一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构及其制造方法与流程

1.本发明涉及半导体领域，特别涉及一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构及其制造方法。


背景技术：

2.随着半导体等相关技术的快速发展，针对半导体芯片进行散热的需求也越来越大。
3.薄液膜核态沸腾传热技术可以借助泵辅助手段，在很薄的液膜内形成具有流动沸腾特点的新型相变传热机制，故而产生了极高的传热效率，是未来解决超高热流密度散热问题的重要途径。
4.因此存在针对半导体芯片进行散热的薄液膜核态沸腾相变冷却结构的需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构及其制造方法，能够满足对半导体芯片的散热的需求。
6.为实现上述目的，本技术有如下技术方案：
7.本技术实施例提供了一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，包括依次层叠设置的超亲纳米结构层、气液分离膜层和流道结构层；
8.所述气液分离膜层靠近所述超亲纳米结构层的一侧表面包括超疏水部分和超亲水部分，所述超亲水部分包围所述超疏水部分，所述流道结构层包括进液通道和气体排出通道；
9.液体通过所述流道结构层的进液通道进入所述受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，在所述超亲纳米结构层和所述气液分离膜层之间形成液膜，所述液膜相变产生的气体利用所述气体排出通道进行排出。
10.可选地，所述超疏水部分的形状为多边形、椭圆形或圆形。
11.可选地，所述超亲水部分包括超亲水涂层，所述超疏水部分包括超疏水涂层。
12.可选地，所述气液分离膜层包括纳米孔道结构，所述纳米孔道结构远离所述超亲纳米结构层的一侧表面以及所述纳米孔道结构的侧壁覆盖有超疏水涂层。
13.本技术实施例提供了一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的制造方法，包括：
14.在第一衬底上形成超亲纳米结构层；
15.在第二衬底上形成气液分离膜层，所述气液分离膜层的一侧表面包括超疏水部分和超亲水部分，所述超亲水部分包围所述超疏水部分；
16.在第三衬底上形成流道结构层；
17.结合所述超亲纳米结构层、所述气液分离膜层和所述流道结构层。
18.可选地，所述在第一衬底上形成超亲纳米结构层包括：
19.在第一衬底上生长超亲水涂层；
20.对所述超亲水涂层进行刻蚀形成超亲纳米结构层。
21.可选地，所述在第二衬底上形成气液分离膜层包括：
22.在第二衬底上生长超亲水涂层；
23.刻蚀所述超亲水涂层和所述第二衬底，形成纳米孔道结构；
24.在所述纳米孔道结构的超疏水部分形成超疏水涂层，所述超疏水部分被超亲水部分包围，所述超亲水部分包括所述超亲水涂层。
25.可选地，所述在所述纳米孔道结构的超疏水部分形成超疏水涂层包括：
26.在所述纳米孔道结构的超亲水部分形成保护层，以暴露所述超疏水部分；
27.在所述超疏水部分形成超疏水涂层；
28.去除所述保护层。
29.可选地，在刻蚀所述超亲水涂层之前，所述方法还包括：
30.在所述超亲水涂层上形成图案化的光刻胶；
31.所述刻蚀所述超亲水涂层和所述第二衬底，形成纳米孔道结构包括：
32.利用所述图案化的光刻胶，刻蚀所述超亲水涂层和所述第二衬底，形成纳米孔道结构；
33.在所述纳米孔道结构的超疏水部分形成超疏水涂层之前，所述方法还包括：
34.以所述光刻胶为掩蔽，在所述纳米孔道结构的侧壁形成超疏水涂层；
35.去除所述光刻胶。
36.可选地，所述方法还包括：
37.刻蚀去除部分所述纳米孔道结构，形成所述气液分离膜层的进液通道。
