专利名称：硅基不等宽微槽道平板热管及制备方法
技术领域：
本发明属于微槽道平板热管研究领域，特别涉及一种能利用不等宽微槽道代替等宽微槽道，用以提高毛细极限及平板热管的传热能力的硅基不等宽微槽道平板热管及制备方法。
背景技术：
微槽道平板热管是传统热管不断小型化发展的结果，用以解决电子芯片热流密度日益增加的问题，在科学研究和应用领域倍受关注。微槽道平板热管是一种基于毛细现象和相变原理进行传热的新型传热元件，它与传统的散热系统传热方式相比，具有体积小、运行平稳、效率高、无机械动力部件等优点。自上世纪90年代以来，研究人员对微槽道平板热管的传热性能进行了大量的研究。1944年，R.S. Gaugler提出重力型热管，其基本工作原理是热管蒸发段受到外界加热，热量通过热管管壁及液态工质传递到汽液分界面，使蒸发段内汽液分界面上的液态工质蒸发，从而使蒸汽腔内产生压差，蒸汽在压差的作用下由蒸发段流向冷凝段，并在冷凝段内的汽液分界面上凝结并释放出热量。热量通过液态工质和管壁传给散热装置，凝结后的液体在重力的作用下回流到蒸发段。如此循环不止，实现热量由热管一端至另外一端的连续传递。由于热管内的液态工质通过相变、气体流动传输热量，因而其传导系数高，均温效果好。1963年，美国Los Alamos国家实验室G.M. Grover发明了这种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过已知的任何金属。1965年，Cotter在对热管进行大量的研究之后，提出了一整套的热管理论，也成为现代热管理论的基础。随着热管理论的不断发展，热管结构研究也逐渐由重力型向毛细型转变。由于采用吸液芯的毛细作用作为液体回流机制，摆脱了重力的制约，吸液芯热管开始在航空领域得到应用。随着电子器件集成化和微型化的发展，1984年Cotter提出了较为完整的微热管理论，为微热管的研究与应用奠定了理论基础。从大型热管到微热管的改变不仅仅是外形尺寸的变化，更重要的是其结构的改变。微热管的结构形状及工作原理与常规热管相似，所不同的是常规热管内部通常存在专门提供毛细力以供工质回流的毛细吸液芯；而微热管则主要依靠槽道尖角区的毛细作用来完成工质的回流。由于微热管省去了提供毛细力以供工质回流的毛细吸液芯，大大减小了系统的尺寸，同时也降低了能耗和试剂用量。自Cotter在1984年第五届国际热管会议上提出微热管的概念后，微热管的理论分析和实验研究得到了长足的发展，相应的微热管结构也发生了很大的变化。从单根的微热管发展到在固体基板上开出一簇微细沟道形成微型热管阵列，大大提高了热管的传热能力。此后，又出现了蒸汽腔互相连通的微槽平板热管结构，有效地降低了热管内蒸汽对液体的反向流动所产生的界面摩擦力，使热管的最大传热量显著提高，这种微槽道平板热管成为近年的研究热点。随着硅微加工技术的发展，越来越多的微型热管以硅片为基体材料，通过各种腐蚀技术或等离子刻蚀技术制作沟道。1999年，R. Hopkins等人对三种轴向沟道的铜-水平板热管在不同工作温度下的传热量、轴向温度分布和热阻进行了理论和实验研究，发现毛细极限在一般情况下限制着微型平板热管的传热性能。2008年，Jian QiuHuiying ■等人把功能表面引入微槽道平板热管，此举改变了液态工质与槽道侧壁的接触角，使得毛细压强随接触角呈阶梯状分布。功能表面的引入增加了槽道内热端与冷端的毛细压差，提高了毛细极限，使平板热管的传热能力进一步增强。在平板微热管传热研究中发现，毛细极限是制约热管传热性能的主要因素之一， 而影响毛细力的因素与微槽道的截面形状、液态工质的特性及其与管壳材料的相容性等直接相关，而微槽道的轴向结构也影响毛细力的大小。本发明正是针对提高毛细力问题而提出的。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅基不等宽微槽道平板热管及制备方法，通过改进微槽道的结构，提高平板微热管的毛细极限，以增强平板微热管的传热能力。利用本发明提出的不等宽微槽道平板热管的设计，有望改善大功率微电子芯片所面临的高热流密度散热问题。