[發(fā)明專利]一種超浸潤金剛石微通道熱沉的制備方法及其使用方法

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• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114242598A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王強(qiáng);白潔;楊大祥;周祚貴;藺詩韻;鄧方行;張鑫;李玉福;楊文元
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶交通大學(xué)綠色航空技術(shù)研究院
• 主分類號: H01L21/48
• 分類號: H01L21/48;H01L23/473
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 呂小琴

本發(fā)明公開了一種超浸潤金剛石微通道熱沉的制備方法，包括a.采用多晶金剛石片作為微通道結(jié)構(gòu)材料，利用高精密激光刻蝕對多晶金剛石片進(jìn)行微通道熱沉結(jié)構(gòu)加工使其表面形成微通道溝槽，制備出多晶金剛石微通道熱沉；b.采用無掩膜加工法對多晶金剛石微通道熱沉表面進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，并進(jìn)行氧等離子體表面處理，制備具有超浸潤性能的金剛石微通道熱沉；c.采用金剛石作為微通道結(jié)構(gòu)材料并進(jìn)行高精密激光加工，采用液態(tài)金屬和水介質(zhì)混合的雙流體冷卻工質(zhì)進(jìn)行換熱，可以滿足高功率電子系統(tǒng)超高熱流密度散熱需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高功率半導(dǎo)體器件散熱熱沉制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超浸潤金剛石微通道熱沉的制備方法及其使用方法。

背景技術(shù)

隨著電子工業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展，各類電子芯片不斷向小型化、高集成化發(fā)展；同時，芯片功能和性能的不斷提升，進(jìn)一步增加其計(jì)算頻率；導(dǎo)致芯片的功耗越來越大，發(fā)熱問題日益嚴(yán)峻。芯片發(fā)熱主要源于內(nèi)部元件的焦耳熱效應(yīng)及晶體管泄漏電流熱效應(yīng)，集成度越高、泄漏功耗越大，則熱現(xiàn)象越顯著。芯片熱問題的兩個關(guān)鍵參數(shù)為熱設(shè)計(jì)功耗和局部熱流密度，熱設(shè)計(jì)功耗表征單顆芯片正常工作達(dá)到最大負(fù)荷時釋放的總熱量，而局部熱流密度描述芯片表面局部位置單位表面積產(chǎn)生的熱功率；熱設(shè)計(jì)功耗越大則需要的冷板換熱面積越大，宏觀上意味著散熱器體積更大(換熱問題)，而局部熱流密度過高或者不均勻?qū)砭植繜狳c(diǎn)問題(熱展開問題)；這兩方面已經(jīng)成為高端芯片的兩大散熱瓶頸，給散熱技術(shù)帶來了嚴(yán)峻的熱障挑戰(zhàn)，亟待高效散熱的熱沉制備及應(yīng)用技術(shù)來解決相關(guān)難題。

高功率電子器件散熱需求的不斷提高推動著冷卻技術(shù)的快速發(fā)展。風(fēng)冷是目前低功耗電子器件主要采用的散熱方式，包括空氣自然對流冷卻和強(qiáng)制對流風(fēng)冷，均具有簡單、可靠、成本低的優(yōu)勢，但其散熱能力有限，通常只適用于熱流密度10W/cm2的情形。熱管是一種高效的熱傳輸元件，1963年由美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實(shí)驗(yàn)室的GeorgeGrover發(fā)明，其等效熱導(dǎo)率極高，一般在104W/m·K量級；基于熱管進(jìn)行CPU冷卻是目前筆記本電腦主流散熱方式，其散熱熱流密度在101～102W/cm2范圍。當(dāng)熱流密度達(dá)到102～103W/cm2范圍，往往需要采取液冷措施進(jìn)行散熱，包括單相對流液冷和兩相沸騰冷卻。1981年，由Tuckerman和Pease開創(chuàng)性地提出微通道散熱概念，它以微細(xì)流道結(jié)構(gòu)作為熱交換體，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、散熱能力強(qiáng)，已經(jīng)成為解決超高熱流密度電子芯片散熱問題的一種高端冷卻方法；有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水的流量為10cm3/s，水的溫升為71℃時，微通道冷卻熱流可高達(dá)790W/cm2；這一冷卻能力遠(yuǎn)勝常規(guī)手段所能達(dá)到的水平。因此，可以判斷：采用微通道結(jié)構(gòu)作為熱交換體，其內(nèi)細(xì)密的流道結(jié)構(gòu)不僅減薄了傳熱邊界層，而且大幅度增加了對流換熱面積，可以實(shí)現(xiàn)較小空間內(nèi)極為高效的換熱性能，作為先進(jìn)半導(dǎo)體器件高效緊湊型冷卻裝置極具優(yōu)勢。

微通道冷卻系統(tǒng)的高效換熱性能，是綜合材料結(jié)構(gòu)、冷卻工質(zhì)及其相互作用等多因素耦合下的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果。然而傳統(tǒng)材料及冷卻工質(zhì)在力圖突破更高極限熱流時面臨兩個關(guān)鍵的難題：材料與工質(zhì)低熱導(dǎo)率導(dǎo)致的性能局限以及工質(zhì)低沸點(diǎn)導(dǎo)致的穩(wěn)定性缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種超浸潤金剛石微通道熱沉的制備方法及其使用方法，解決高功率電子系統(tǒng)散熱及熱展開問題。

本發(fā)明的一種超浸潤金剛石微通道熱沉的制備方法，包括以下步驟：

a.采用多晶金剛石片作為微通道結(jié)構(gòu)材料，利用高精密激光刻蝕對多晶金剛石片進(jìn)行微通道熱沉結(jié)構(gòu)加工使其表面形成微通道溝槽，制備出多晶金剛石微通道熱沉；

b.采用無掩膜加工法對多晶金剛石微通道熱沉表面進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，并進(jìn)行氧等離子體表面處理，制備具有超浸潤性能的金剛石微通道熱沉；

進(jìn)一步，步驟a中，所述多晶金剛石片為化學(xué)氣相沉積金剛石，表面粗糙度小于10nm，多晶金剛石片的長度為10-100mm，寬度為10-100mm，厚度為1-5mm，熱導(dǎo)率為1000-2000W/m·K；