具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备方法

摘要

本发明涉及一种具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备方法，利用MEMS(微机电加工系统)技术制造硅三角型微槽阵列，然后将预先配制好的烷基三氯硅烷的乙醇溶液沿槽长度方向浸润槽道，使乙醇溶液依次通过蒸发段、绝热段和冷凝段，因槽道内表面各段的浸润时间不同而使得各段对烷基三氯硅烷的吸附浓度也不同，以此改变固体表面的自由能，使得热管内表面的固液接触角沿蒸发段、绝热段和冷凝段呈轴向阶梯分布，从而通过改变热管内部表面的亲疏水分布特性来提高热管的换热性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备方法，是一种通过改变热管内液固界面的亲疏水分布特性来提高热管的换热性能的方法。属于微电子技术散热领域。

背景技术

随着微电子工业的迅猛发展，各种相关产品正以前所未有的速度高度集成化和微型化，由此引起的温度迅速升高也成为制约其高速发展的一个瓶颈。对此，作为能够保证微电子产品稳定可靠工作的热控技术也越来越多地受到各方面的关注。在各种冷却技术中，微型热管(MHP)因结构小巧和在小的温度梯度内可以进行较大热量的传输，而成为一种非常有应用前景的新兴技术，在微电子、航空航天、微化工工艺和生物工程等领域具有广阔的应用前景。

微型热管是一种内部没有吸液芯、截面非圆形并带有尖角的热管，冷凝段的液体通过尖角处产生的毛细压力回流到蒸发段，在所有影响微型热管工作性能的参数中，表面张力是比较突出的一个，这与微尺度流动和传热的特点是相符的。现有的微型热管模型中，均假设沿管长方向的表面张力是均匀且单一的，但实际上存在着由超亲水到超疏水变化的变表面张力。目前还未见有关变表面张力分布的报道。Daniel等在《Science》(2001年第291卷第633～636页)发表的《Fast Drop Movements Resulting from the Phase Change on a GradientSurface》(梯度能表面由相变引起的快速运动)，该文中，研究人员通过独特的处理方法改变了硅表面的亲疏水分布特性，并成功诱使蒸汽凝结形成的液滴以1.5m/s的速度快速地在表面上运动，且有良好的换热性能，这是常规表面所无法达到的。若将这种方法进一步改进，应用于制备微型热管阵列芯片，可以提高热管的换热性能。目前尚未有相关的技术公开报导。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备方法，方法简单，容易实现，制得的微型热管阵列具有较高的换热性能。

为实现上述目的，本发明将梯度能表面这一思想引入到微型热管中，通过改变热管内部表面的亲疏水分布特性来提高热管的换热性能。表面处理技术使得热管内表面的固液接触角沿蒸发段、绝热段和冷凝段呈轴向阶梯分布，称之为功能表面。较之亲疏水性呈均匀单一分布的传统表面相比，功能表面小的微型热管的换热性能有了明显的提高。

本发明首先利用MEMS(微机电加工系统)技术制造硅三角型微槽阵列，然后将预先配制好的烷基三氯硅烷的乙醇溶液沿槽长度方向浸润槽道，通过改变各段的浸润时间来改变槽道内表面对烷基三氯硅烷的吸附浓度，进而改变表面的亲疏水分布特性以形成功能表面。其原理是通过有机组织在固体表面形成的聚合单分子层(SAMs)来改变固体表面的自由能，进而在固体表面形成表面能梯度。然后用导热胶将硼硅酸玻璃和硅片微槽均匀粘合在一起形成微型热管阵列芯片。其中，与硼酸玻璃接触的硅片表面利用微电子机械加工工艺刻蚀有微型槽道阵列，在玻璃上利用激光精准钻孔工艺在指定的位置分别钻出充注孔和除气孔。

本发明方法的具体实施步骤如下：

1、首先将硅片置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在110～130℃的温度下浸泡10～20分钟，然后经过冲洗后再在氮气环境中加热10～20分钟，除去硅片表面的杂质后再进行双面抛光处理。

2、将经过上述处理的硅片置于900～1300℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4～5L/min，氧化时间为350～450分钟，使硅片上生成一层均匀的厚度为的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，将热管构型的微型冷却通道、充注孔、除气孔的图形显影到硅片上，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，形成三角型微槽阵列，刻蚀速率为所述三角形微型槽道深度为100～300μm。

3、配制烷基三氯硅烷的浓度为0.05mmol/L的乙醇溶液，将乙醇溶液沿微槽长度方向浸润热管，使乙醇溶液依次通过蒸发段、绝热段和冷凝段，因槽道内表面各段的浸润时间不同而使得各段对烷基三氯硅烷的吸附浓度也不同，近而在槽道内形成具有不同的表面亲疏水分布特性的功能表面。

4、将硼硅酸玻璃片在清洗液中清洗10～15分钟，然后利用激光精准钻孔工艺在与硅片上的充注孔和除气孔相对应的位置分别钻出充注孔和除气孔，再将玻璃片放入清洗液中冲洗1～2分钟。