采用的技术方案提供一种硅基不等宽微槽道平板热管，所述硅基不等宽微槽道平板热管中的微槽道是一簇结构相同、宽度连续变化的微槽道结构。其中，所述微槽道为矩形微槽道或V形微槽道。其中，所述硅基不等宽微槽道平板热管包括两片带有一簇结构相同、宽度连续变化的微槽道结构的硅基片，两片所述的硅基片通过静电封接的方法封接在一起，组合成不等宽微槽道平板热管。其中，在所述两片硅基片之间封装有玻璃环基片，所述玻璃环基片中间通过光刻和化学腐蚀方法形成蒸汽腔。其中，所述硅基片表面通过氧化作用形成一层二氧化硅薄膜。本发明另提供一种硅基不等宽微槽道平板热管的制备方法，包括以下步骤第一步采用光刻和湿法化学腐蚀的方法，将两片硅片刻蚀成具有一簇结构相同、宽度连续变化的微槽道结构的硅基片；第二步利用静电封接的方法将两个硅基片封接在一起，组合成不等宽微槽道平板热管。其中，第二步还包括利用光刻和化学腐蚀方法，制作出尺寸与硅基片相同的中间带有蒸汽腔的玻璃环基片，利用静电封接的方法将玻璃环基片与上下两个硅基片封接在一起，组合成不等宽微槽道平板热管的步骤。其中，在第一步之前还包括将两片尺寸相同的矩形硅基片进行氧化，在硅基片表面形成一层二氧化硅薄膜的步骤。本发明的效果和益处是由于采用了不等宽微槽道结构，使得槽道内液态工质在张力的作用下形成的弯月面曲率半径不再是一个固定的值，而呈现出沿轴向发生连续变化，宽槽道端的弯月面曲率半径大于窄槽道端的弯月面曲率半径。因为微槽道热管的热端一冷端的毛细压差与界面处液态工质的弯月面半径直接相关，弯月面半径梯度变化越大，毛细压差就越大，而毛细压差是导致微槽道内液体回流的主要动力。因此，本发明提出的不等宽微槽道平板热管的设计，从结构上进一步增大了液态工质的弯月面半径沿轴向的梯度变化，使液体内产生较大的压力梯度，从而比常规等宽槽道更有利于液体回流，提高了平板热管的毛细极限，增强了微热板的传热能力。
图1是本发明实施例矩形不等宽微槽道结构示意图。图2是本发明实施例V形不等宽微槽道结构示意图。图3是本发明实施例刻蚀出矩形不等宽微槽道的硅基片剖面结构示意图。图4是本发明实施例刻蚀出V形不等宽微槽道的硅基片剖面结构示意图。图5是本发明实施例腐蚀出微槽道的硅基片示意图。图6是本发明实施例玻璃环基片结构示意图。图7是本发明实施例微热板静电封接结构示意图。附图标识1—宽槽端最大宽度； 2——宽槽端液体弯月面半径；
3—窄槽端最小宽度；4_一窄槽端液体弯月面半径； 5—液体浸润角；6—V形槽的底部张角；
7—刻饰有微槽道结构的硅片表面；
8——微槽道的窄槽端；
9—硅基片；10-—微槽道的宽槽端； 11—液态工质； 12—微槽道；
13—蒸汽腔；14—玻璃环基片。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明的硅基不等宽微槽道平板微热管，利用液体在表面张力的作用下在微槽道中产生无机械动力流动的原理，在两片硅基片上分别刻蚀出一簇结构相同宽度连续变化的不等宽矩形或V形微槽道(如图1、图2所示)，在较小充液率情况下，工作流体通过液面张力在槽道两端产生毛细压差实现从宽端到窄端的流动。其特征在于在平板热管中采用宽度渐变的微槽道结构，使工作流体内部压力沿热管轴向呈梯度状态分布，从而加大流体内部的压力差，促进流体从宽端到窄端的流动，实现流体由热管冷端到热端的回流。微槽道的不等宽特征使得平板热管可以在较小充液率下工作，其冷端液面可以低于槽道顶部，使蒸汽与硅片直接接触，减小了蒸汽与硅片热交换的热阻，提高了平板热管的冷凝极限及传热效率。制备方法首先，将两片尺寸相同的矩形硅片进行氧化，在硅片表面形成一层二氧化硅薄膜；然后，采用光刻和湿法化学腐蚀的方法，将硅片刻蚀成如图3至图5所示的不等宽微槽道结构的硅基片；此后，再次利用光刻和化学腐蚀方法，制作出尺寸与硅基片相同的玻璃环基片，如图6所示；最后，利用静电封接的方法将玻璃环基片与上下两个硅基片封接在一起(如图7所示)，组合成不等宽微槽道平板热管。使用方法本发明设计的平板热管在使用时，首先将封接好的微热板抽真空，然后根据微热管微槽道的深宽比及其体内的存储空间，注入适量的液态工质，然后将微热板进行密封即可使用。