[发明专利]一种超浸润金刚石微通道热沉的制备方法及其使用方法

说明书

本发明公开了一种超浸润金刚石微通道热沉的制备方法，包括a.采用多晶金刚石片作为微通道结构材料，利用高精密激光刻蚀对多晶金刚石片进行微通道热沉结构加工使其表面形成微通道沟槽，制备出多晶金刚石微通道热沉；b.采用无掩膜加工法对多晶金刚石微通道热沉表面进行微纳结构构筑，并进行氧等离子体表面处理，制备具有超浸润性能的金刚石微通道热沉；c.采用金刚石作为微通道结构材料并进行高精密激光加工，采用液态金属和水介质混合的双流体冷却工质进行换热，可以满足高功率电子系统超高热流密度散热需求。

技术领域

本发明涉及高功率半导体器件散热热沉制备工艺技术领域，具体涉及一种超浸润金刚石微通道热沉的制备方法及其使用方法。

背景技术

随着电子工业和半导体行业的迅猛发展，各类电子芯片不断向小型化、高集成化发展；同时，芯片功能和性能的不断提升，进一步增加其计算频率；导致芯片的功耗越来越大，发热问题日益严峻。芯片发热主要源于内部元件的焦耳热效应及晶体管泄漏电流热效应，集成度越高、泄漏功耗越大，则热现象越显著。芯片热问题的两个关键参数为热设计功耗和局部热流密度，热设计功耗表征单颗芯片正常工作达到最大负荷时释放的总热量，而局部热流密度描述芯片表面局部位置单位表面积产生的热功率；热设计功耗越大则需要的冷板换热面积越大，宏观上意味着散热器体积更大(换热问题)，而局部热流密度过高或者不均匀将带来局部热点问题(热展开问题)；这两方面已经成为高端芯片的两大散热瓶颈，给散热技术带来了严峻的热障挑战，亟待高效散热的热沉制备及应用技术来解决相关难题。

高功率电子器件散热需求的不断提高推动着冷却技术的快速发展。风冷是目前低功耗电子器件主要采用的散热方式，包括空气自然对流冷却和强制对流风冷，均具有简单、可靠、成本低的优势，但其散热能力有限，通常只适用于热流密度10W/cm2的情形。热管是一种高效的热传输元件，1963年由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的GeorgeGrover发明，其等效热导率极高，一般在104W/m·K量级；基于热管进行CPU冷却是目前笔记本电脑主流散热方式，其散热热流密度在101～102W/cm2范围。当热流密度达到102～103W/cm2范围，往往需要采取液冷措施进行散热，包括单相对流液冷和两相沸腾冷却。1981年，由Tuckerman和Pease开创性地提出微通道散热概念，它以微细流道结构作为热交换体，特点是结构紧凑、散热能力强，已经成为解决超高热流密度电子芯片散热问题的一种高端冷却方法；有实验结果表明，当水的流量为10cm3/s，水的温升为71℃时，微通道冷却热流可高达790W/cm2；这一冷却能力远胜常规手段所能达到的水平。因此，可以判断：采用微通道结构作为热交换体，其内细密的流道结构不仅减薄了传热边界层，而且大幅度增加了对流换热面积，可以实现较小空间内极为高效的换热性能，作为先进半导体器件高效紧凑型冷却装置极具优势。

微通道冷却系统的高效换热性能，是综合材料结构、冷却工质及其相互作用等多因素耦合下的系统优化结果。然而传统材料及冷却工质在力图突破更高极限热流时面临两个关键的难题：材料与工质低热导率导致的性能局限以及工质低沸点导致的稳定性缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种超浸润金刚石微通道热沉的制备方法及其使用方法，解决高功率电子系统散热及热展开问题。

本发明的一种超浸润金刚石微通道热沉的制备方法，包括以下步骤：

a.采用多晶金刚石片作为微通道结构材料，利用高精密激光刻蚀对多晶金刚石片进行微通道热沉结构加工使其表面形成微通道沟槽，制备出多晶金刚石微通道热沉；

b.采用无掩膜加工法对多晶金刚石微通道热沉表面进行微纳结构构筑，并进行氧等离子体表面处理，制备具有超浸润性能的金刚石微通道热沉；

进一步，步骤a中，所述多晶金刚石片为化学气相沉积金刚石，表面粗糙度小于10nm，多晶金刚石片的长度为10-100mm，宽度为10-100mm，厚度为1-5mm，热导率为1000-2000W/m·K；