

本发明具有以下特点：阻碍同一水平方向的气泡合并；减小气柱直径从而延迟气柱合并；增加垂直方向气泡脱离频率；设置补液通道提高蒸发液体供应能力；提高临界热流密度。

下面对本发明实施例做详细描述：

本发明在原理上基于“阻碍同一水平方向气泡合并，提高垂直方向上的气泡脱离频率，减小气柱直径，阻碍气柱合并”的强化换热原理，提出一种具有高传热效率，增大临界热流密度的垂直方向上具有梯度的微柱的芯片强化沸腾换热结构。组成部分包括散热板1，长度与宽度都为10mm，以及散热板1上面利用干腐蚀技术加工形成的若干个方形区块单元2。方形区块单元2呈阵列分布在散热板1上，散热板1的长度A等于宽度B。每个方形区块单元2完全相同，作为阵列的元素，且阵列的行数与列数相等，相邻方形区块单元2之间的间距相等，阵列填充满散热板1。各个方形区块单元2之间布置有补液通道3。在每个方形区块单元2内，布置有N个圈层高度的方形微柱结构，所有圈层方形微柱的长度和宽度都为d，各个方形微柱之间的距离都为d，各个方形区块单元2内的方形微柱由外到内在高度方向上呈阶梯分布，最外层的方形微柱高度最低，最低高度h₁为60μm，相邻圈层的方柱高度差相等，为0.25d，使得每个方形区块单元2内形成中间高，四周低的梯度分布。本发明的垂直方向上具有梯度的微结构能有效的限制高热流密度时气柱的大小与气柱间距，并且各个方形区块单元之间的液体补充通道也能够在高热流时提供足够的新鲜液体，因而保证了气泡剧烈产生时不会连接形成气膜，阻塞液体补充，从而提高临界热流密度。

垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构的制造方法，包括如下步骤：

第一步：根据不同高度的方形微柱(N个圈层高度)制作N个对应高度及形状的光刻工艺掩膜图形。

第二步：将硅芯片经过添加光致抗蚀剂涂层、暴光、干腐蚀以及去除抗蚀剂涂层过程后，将步骤一得到的掩膜图形准确的转移到芯片上，通过控制干腐蚀过程的时间，将硅片表面刻蚀出高度相同(取高度最大值)的微柱。

第三步：替换不同高度微结构对应的掩膜图形，加工出不同高度的微柱，最终形成所需要的在垂直方向上具有梯度的强化沸腾换热微结构表面。