5、用导热胶将硼硅酸玻璃片和刻蚀有三角型微槽阵列的硅片均匀粘合在一起，形成微型热管阵列芯片。

6、将蒸馏水从硼硅酸玻璃片的充注孔注入，检验液体是否能够在微型冷却通道中顺利流通，经检验符合要求后再将清洗液注入微型冷却通道中，反复冲洗1～2分钟。

7、用注射器将除去溶解空气的冷却工质注满整个微型冷却通道的回路，将除气孔用硅胶封好，使其完全与外界空气隔绝，再将充注孔用洁净的小玻璃片盖好；然后将微型热管阵列芯片放入盛有冷却工质的玻璃器皿中，并将玻璃器皿放入冰箱冷藏室，待硅胶固化后，将微型热管阵列芯片从冰箱取出，再通过缓慢加热使冷却工质气化后从充注孔跑出，待微型冷却通道内剩余的冷却工质达到设定体积容量时，用硅胶将充注孔封好，完成具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备。

与亲疏水性呈均匀单一分布的传统表面相比，本发明微型热管阵列芯片中的功能表面可以有效提高液体的回流速度，增强微型热管阵列芯片换热能力。而且充注过程简单可行、有效，充分考虑了芯片微型热管阵列内液体微小容量的特点。

附图说明

图1为微型热管阵列的结构示意图。

图1中，1为硅片，2为微型冷却通道，3为充注孔，4为除气孔。

图2为硼硅酸玻璃片的结构示意图。

图2中，3为充注孔，4为除气孔，5为硼硅酸玻璃片。

图3是微型热管阵列芯片功能表面特征的示意图。

其中，(a)微槽道轴向阶梯状分布的接触角；(b)功能表面上的液滴分布。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明所述的具有功能表面的微型热管阵列芯片由刻蚀有三角形微型冷却槽道的硅片(图1)和硼硅酸玻璃片(图2)，经耐高温易固化的导热胶粘合一起而构成。

本发明的微型热管硅片结构如图1所示，硅片1的一个面上利用微电子工艺蚀刻有微型冷却通道2、充注孔3和若干除气孔4。微型冷却通道的截面为三角形，充注孔3和若干除气孔4分别位于微型冷却通道的两侧。

图2为微型热管阵列芯片硼硅酸玻璃片结构图。如图2所示，在硼硅酸玻璃片5上钻有充注孔3和若干除气孔4，分别与硅片1上的充注孔3和若干除气孔4的位置相对应。

实施例1

1)首先将硅片1置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在110的温度下浸泡10分钟，然后经过冲洗后再在氮气环境中加热10分钟，除去硅片表面的杂质后再进行双面抛光处理。

2)将经过上述处理的硅片1置于900℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4L/min，氧化时间为350分钟，使硅片上生成一层均匀的厚度为的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，将热管构型的微型冷却通道2、充注孔3、除气孔4的图形显影到硅片1上，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，形成三角型微槽阵列，刻蚀速率为所述三角形微型槽道深度为100μm。

3)配制烷基三氯硅烷的浓度为0.05mmol/L的乙醇溶液，将乙醇溶液沿微槽长度方向浸润热管，使乙醇溶液依次通过蒸发段、绝热段和冷凝段，因槽道内表面各段的浸润时间不同而使得各段对烷基三氯硅烷的吸附浓度也不同，近而在槽道内形成具有不同的表面亲疏水分布特性的功能表面。

4)将硼硅酸玻璃片5在清洗液中清洗10分钟，然后利用激光精准钻孔工艺在与硅片1上的充注孔3和除气孔4相对应的位置分别钻出充注孔3和除气孔4，再将玻璃片5放入清洗液中冲洗2分钟。

5)用导热胶将硼硅酸玻璃片5和刻蚀有三角型微槽阵列的硅片1均匀粘合在一起，形成微型热管阵列芯片。

6)将蒸馏水从硼硅酸玻璃片5的充注孔3注入，检验液体是否能够在微型冷却通道2中顺利流通，经检验符合要求后再将清洗液注入微型冷却通道2中，反复冲洗2分钟。

7)用注射器将除去溶解空气的冷却工质注满整个微型冷却通道2的回路，将除气孔4用硅胶封好，使其完全与外界空气隔绝，再将充注孔3用洁净的小玻璃片盖好；然后将微型热管阵列芯片放入盛有冷却工质的玻璃器皿中，并将玻璃器皿放入冰箱冷藏室，待硅胶固化后，将微型热管阵列芯片从冰箱取出，再通过缓慢加热使冷却工质气化后从充注孔3跑出，待微型冷却通道2内剩余的冷却工质达到设定体积容量时，用硅胶将充注孔3封好，完成具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备。