根据不等宽微槽道的轴向不对称性，窄槽端作为热端，宽槽端作为冷端。小结本发明属于平板热管研究领域，适用于芯片级高热流密度散热系统的传热。 本发明利用液体在表面张力的作用下在微槽道中产生无机械动力流动的原理，采用MEMS 技术，在两片矩形硅基片上分别刻蚀出一簇结构相同宽度连续变化的不等宽矩形或V形微槽道，将尺寸与硅基片完全相同的矩形玻璃片刻蚀成中空的玻璃环作为平板热管的蒸汽腔，利用静电封接的方法将玻璃环与上下两个硅基片封接在一起，制作出硅基不等宽微槽道平板热管。本发明的特点是在硅基片上刻蚀的矩形或V形微槽道，其宽度从一端到另一端由小到大连续变化，两种槽道结构如图1所示。此种结构在较小充液率情况下，工作流体通过液面张力在不等宽槽道两端产生的毛细压差，加速流体从宽端到窄端的流动，从而提高传热效率。该发明所设计制作的不等宽微槽道平板微热管，可较大幅度提高热管的毛细极限，从而提高热管的传热能力，有望应用于高热流密度芯片的散热系统，以解决高性能芯片的散热问题。以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种硅基不等宽微槽道平板热管，其特征在于，所述硅基不等宽微槽道平板热管中的微槽道(12 )是一簇结构相同、宽度连续变化的微槽道结构。
2.根据权利要求1所述的硅基不等宽微槽道平板热管，其特征在于，所述微槽道(12) 为矩形微槽道或V形微槽道。
3.根据权利要求1或2所述的硅基不等宽微槽道平板热管，其特征在于，所述硅基不等宽微槽道平板热管包括两片带有一簇结构相同、宽度连续变化的微槽道结构的硅基片 (9)，两片所述的硅基片(9)通过静电封接的方法封接在一起，组合成不等宽微槽道平板热管。
4.根据权利要求3所述的硅基不等宽微槽道平板热管，其特征在于，在所述两片硅基片(9)之间封装有玻璃环基片(14)，所述玻璃环基片(14)中间通过光刻和化学腐蚀方法形成蒸汽腔(13)。
5.根据权利要求3所述的硅基不等宽微槽道平板热管，其特征在于，所述硅基片(9)表面通过氧化作用形成一层二氧化硅薄膜。
6.一种硅基不等宽微槽道平板热管的制备方法，包括以下步骤第一步采用光刻和湿法化学腐蚀的方法，将两片硅片刻蚀成具有一簇结构相同、宽度连续变化的微槽道结构的硅基片(9)；第二步利用静电封接的方法将两个硅基片(9)封接在一起，组合成不等宽微槽道平板热管。
7.根据权利要求6所述的硅基不等宽微槽道平板热管的制备方法，其特征在于，第二步还包括利用光刻和化学腐蚀方法，制作出尺寸与硅基片(9)相同的中间带有蒸汽腔 (13)的玻璃环基片(14)，利用静电封接的方法将玻璃环基片(14)与上下两个硅基片(9)封接在一起，组合成不等宽微槽道平板热管的步骤。
8.根据权利要求6所述的硅基不等宽微槽道平板热管的制备方法，其特征在于，在第一步之前还包括将两片尺寸相同的矩形硅基片(9)进行氧化，在硅基片(9)表面形成一层二氧化硅薄膜的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种硅基不等宽微槽道平板热管及制备方法。本发明利用液体在表面张力的作用下在微槽道中产生无机械动力流动的原理，采用MEMS技术，在两片矩形硅基片上分别刻蚀出一簇结构相同宽度连续变化的不等宽矩形或V形微槽道，将尺寸与硅基片完全相同的矩形玻璃片刻蚀成中空的玻璃环作为平板热管的蒸汽腔，用静电封接的方法将玻璃环与上下两个硅基片封接在一起，组成硅基不等宽微槽道平板热管。此种结构在较小充液率情况下，工作流体通过液面张力在不等宽槽道两端产生的毛细压差，加速流体从宽端到窄端的流动，提高传热效率，大幅提高热管的毛细极限，提高热管的传热能力，可用于高热流密度芯片的散热系统，以解决高性能芯片的散热问题。
文档编号F28D15/04GK102175088SQ20111006231
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者唐吉仁, 李杰超, 闫卫平 申请人:大连理工大学