一种具有微/纳复合结构的硅基微型脉动热管的制作方法

本发明涉及一种具有微/纳复合碳纳米管阵列结构的硅基微型脉动热管冷却器，应用于集成IC电子元器件的高效温控冷却技术领域。

背景技术：

随着微电子技术和大规模集成电路的迅速发展，微电子芯片的发热强度越来越大，生成的热量若无法及时排除，将严重影响微电子元件甚至整个系统的工作性能和使用寿命。因此，发展高效紧凑的微电子温控技术，以解决芯片冷却空间狭小、散热困难等问题是当前该领域发展所面临的紧迫任务。

在各种微电子器件散热冷却技术中，脉动热管因其结构简单、无需吸液芯以及独特的散热性能和良好的空间适应性正日益受到关注，被认为是一种极具发展前景的新型散热冷却技术。而通过MEMS技术加工的硅基微型脉动热管由于整体尺寸较小，能够与散热空间高度受限的微电子芯片直接集成而在微电子器件散热领域得到广泛运用，但研究发现随着加热功率的增大，微型脉动热管蒸发段容易出现“烧干”现象，振荡被抑制，温控能力下降。McCarthy等在《Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering》（微/纳尺度热物理工程）（2014年卷3，18期）上发表的“Materials, Fabrication, and Manufacturing of Micro/Nanostructured Surfaces for Phase-Change Heat Transfer Enhancement”（微/纳结构表面的设计与加工及其相变传热性能分析）一文中指出，微纳复合结构表面能够有效驱动液相流动和促进液膜蒸发，提高电子器件冷却温控的能力，因此将微/纳复合结构作为吸液芯对微型脉动热管传热性能提高具有较高的潜在应用价值。根据MEMS技术在微加工方面的独特优势和硅表面成熟的碳纳米管阵列生长技术，适当调整或改进微型脉动热管的通道表面使其成为微/纳复合碳纳米管阵列结构表面，可提高热管承载热负荷能力和冷却温控性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服普通通道硅基微型脉动热管内部工质蒸发段易发生“烧干”和温度不均匀以及现有微型脉动热管启动状态差等技术缺陷，通过改变脉动热管通道表面结构设计出一种兼具吸液芯热管和普通脉动热管的特点，能明显改善热管的启动状态和提高其冷却温控性能以及承载热负荷能力的微/纳复合碳纳米管阵列结构的硅基微型脉动热管。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种具有微/纳复合结构的硅基微型脉动热管，包括复合为一体的半导体硅片和耐热硼硅酸玻璃片，所述半导体硅片上刻蚀有若干微槽道和抽真空/注液微槽道，所述微槽道与所述抽真空/注液微槽道连通，所述微槽道表面为微/纳复合结构表面；所述耐热硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；所述抽真空/注液孔与半导体硅片上的抽真空/注液微槽道的顶端位置相对应。

上述方案中，所述半导体硅片和所述耐热硼硅酸玻璃片通过高压静电键合为一体。

上述方案中，所述微槽道上的微/纳复合结构表面通过碳纳米管阵列生长技术形成。

上述方案中，所述半导体硅片上刻蚀有若干条平行的微槽道，每条微槽道的两端形成U型弯头，微槽道右侧有与之想连通的抽真空/注液微槽道。

上述方案中，所述抽真空/注液微通道内液体工质充注体积占整个热管回路总体积的40%~70%；所充液体工质为低沸点的相变工质FC-72或FC7100或R141b。

上述方案中，所述微槽道宽度为200 μm~800 μm；所述微槽道横截面形状为矩形或梯形。

上述方案中，所述微/纳复合结构表面由碳纳米管管束阵列形成微肋或微腔。

上述方案中，所述微肋或微腔的横截面形状为三角形或者方形或者圆形；所述微肋或微腔的横截面当量直径为数微米至数十微米；所述微肋或微腔的高度为数微米至数十微米量级；所述微肋或微腔与相邻微肋或微腔的纵、横向间距均为数微米至数十微米。

