一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构及加工方法与流程

本发明涉及微小型电子器件散热，特别是涉及一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构及加工方法。

背景技术：

1、在大数据时代，各种高热流密度电子器件在各个领域包括半导体芯片、航空电子设备、燃料电池等被广泛应用。尤其在计算机产业快速发展的同时，高性能微处理器的耗热量迅速增加，为了维持这些高热流密度电子器件正常运行，因此需要高效的散热冷却方案保证充足的散热量从而维持适宜的温度和湿度条件。

2、沸腾换热是一种常见的相变散热方案，它是利用工质的蒸发潜热吸收大量的热量从而达到降温散热的目的，因此被认为是高热流电子器件以及蒸发冷却装置散热降温的一种有效方式。当前强化沸腾换热主要可分为有源强化和无源强化两种方式。有源强化需要外部提供能量，无源强化是指不需要外部提供能量主要通过表面改性和液体改性达到强化的目的，是一种更为经济的方式。并且由于微结构技术以及纳米技术的快速发展，近几年利用选择无源强化对表面改性强化换热性研究更为深入。

3、通过先前的发明发现采用微结构技术进行表面改性可以改变表面的粗糙度、调控表面的汽泡行为，从而提高表面的毛细芯能力以及有效换热面积。现有的表面改性发明主要集中在通过改变加工方式以及微柱几何形状尺寸从而形成强化换热结构，然而我们发现改变表面微柱区域形状调控汽泡行为，也可以达到强化换热的效果。表面疏水区域可以提供更多的汽化核心数目，亲水区域可以使汽泡更好地脱离，因此改变微柱区域形状，可以增强表面亲疏水性从而进一步强化换热性能。

4、基于此，提出了本申请。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构及加工方法，目的在于提高换热表面的临界热流密度，延缓换热表面干烧现象的发生，通过在光滑表面上刻蚀部分微柱区域形成一种新的混合亲疏水结构，将其命名为向日葵结构。微柱区域产生更多的汽化核心数目，带角度的光滑通道可以通过改变汽泡的受力，从而调控汽泡的行为，加快汽泡脱离避免汽泡堆积，从而进一步增强表面的换热性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构，包括散热硅片，所述散热硅片的中部设有光滑通道区域，所述光滑通道区域的周围刻蚀有微柱区域。

4、优选地，所述散热硅片的尺寸为1cm*1cm。

5、优选地，所述光滑通道区域包括内部光滑通道区域和外部光滑通道区域，所述内部光滑通道区域位于中心，所述外部光滑通道区域位于所述内部光滑通道区域的四周。

6、优选地，所述内部光滑通道区域为正八边形结构，其边长为0.06cm。

7、优选地，所述外部光滑通道区域为8个等腰三角形，其顶角为30°且向外设置，腰长为0.34cm。

8、优选地，所述微柱区域包括8479个微柱，每一所述微柱的直径为38.22μm，高为60μm，中心距为μm。

9、本发明还提供一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构的加工方法，包括以下步骤：

10、步骤一、在整个单面抛光掺磷硅片上加工切割成1cm*1cm的方形硅片，得到散热硅片；

11、步骤二、确定微柱区域的位置以及大小，并按照1:1的比例制作掩膜版；

12、步骤三、清洗散热硅片表面并在散热硅片表面喷涂抗蚀涂层，通过掩膜板曝光除去无用部分的抗蚀涂层；

13、步骤四、利用深反应离子刻蚀技术形成微柱区域和光滑通道区域；

14、步骤五、除去散热硅片表面剩余的抗蚀涂层形成“向日葵”状的换热结构。

15、本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

16、本发明采用刻蚀技术在表面形成了疏水的微柱区域，汽泡首先会在微柱区域产生，与光滑表面相比，微柱区域增大了表面的粗糙度，提供了更多的汽化核心，从而产生了更多的汽泡，提高了换热过程中的沸腾换热系数，增强了换热效果。

17、本发明在刻蚀微柱区域的同时保留了带有角度的亲水的光滑通道区域，提供了顺畅的供液通道，从而有效地将气液界面分离开，冷却液体能迅速地向生成汽泡的微柱区域供应，提高了沸腾过程中的临界热流密度，推迟了沸腾干烧现象的发生。

18、由于电子芯片在实际运行过程中热流密度分布为中心高四周低，本发明以电子芯片实际工作时的热流密度分布为依据，设计了混合亲疏水的向日葵结构。在表面中心处的高热流密度区域内，为了更好地供应冷却液体设置了内亲水光滑通道。在热流密度较低的外部表面区域，也设置了带有角度且开口朝向热加热面中心的外部亲水区域，冷却液体在带有角度的光滑通道内会受到朝着加热面中心的拉普拉斯力，从而更加顺畅地向表面中心区域流动供应。

19、换热表面微柱结构的加工可以增大有效换热面积、提高汽化核心密度，而带有角度的楔形供液通道能有效降低供应阻力，增强液体工质的流动，因此将两种强化换热结构相结合，设计以微柱结构为基底的具有楔形供液通道的混合亲疏水表面，可以进一步强化沸腾换热性能。

技术特征：

1.一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构，其特征在于：包括散热硅片，所述散热硅片的中部设有光滑通道区域，所述光滑通道区域的周围刻蚀有微柱区域。

2.根据权利要求1所述的带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构，其特征在于：所述散热硅片的尺寸为1cm*1cm。

3.根据权利要求1所述的带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构，其特征在于：所述光滑通道区域包括内部光滑通道区域和外部光滑通道区域，所述内部光滑通道区域位于中心，所述外部光滑通道区域位于所述内部光滑通道区域的四周。

4.根据权利要求3所述的带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构，其特征在于：所述内部光滑通道区域为正八边形结构，其边长为0.06cm。

5.根据权利要求3所述的带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构，其特征在于：所述外部光滑通道区域为8个等腰三角形，其顶角为30°且向外设置，腰长为0.34cm。

6.根据权利要求1所述的带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构，其特征在于：所述微柱区域包括8479个微柱，每一所述微柱的直径为38.22μm，高为60μm，中心距为μm。

7.一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构及加工方法，带有微柱阵列的混合亲疏水强化换热结构包括散热硅片，所述散热硅片的中部设有光滑通道区域，所述光滑通道区域的周围刻蚀有微柱区域；在加热表面刻蚀微柱可以增大表面粗糙度，使表面具有疏水性，从而提供了更多的汽化核心点；在微柱区域以外，保留亲水的光滑通道有助于汽泡更好地脱离表面，能有效增强表面的换热系数以及临界热流密度，延缓了表面干烧现象发生。

技术研发人员：周理,唐叶,严锦程,贾曼,周静然
受保护的技术使用者：新疆华奕新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25