38.本技术实施例提供了一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，包括依次层叠设置的超亲纳米结构层、气液分离膜层和流道结构层，气液分离膜层靠近超亲纳米结构层的一侧表面包括超疏水部分和超亲水部分，超亲水部分包围超疏水部分，流道结构层包括进液通道和气体排出通道，液体通过流道结构结构层的进液通道进入受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，在超亲纳米结构层和气液分离膜层之间形成液膜，液膜相变产生的气体利用气体排出通道进行排出，也就是说，当半导体芯片的热量传输到超亲纳米结构层后，液膜开始沸腾并进行相变产生气泡，利用对液体具有超亲性的超亲微纳米结构层有效限制气泡和超亲微纳米结构层的表面的接触面积，减小气泡附着力，利用气液分离膜层的超疏水部分实现将气泡中的气体快速排出，以及防止液膜中的液体溢出，实现气液分离强化的目的，利用气液分离膜层的超亲水部分限制气泡在气液分离膜层的吸附扩张，降低液膜补液阻力，进而避免液膜干涸断裂，由此可见，本技术实施例提供的受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构能够满足半导体芯片的散热需求。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
40.图1示出了本技术实施例提供的一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的截面结
构示意图；
41.图2示出了本技术实施例提供的一种气液分离膜层的俯视结构示意图；
42.图3示出了本技术实施例提供的一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的制造方法的流程示意图；
43.图4-图11示出了本技术实施例提供的一种制造气液分离膜层的结构示意图。
具体实施方式
44.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
45.本技术结合示意图进行详细描述，在详述本技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本技术保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
46.随着半导体等相关技术的快速发展，针对半导体芯片进行散热的需求也越来越大。
47.薄液膜核态沸腾传热技术由美国加州大学renkun chen在2018年提出。薄液膜核态沸腾传热技术可以借助泵辅助手段，在很薄的液膜内形成具有流动沸腾特点的新型相变传热机制，故而产生了极高的传热效率，是未来解决超高热流密度散热问题的重要途径。
48.然而，当液膜减薄时，有效浮力及惯性力相对缺失，致使沸腾气泡难以脱离，滞留的气泡爆裂会产生高强度射流冲击，极易造成沸腾表面局部干涸，严重降低相变传热效率。随后，美国佛罗里达大学saeed moghaddam等人采用铜材料，将沸腾液膜限制在疏水滤网与换热面之间，形成受限薄液膜核态沸腾相变传热机制，同时强化气液分离，临界热流密度可超过1000w/cm2。但是在超高热流密度下，急剧提高的相变速率会加大液膜内流动阻力，加速液膜干涸断裂，导致沸腾传热失稳，而完全疏水的滤网会让沸腾气泡在其表面大面积吸附扩张，阻碍液膜补液，进一步恶化液膜干涸。
49.然而，现有的技术只能通过加大泵压的方式去限制气泡在滤网表面扩张。这不仅降低了能效，也严重影响了结构稳定性，加大了液体泄漏的风险，上述结构不适用于半导体芯片封装散热领域。因此存在针对半导体芯片进行散热的薄液膜核态沸腾相变冷却结构的需求。
50.基于此，本技术实施例提供了一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，包括依次层叠设置的超亲纳米结构层、气液分离膜层和流道结构层，气液分离膜层靠近超亲纳米结构层的一侧表面包括超疏水部分和超亲水部分，超亲水部分包围超疏水部分，流道结构层包括进液通道和气体排出通道，液体通过流道结构结构层的进液通道进入受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，在超亲纳米结构层和气液分离膜层之间形成液膜，液膜相变产生的气体利用气体排出通道进行排出，也就是说，当半导体芯片的热量传输到超亲纳米结构层后，液膜开始沸腾并进行相变产生气泡，利用对液体具有超亲性的超亲微纳米结构层有效限制气泡和超亲微纳米结构层的表面的接触面积，减小气泡附着力，利用气液分离膜层的超疏水部分实现将气泡中的气体快速排出，以及防止液膜中的液体溢出，实现气液分离强化的
目的，利用气液分离膜层的超亲水部分限制气泡在气液分离膜层的吸附扩张，降低液膜补液阻力，进而避免液膜干涸，由此可见，本技术实施例提供的受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构能够满足半导体芯片的散热需求。
