[發明專利]一種納米多孔雙層強化芯片沸騰換熱結構及其制造方法

有效

• 申請號: 202211083372.6
• 申請日: 2022-09-06
• 公開（公告）號: CN115424993B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 石爾;易蘋;趙斌;姜昌偉;汪瓊;王友蘭
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/427;B81B1/00;B81C1/00
• 代理公司: 長沙智勤知識產權代理事務所(普通合伙) 43254
• 代理人: 李威

本發明公開了一種納米多孔雙層強化芯片沸騰換熱結構及其制造方法，屬于浸沒式液冷技術領域。換熱結構加工于芯片硅襯底上，與芯片形成一體，其中換熱結構為周期性條紋結構嵌套納米孔的雙層結構。針對強化沸騰換熱，本發明一方面增加了氣泡有效氣化核心數目，另一方面實現了氣液通道的分離，在高熱流密度下將新鮮液體及時供給到氣泡中心底部，主動形成用于液體補充和氣泡逸出的流動路徑，從而降低沸騰起始過熱度，顯著提高核態沸騰的換熱性能和臨界熱流密度。本發明方法工藝簡單，生產成本低，制造的換熱結構直接嵌入芯片的有效區域下方，避免了接觸熱阻的影響，不需要消耗額外的泵送功率，產品高度可控，適合大規模產業化。

技術領域

本發明屬于強化傳熱技術領域，具體涉及一種納米多孔雙層強化芯片沸騰換熱結構及其制造方法。

背景技術

5G、工業互聯網、云計算成為數字經濟時代的新型基礎設施，作為其“骨骼”的數據中心在規模和數量方面都呈現出爆發式增長態勢，高/超高電子元器件集成度和大量數據吞吐和運算帶來的高熱流密度機械電子裝置的散熱問題已成為電子行業繼續發展的瓶頸。

浸沒式沸騰傳熱是將高熱流密度電子器件直接浸沒在絕緣電子冷卻液中，利用沸騰時的汽化潛熱帶走熱量的一種高強度換熱方式。這種換熱方式具有極高的傳熱系數和良好的均溫性，同時大幅度削減了散熱系統的空間占用、系統復雜性和泵功率，受到國內外很多學者的廣泛關注。但是，相比于水，電子冷卻液表面張力較小，汽化潛熱和導熱系數較低，其局限性在于其換熱系數和臨界熱流密度不易提升。

在現有技術中，微電子器件的生產工藝使得其裸露在外的硅襯底表面通常為光滑面，其氣化核心數量少，導致沸騰啟動困難，因此，利用強化表面技術來提高沸騰換熱顯得尤為重要。很多學者提出開發多孔介質表面能顯著促進沸騰傳熱性能，但未能解決高熱流密度時沸騰性能惡化的問題。

在近年的研究發現，在高熱流密度區或接近臨界熱流密度時，換熱表面產生的大量氣體脫離換熱表面，氣液兩相之間的摩擦阻力顯著增大，從而增大了新鮮液體在垂直于換熱表面方向上的補給難度，這是導致臨界熱流密度難以進一步提高的主要原因。因此減小垂直于換熱表面方向上的氣液兩相間摩擦阻力，將氣體脫離路徑和液體補給路徑分開，對進一步提高換熱表面高熱流密度區換熱性能和臨界熱流密度有重要作用。

發明內容

本發明的目的是提供一種嵌入芯片內部襯底表面強化沸騰散熱結構及制造方法，通過納米多孔雙層復合結構增加氣化核心數目和分離氣液兩相流動通道的目的，達到降低沸騰起始過熱度、提升沸騰傳熱系數與臨界熱流密度的效果。

本發明的目的還在于突破傳統散熱部件和電子元件分離的局限，提供硅襯底強化沸騰散熱結構的制造方法，該方法可對襯底材料進行精準微納結構加工，制備便捷，流程簡單，產品可控，適合大規模產業化。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種納米多孔雙層強化芯片沸騰換熱結構，所述換熱結構適用于浸沒式液冷服務器中的芯片，且所述換熱結構設置于所述芯片的硅襯底表面；所述換熱結構為硅襯底自身經過激光處理所形成的雙層復合結構，復合結構的下層為周期性條紋嵌套納米孔溝槽結構，上層為納米孔鏈結構，且所述納米孔鏈結構表面形成有自組織納米顆粒。

優選地，所述周期性條紋嵌套納米孔的溝槽結構中，條紋寬度為2-50μm，間距為10-100μm。

優選地，所述納米孔鏈結構中，單個納米孔長度為200-800nm，寬度為100-300nm，納米孔鏈間距為0.5-10μm。

優選地，所述周期性條紋嵌套納米孔的溝槽結構沿條紋的延伸方向貫穿硅襯底。

優選地，所述周期性條紋嵌套納米孔的溝槽結構的溝槽橫截面為矩形、梯形或三角形。

一種制造如上述任一項所述的納米多孔雙層強化芯片沸騰換熱結構的方法，包括以下步驟：