上述方案中，所述的微肋或微腔阵列排列方式为顺排或叉排。

本发明的硅基微型脉动热管通过与半导体芯片直接集成为一体，应用于微电子器件的散热冷却。

本发明的有益效果：本发明将图形化的碳纳米阵列通过气相沉积方式直接生长覆盖在加工得到的微通道底面，形成微/纳复合结构，有效驱动液相流动和促进液膜蒸发，增大其冷却温控能力。相比较现有普通通道微型脉动热管，本发明的微/纳复合结构的硅基微型脉动热管还具有如下优势：（1）本发明所述的微通道表面的微肋/微腔结构可继承微型热管传统吸液芯的功能，利用汽相流动逸出与液相输运传递和补充，而形成微肋/微腔的碳纳米管管束阵列则可进一步提高毛细力和增大薄液膜蒸发面积，有效增强热管内工质的润湿和再润湿性能。（2）本发明所述的微通道表面的微/纳复合碳纳米管阵列结构增加了形成沸腾核化点的表面孔隙数量，在蒸发段附近的任意位置都有可能发生核化现象，由此降低热管的启动温度和缩短热管的启动时间，增强传热能力。（3）本发明中所述的微/纳复合碳纳米管阵列结构表面设计能有效促进通道内工质由冷凝段向蒸发段补充，明显抑制蒸发段“烧干”状态的出现，有力提升其承载热负荷的能力和冷却温控性能，由此平衡微电子芯片“热点”温度并增强热管整体均温性。（4）本发明的微/纳复合结构的硅基微型脉动热管能够与微电子芯片集成为一体，无需额外功耗而有效提高芯片的冷却效果和承载热负荷能力。

附图说明

图1为本发明中微/纳复合碳纳米管阵列结构的硅基微型脉动热管硅片结构示意图。

图2为图1中M处的局部放大图。

图3为图1中A-A处截面示意图。

图4为图2中B-B处截面示意图。

图5为本发明中微/纳复合碳纳米管阵列结构的硅基微型脉动热管玻璃片结构示意图。

图6为本发明中微/纳复合碳纳米管阵列结构的硅基微型脉动热管的一种微/纳复合结构表面。

图7为本发明中微/纳复合碳纳米管阵列结构的硅基微型脉动热管的第二种微/纳复合结构表面。

图8为本发明中微/纳复合碳纳米管阵列结构的硅基微型脉动热管的第三种微/纳复合结构表面。

图中：1、硅片；2、微槽道； 3、抽真空/注液微槽道；4、硼硅酸玻璃片；5、微/纳复合结构表面；6、微肋；7、碳纳米管；8、抽真空/充注孔；9、微腔。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明通过MEMS静电键合技术，将硼硅酸玻璃片4与刻蚀具有微/纳复合结构表面5的硅片1通过阳极键合技术合为一体，形成由玻璃密封的微/纳结构硅基微型脉动热管。

实施例1：如图1~图6所示，微/纳复合结构的硅基微型脉动热管由一对半导体的硅片1和耐热的硼硅酸玻璃片4键合而成。其中硅片1与硼硅酸玻璃片4接触的表面通过等离子干刻技术刻蚀有矩形截面的微槽道2；微槽道2表面通过硅基表面碳纳米管阵列生长技术覆盖一层碳纳米管7，从而形成具有微肋6复合结构的微/纳复合结构表面5；硼硅酸玻璃片4上加工有抽真空/注液孔8；抽真空/注液孔8与抽真空/注液微槽道3的顶端位置相对应。从所述的抽真空/注液孔8充注50%体积分数的FC-72。

图1~图4中，硅片1大小为50 mm×20 mm，其中热管纵向长度为38 mm，横向宽度为18 mm。硅片上刻有12条中心线与硅片边界相互平行的微槽道，并在两侧各形成6个U型弯头。微槽道的横截面形状为矩形，深度280 μm，宽度为800 μm，通道横截面当量直径414.8 μm。图6中，微肋复合结构碳纳米管阵列的微肋6截面形状为圆形，直径为20 μm，微肋6高度为5 μm，微肋横向和纵向间距均为20μm，微肋排列方式为顺排。

根据前述的工作原理，该微肋结构能够继承微型热管传统吸液芯功能，利用汽相流动逸出与液相输运传递和补充，而微肋内的碳纳米管管束则在微肋基础上进一步提高毛细泵功和增大薄液膜蒸发面积，有效增强热管内工质的润湿和再润湿效果，增强传热温控能力。

实施例2：如图1~图4、图5和图7所示，同实施例1，所不同的是该微纳复合结构的硅基微型脉动热管的微槽道2表面的微肋复合结构与图6中的存在一定差别。本微槽道横截面形状与深度均与实施例1相同，图7中微肋复合结构的碳纳米管阵列的微肋高度、直径和纵/横向间距均与图6相同，但是碳纳米管管束的排列方式为叉排。

同样，如图7所示的微纳复合结构硅基微型脉动热管继承了传统热管的吸液芯功能，并增强了管内工质的润湿和再润湿效果，有效增强传热温控能力。

实施例3：同实施例1和实施例2，微纳复合结构硅基微型脉动热管的微槽道横截面形状与深度均与实施例1相同，所不同的是其微槽道表面如图8。图8中微纳复合结构为碳纳米管阵列的微腔9，其中，微腔9的形状、高度、排列方式和疏密程度与实施例1相同。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其中微肋/腔的直径、微肋/腔间的中心距、高度等均可根据实际需要进行调整。虽然以上描述了本发明的一个具体实施方案，但本领域内的科技人员应当理解，这些实施实例可以做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的范围仅有所附权利要求书限定。