本发明具有功能表面的微型热管阵列芯片在应用过程中具有显著的技术特征，如图3所示，图3(a)为微槽道轴向各段阶梯状分布的接触角，本发明利用有机组织在固体表面形成的聚合单分子层(SAMs)来改变固体表面自由能，进而在固体表面形成表面能梯度。图3(b)为功能表面上的液滴分布示意。

实施例2

1)首先将硅片1置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在120℃的温度下浸泡15分钟，然后经过冲洗后再在氮气环境中加热15分钟，除去硅片表面的杂质后再进行双面抛光处理。

2)将经过上述处理的硅片1置于1000℃的高温环境下进行氧化反应，参与反.应的氧气流动速率为4.5L/min，氧化时间为400分钟，使硅片上生成一层均匀的厚度为的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，将热管构型的微型冷却通道2、充注孔3、除气孔4的图形显影到硅片1上，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，形成三角型微槽阵列，刻蚀速率为所述三角形微型槽道深度为200μm。

3)配制烷基三氯硅烷的浓度为0.05mmol/L的乙醇溶液，将乙醇溶液沿微槽长度方向浸润热管，使乙醇溶液依次通过蒸发段、绝热段和冷凝段，因槽道内表面各段的浸润时间不同而使得各段对烷基三氯硅烷的吸附浓度也不同，近而在槽道内形成具有不同的表面亲疏水分布特性的功能表面。

4)将硼硅酸玻璃片5在清洗液中清洗10分钟，然后利用激光精准钻孔工艺在与硅片1上的充注孔3和除气孔4相对应的位置分别钻出充注孔3和除气孔4，再将玻璃片5放入清洗液中冲洗2分钟。

5)用导热胶将硼硅酸玻璃片5和刻蚀有三角型微槽阵列的硅片1均匀粘合在一起，形成微型热管阵列芯片。

6)将蒸馏水从硼硅酸玻璃片5的充注孔3注入，检验液体是否能够在微型冷却通道2中顺利流通，经检验符合要求后再将清洗液注入微型冷却通道2中，反复冲洗2分钟。

7)用注射器将除去溶解空气的冷却工质注满整个微型冷却通道2的回路，将除气孔4用硅胶封好，使其完全与外界空气隔绝，再将充注孔3用洁净的小玻璃片盖好；然后将微型热管阵列芯片放入盛有冷却工质的玻璃器皿中，并将玻璃器皿放入冰箱冷藏室，待硅胶固化后，将微型热管阵列芯片从冰箱取出，再通过缓慢加热使冷却工质气化后从充注孔3跑出，待微型冷却通道2内剩余的冷却工质达到设定体积容量时，用硅胶将充注孔3封好，完成具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备。

实施例3

1)首先将硅片1置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在130℃的温度下浸泡20分钟，然后经过冲洗后再在氮气环境中加热20分钟，除去硅片表面的杂质后再进行双面抛光处理。

2)将经过上述处理的硅片1置于1300℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为5L/min，氧化时间为450分钟，使硅片上生成一层均匀的厚度为的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，将热管构型的微型冷却通道2、充注孔3、除气孔4的图形显影到硅片1上，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，形成三角型微槽阵列，刻蚀速率为所述三角形微型槽道深度为300μm。

3)配制烷基三氯硅烷的浓度为0.05mmol/L的乙醇溶液，将乙醇溶液沿微槽长度方向浸润热管，使乙醇溶液依次通过蒸发段、绝热段和冷凝段，因槽道内表面各段的浸润时间不同而使得各段对烷基三氯硅烷的吸附浓度也不同，近而在槽道内形成具有不同的表面亲疏水分布特性的功能表面。

4)将硼硅酸玻璃片5在清洗液中清洗15分钟，然后利用激光精准钻孔工艺在与硅片1上的充注孔3和除气孔4相对应的位置分别钻出充注孔3和除气孔4，再将玻璃片5放入清洗液中冲洗2分钟。

5)用导热胶将硼硅酸玻璃片5和刻蚀有三角型微槽阵列的硅片1均匀粘合在一起，形成微型热管阵列芯片。

6)将蒸馏水从硼硅酸玻璃片5的充注孔3注入，检验液体是否能够在微型冷却通道2中顺利流通，经检验符合要求后再将清洗液注入微型冷却通道2中，反复冲洗2分钟。

7)用注射器将除去溶解空气的冷却工质注满整个微型冷却通道2的回路，将除气孔4用硅胶封好，使其完全与外界空气隔绝，再将充注孔3用洁净的小玻璃片盖好；然后将微型热管阵列芯片放入盛有冷却工质的玻璃器皿中，并将玻璃器皿放入冰箱冷藏室，待硅胶固化后，将微型热管阵列芯片从冰箱取出，再通过缓慢加热使冷却工质气化后从充注孔3跑出，待微型冷却通道2内剩余的冷却工质达到设定体积容量时，用硅胶将充注孔3封好，完成具有功能表面的微型热管阵列芯片的制备。