[發明專利]可供含氧化層的鎵基液態金屬高速流動的毛細銅管及其制備方法

有效

• 申請號: 202010866793.0
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN112033198B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 趙存陸;閆慧龍;張文耀;崔永赫;錢芳;王秋旺
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F28D15/04
• 分類號: F28D15/04;C23F1/00
• 代理公司: 北京迎碩知識產權代理事務所(普通合伙) 11512
• 代理人: 錢揚保;張群峰

一種可供含氧化層的鎵基液態金屬高速流動的毛細銅管及其制備方法，所述制備方法包括以下步驟：(1)毛細銅管預處理；(2)毛細銅管內壁化學刻蝕；(3)毛細銅管內壁親油修飾；(4)毛細銅管內壁預浸潤；完成超滑毛細銅管的制備。本發明提出利用仿豬籠草表面結構制備具有預注液的超滑表面的毛細銅管，可以有效降低液態金屬在銅管內流動的過程中的驅動功耗，制作方式簡單靈活易于大范圍推廣，適用于變截面、多彎頭、各種管徑的液態金屬超滑銅管的制備。

技術領域

本發明總體涉及微電子技術領域，具體涉及一種微通道散熱裝置。

背景技術

微電子技術至今不斷蓬勃發展，微機電系統、超大規模集成電路等技術使得電子設備正朝著高速度、多功能、大功率、微型化的方向快速發展。微小尺度的高熱流密度耗散是制約電子行業尤其是先進裝備，高集成芯片發展的桎梏。目前主流商用芯片熱流密度超過500W/cm²，芯片表面局部產熱的熱流密度已超過1000W/cm²。熱耗散問題不僅存在于集成芯片中而且同樣也困擾著隨處可見的LED照明設備，在大功率LED芯片中，由于其較低的電光轉化效率，使得將近80％的能量以熱量形式釋放，這導致即使功率僅為1W的LED芯片，其熱流密度也能夠達到100W/cm²；而在激光武器和射頻系統中產生的熱流一般均高達1000W/cm²；太陽能電池和動力電池的熱流密度一般而言在100W/cm²以下，但電池的效率和可靠性受溫度影響極大，通常而言要保證太陽能電池溫度在45℃以下，動力電池的溫度需嚴格控制在在60℃以下。

微通道散熱裝置具有簡單的結構、比較小的體積、較輕的重量、較高的散熱效率、對設備動力系統要求低、換熱溫差較小、能夠在惡劣的環境中運行等其他散熱設施所無可比擬的優點，因此在機械、航空航天、化學分析、微電子等領域微通道散熱裝置得到廣泛應用。近年來，關于微通道散熱能力的研究大多集中在結構上的優化，值得注意的是，現今微通道熱沉中的傳熱工質主要是水，雖然以水作為傳熱工質具有廉價易得，物性穩定等優點，但其僅僅0.6W/(mK)的導熱率使得以水作為工質的微通道熱沉在大熱流密度散熱件面前難免力不從心。盡管通過優化微通道結構可以相應彌補該劣勢，可由此也會引發微通道內流阻增大的問題。針對工質導熱率低，也有學者在水中添加SiC、Al₂O₃等高導熱納米顆粒以增強工質的等效導熱率并強化傳熱，但效果極其有限。

鎵基液態金屬的主要優點在于蒸汽壓力低，粘度低，基本無毒和導熱系數高。因此，低熔點高導熱鎵基液態金屬也應用成為流動傳熱工質。眾所周知的是，鎵基液態金屬會在含氧環境下立即自發形成一層連續的氧化物薄膜(1-3nm)，該氧化層會牢固附著固體表面使得液態金屬難以正常流動。現有技術主要使用：1.電解質溶液(pH＜3或pH＞13)與氧化層的反應對其進行溶解，這樣苛刻的酸堿度使得該方法難以進行應用；2.對管道表面進行改性或者降低表面粗糙度的方法來增強氧化層和管壁表面的浸潤性，但這種方法效果較差而且未證實在多個循環工作下系統的穩定性；3.使用電化學反應的方法去除表面的氧化物，調控液態金屬的表面張力，但該方法需要持續消耗電能以防止液態金屬的氧化。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的某些缺陷，提出一種含氧化層的鎵基液態金屬流動毛細管的制作方法，達到毛細管制作成本較低、制作過程可靠、制作過程安全、毛細管性能優異、使用壽命長等目的。

本發明提出利用仿豬籠草表面結構制備具有預注液的超滑表面的毛細銅管，可以有效降低液態金屬在銅管內流動的過程中的驅動功耗，制作方式簡單靈活易于大范圍推廣，適用于變截面、多彎頭、各種管徑的液態金屬超滑銅管的制備。以直徑為200-1000μm毛細銅管的制作為例，首先，使用化學腐蝕的方法將毛細銅管內壁表面進行化學腐蝕以完成表面微結構制備。其次，使用正十六烷酸對毛細銅管內壁微結構進行親油改性以增強內壁面對油性預注液的浸潤。最后，令化學性質穩定的高導熱硅油作為預注液附著于改性的毛細銅管內壁，完成含有預注液的超滑毛細銅管的制備。

本發明所采取的具體技術方案為：