51.为了更好地理解本技术的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。
52.参考图1所示，图1为本技术实施例提供的一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的截面结构示意图。本技术实施例提供的受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构100，包括超亲纳米结构层110、气液分离膜层120和流道结构层130。
53.在本技术的实施例中，流道结构层130包括进液通道131和气体排出通道132，液体可以通过进液通道131进入受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的内部，利用进液通道131可以实现在超高热流密度下的液体补液，避免液体由于相变气化的损失无法得到及时补充导致传热效率下降。
54.在本技术的实施例中，超亲纳米结构层110对液体具有超亲性。具体的，超亲微纳米结构层110包括微针翅阵列结构和覆盖微针翅阵列结构的超亲水涂层，即超亲水涂层可以实现超亲微纳米结构层110对液体具有超亲性的功能。超亲水涂层的材料具体可以是氧化硅。超亲水涂层可以设置于超亲纳米结构层110靠近气液分离膜层120的一侧表面。
55.超亲纳米结构层110由于具有微针翅阵列结构和超亲水涂层，微针翅阵列结构可以实现对液体进行毛细输运，可以实现对于沸腾气化核心的近位补液，超亲水涂层可以有效限制气泡和超亲微纳米结构层110的表面的接触面积，减小气泡附着力，限制气泡在超亲纳米结构层110表面的扩张，实现气泡脱离强化。
56.在本技术的实施例中，气液分离膜层120靠近超亲纳米结构层110的一侧表面包括超疏水部分121和超亲水部分122，超亲水部分122包围超疏水部分121。超亲水部分122具有亲水性，超疏水部分121具有疏水性。
57.参考图2所示，为本技术实施例提供的一种气液分离膜层的俯视结构示意图。超疏水部分121可以设置于气液分离膜层120的中心部分，超亲水部分122可以设置于气液分离膜层120的边缘部分。超疏水部分121的形状可以为多边形、椭圆形或圆形。多边形可以是矩形、五边形或六边形等。超疏水部分121的形状具体可以根据实际情况和工艺情况进行确定。
58.在本技术的实施例中，超亲水部分122包括超亲水涂层，实现亲水性的功能，超疏水部分121包括超疏水涂层，实现疏水性的功能。
59.在实际应用中，气液分离膜层120包括纳米孔道结构，在纳米孔道结构远离超亲纳米结构层110的一侧表面以及纳米孔道结构的侧壁覆盖有超疏水涂层，纳米孔道结构靠近超亲纳米结构层110的一侧表面包括超疏水部分121和超亲水部分122。
60.气液分离膜层120具有超疏水部分121，能够防止高强度沸腾冲击下液体泄漏，阻止液膜中的液体溢出，实现气液分离强化。气液分离膜层120的边缘部分具有超亲水部分122，超亲水部分122接触液膜，限制气泡在气液分离膜层120的吸附扩张，降低液膜的流动阻力，实现为液膜补液的目的，避免液膜干涸，也就是说，本技术实施例提供的气液分离膜层120通过调控超疏水部分121的面积实现控制气泡在液膜表面的扩展面积，解决超高热流密度下受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的补液受阻的问题。
61.在本技术的实施例中，液体通过流道结构层130的进液通道131进入受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，在超亲纳米结构层110和气液分离膜层120之间形成液膜，当半导体芯片的热量传输到超亲纳米结构层110后，液膜开始沸腾并进行相变产生气泡，利用对液体具有超亲性的超亲纳米结构层110实现对于沸腾气化核心的近位补液，并且有效限制气泡和超亲纳米结构层110的表面的接触面积，减小气泡附着力，利用气液分离膜层120中的纳米孔道结构实现将气泡中的气体快速排出，而后利用气体排出通道132将气体排出受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，气液分离膜层120由于具有超疏水部分121可以防止液膜中的液体溢出，实现气液分离强化的目的，并且气液分离膜层120还具有超亲水部分122能够限制气泡在气液分离膜层120的吸附扩张，降低液膜的流动阻力，进一步为液膜补液，避免液膜干涸。
