[发明专利]基于纳米受限水压热效应的循环冷却系统制备方法

说明书

本发明公开了一种基于纳米受限水压热效应的循环冷却系统制备方法，首先将需要散热的电子芯片集成在硅晶圆上，硅晶圆上设有凹槽；然后在凹槽内沉积受限层；其次，在硅晶片的表面上制备刚性的纳米柱阵列，并使得纳米柱阵列位于硅晶圆的凹槽内且受限层接触；接着在凹槽内浇铸环氧树脂膜，冷却后分离硅晶圆和硅晶片，并在得到的纳米微孔阵列中通过蒸汽压填充液态制冷剂；最后在硅晶片上沉积压电薄膜。通过压电薄膜驱动纳米柱的移动从而实现对制冷介质进行加压和减压，诱导被限制在纳米微孔中的水中产生相变，从而实现制冷。本制冷系统具有绝热温变大、工作温度宽、制冷介质清洁无污染等优点。

技术领域

本发明涉及电子元器件制冷领域，尤其涉及一种基于纳米受限水压热效应的循环冷却系统制备方法。

背景技术

随着科学技术和社会经济的不断发展，人们对制冷的需求不断提高。传统的基于气体压缩的制冷技术不仅效率低下，而且卤代烃制冷剂的大量使用造成了严重的臭氧层空洞效应和温室效应。此外，随着大规模集成电路技术的高速发展，电子芯片技术朝着低功耗、高性能、微型化方向不断推进，芯片的热流密度变得越来越高，如何有效散热已成为制约电子元器件性能的瓶颈问题。解决这些问题迫切需要发展更先进的制冷技术。

近年来，基于固体材料相变热效应的固态相变制冷技术得到了广泛的研究。固体制冷技术是特殊固体材料在外场作用下，通过改变材料物理自由度(如分子极化、磁矩等)的混乱度产生熵变，从而产生温度变化的技术，其大致可以分为磁热制冷、电热制冷、弹热制冷与压热制冷。固态相变制冷具有无污染、低噪音、高效节能等优点，但也存在着材料价格昂贵、驱动外场过大、相变潜热较小等缺点，阻碍了制冷效率的进一步提升和技术的广泛应用。

相比较于固态制冷材料，水、乙醇等液态物质，在相变过程中可蕴含更大的潜热。同时，水作为制冷剂对环境无污染，且成本低廉。然而，在传统的基于物质体相变的制冷循环中，需要制冷剂蒸发吸热。不幸的是，水的沸点过高，不利于在室温附近进行循环制冷。此外，用水作为制冷剂，相变潜热虽大，但是在工作压强下，产生的水蒸气的体积远大于商用制冷剂，导致压缩功过大，使得水作为制冷剂的制冷效率远低于氟氯昂和固体材料，不利于大规模应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于纳米受限水压热效应的循环冷却系统制备方法，提出使用水作为绿色制冷剂，在室温下实现高效制冷的策略。这种制冷技术不局限于水、还适用于乙醇等极性液体，并有望发展成等温熵变大、绝热温变高、制冷区间宽、稳定高效的循环冷却系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于纳米受限水压热效应的循环冷却系统制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将需要散热的电子芯片集成在硅晶圆上，所述硅晶圆远离电子芯片的一侧的端面上设有边缘凹槽；

步骤二：在所述硅晶圆的凹槽内沉积具有良好热传导性能的受限层；

步骤三：在硅晶片的表面上制备刚性的纳米柱阵列，并将其倒置在硅晶圆的凹槽上，使得硅晶片上的纳米柱阵列位于硅晶圆的凹槽内且和凹槽内的受限层接触；

步骤四：在硅晶圆的凹槽内浇铸环氧树脂膜，冷却后分离硅晶圆和硅晶片，使得硅晶圆凹槽内受限层上的环氧树脂膜中形成和硅晶片表面上纳米柱阵列相匹配的纳米微孔阵列；

步骤五：通过蒸汽压，将液态制冷剂填充到纳米微孔阵列的纳米微孔中；

步骤六：在硅晶片远离纳米柱阵列一侧的端面上沉积压电薄膜，以便通过外加电场精确控制纳米柱阵列上下运动，进而诱导受限在纳米微孔中的制冷剂发生相变，对集成在硅晶圆上的电子芯片进行散热。

作为本发明基于纳米受限水压热效应的循环冷却系统制备方法进一步的优化方案，步骤二中的受限层采用石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼中的任意一种制成。