62.在本技术的实施例中，液体可以充满超亲纳米结构层110和气液分离膜层120之间的间隙，以便实现最大效率的传热。具体的，液膜的厚度范围可以是50-200微米，也就是说，在实际应用中，超亲纳米结构层110和气液分离膜层120之间的间隙的厚度范围可以是50-200微米，具体的间隙厚度可以根据实际情况进行选择。
63.在实际应用中，气液分离膜层120还可以包括进液通道，实现和流道结构层130的进液通道131进行连通，以便液体进入受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构。
64.在本技术的实施例中，受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构100还可以包括连接结构层，连接结构层用于连接超亲纳米结构层110和气液分离膜层120。
65.在实际应用中，超亲纳米结构层110、气液分离膜层120和流道结构层130的材料可以是半导体材料，例如硅，以便实现对于半导体芯片的散热封装。半导体芯片可以内嵌到受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构100中，半导体芯片与超亲纳米结构层110之间可以利用高导热材料相连，实现最大程度缩短传热路径，实现对于半导体芯片的高散热效率。
66.综上所述，本技术实施例提供了一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，包括依次层叠设置的超亲纳米结构层、气液分离膜层和流道结构层，气液分离膜层靠近超亲纳米结构层的一侧表面包括超疏水部分和超亲水部分，超亲水部分包围超疏水部分，流道结构层包括进液通道和气体排出通道，液体通过流道结构结构层的进液通道进入受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，在超亲纳米结构层和气液分离膜层之间形成液膜，液膜相变产生的气体利用气体排出通道进行排出，也就是说，当半导体芯片的热量传输到超亲纳米结构层后，液膜开始沸腾并进行相变产生气泡，利用对液体具有超亲性的超亲微纳米结构层有效限制气泡和超亲微纳米结构层的表面的接触面积，减小气泡附着力，利用气液分离膜层的超疏水部分实现将气泡中的气体快速排出，以及防止液膜中的液体溢出，实现气液分离强化的目的，利用气液分离膜层的超亲水部分限制气泡在气液分离膜层的吸附扩张，降低液膜补液阻力，进而避免液膜干涸断裂，由此可见，本技术实施例提供的受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构能够满足半导体芯片的散热需求。
67.基于以上实施例提供的受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构，本技术实施例还提供了一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的制造方法。参考图3所示，为本技术实施例提供的一种受限薄液膜核态沸腾相变冷却结构的制造方法的流程图，该方法包括以下步骤：
68.s101，在第一衬底上形成超亲纳米结构层。
69.在本技术的实施例中，可以在第一衬底上形成超亲纳米结构层。第一衬底可以是
半导体衬底，例如硅。第一衬底中可以具有内嵌半导体芯片。
70.具体的，可以在第一衬底上生长超亲水涂层，具体可以利用等离子体增强化学的气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)生长超亲水涂层，而后对超亲水涂层进行刻蚀，形成微针翅阵列结构，微针翅阵列结构中包括多个凸起，最终形成超亲纳米结构层。
71.超亲水涂层的材料可以是氧化硅，氧化硅具有优异的亲水性。
72.s102，在第二衬底上形成气液分离膜层。
73.在本技术的实施例中，可以在第二衬底上形成气液分离膜层。第二衬底可以是半导体衬底，例如硅。气液分离膜层的一侧表面包括超疏水部分和超亲水部分，其中，超亲水部分包围超疏水部分。
74.在实际应用中，在第二衬底上形成气液分离膜层的具体过程如下：
75.s1021，在第二衬底上生长超亲水涂层，参考图4所示。
76.具体的，第二衬底200可以是硅衬底，超亲水涂层210可以是氧化硅，可以利用pecvd在硅衬底上生长氧化硅。
77.在实际应用中，还可以设置支撑层201，第二衬底200覆盖支撑层201，支撑层201用于为第二衬底200提供支撑。
78.s1022，刻蚀所述超亲水涂层和所述第二衬底，形成纳米孔道结构，参考图8所示。
79.在本技术的实施例中，可以刻蚀生长完毕的超亲水涂层210和第二衬底200，以便形成纳米孔道结构220。
80.在实际应用中，可以对超亲水涂层210和第二衬底200进行光刻以形成纳米孔道结构220，因此可以在超亲水涂层220上形成图案化的光刻胶202，参考图5所示，图案化的光刻胶的形状即为即将刻蚀得到的纳米孔道结构220的形状。
81.利用图案化的光刻胶202，刻蚀超亲水涂层210和第二衬底200，形成贯穿超亲水涂层210和第二衬底200的纳米孔道结构220，参考图6所示，此时还未去除光刻胶202。具体可以利用深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching，drie)技术进行刻蚀。
82.在形成纳米孔道结构220之后，可以以光刻胶202为掩蔽，在纳米孔道结构220的侧壁形成超疏水涂层230，参考图7所示。形成超疏水涂层230的具体过程是将携带有光刻胶202的纳米孔道结构220置于含氟硅烷偶联剂气氛中，加热3-5小时进行超疏水涂层生长。
83.在纳米孔道结构220的侧壁形成超疏水涂层230之后，可以去除光刻胶202，参考图8所示。
84.s1023，在所述纳米孔道结构的超疏水部分形成超疏水涂层，参考图10所示。
85.在本技术的实施例中，在形成纳米孔道结构220之后，可以确定纳米孔道结构220表面的超亲水部分122和超疏水部分121，并在超疏水部分121形成超疏水涂层230。
86.具体的，可以在纳米孔道结构220的超亲水部分122形成保护层203，保护层203未覆盖超疏水部分121，即保护层203暴露超疏水部分121，参考图9所示。保护层203可以是光刻胶。
87.在利用保护层203覆盖超亲水部分122之后，可以在超疏水部分121形成超疏水涂层230，参考图10所示。形成超疏水涂层230的具体过程是将携带有保护层203的纳米孔道结构220置于含氟硅烷偶联剂气氛中，加热3-5小时进行超疏水涂层生长。
88.在超疏水部分121形成超疏水涂层230之后，可以去除保护层203，而后重新在纳米孔道结构220上覆盖光刻胶，利用光刻胶刻蚀去除部分纳米孔道结构220，形成气液分离膜层的进液通道240，而后去除光刻胶，参考图11所示，最终形成包括超疏水部分121和超亲水部分122的气液分离膜层。
89.在实际应用中，在形成气液分离膜层之后，可以剥离支撑层201。
90.s103，在第三衬底上形成流道结构层。
91.在本技术的实施例中，可以在第三衬底上形成流道结构层。第三衬底可以是半导体衬底，例如硅。
92.具体的，可以对第三衬底进行刻蚀得到进液通道和气体排出通道。
93.s104，结合超亲纳米结构层、气液分离膜层和流道结构层。
94.在本技术的实施例中，可以结合超亲纳米结构层、气液分离膜层和流道结构层，具体可以利用焊接技术依次连接超亲纳米结构层、气液分离膜层和流道结构层。
95.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于结构实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见结构实施例的部分说明即可。
96.上述各个附图对应的流程或结构的描述各有侧重，某个流程或结构中没有详述的部分，可以参见其他流程或结构的相关描述。
97.以上所述仅是本技术的优选实施方式，虽然本技术已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本技术。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本技术技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本技术技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本技术技术方案的内容，依据本技术的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本技术技术方案保护的范围内。
98.本技术在上述各方面提供的实现方式的基础上，还可以进行进一步组合以提供更多实现方式。