銅微溝道熱沉精密加工技術(shù)研究

楊文韜，梁一平，王立威，韓文娟

(1.六盤水師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系，貴州六盤水 553004;2.六盤水市光電信息技術(shù)重點實驗室，貴州六盤水 553004;3.重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 400047)

微溝道傳熱是傳熱領(lǐng)域的前沿技術(shù)，具有體積小、制冷功率大的特點，在半導(dǎo)體器件冷卻領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢，在大功率激光器列陣、大型計算機(jī)芯片冷卻、可控核聚變、航天技術(shù)、電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。微通道散熱是1981年美國斯坦福大學(xué)斯坦福電子實驗室Tuckerman等［1］首先提出的。其基本思路是通過制作微小通路增大換熱面積，使液體傳熱媒質(zhì)如水通過微管道帶走管外的熱量，從而實現(xiàn)降溫冷卻的目的。國內(nèi)外對這種傳熱技術(shù)予以了廣泛的關(guān)注，形成了當(dāng)前傳熱領(lǐng)域的一個研究熱點。有的從溝道形狀設(shè)計方面進(jìn)行了研究，找到一些優(yōu)化設(shè)計的方案［2-3］;有的對傳熱工質(zhì)進(jìn)行研究，包括單相流到多相流以及流體中加入納米材料增強(qiáng)傳熱等方面［4-7］。

將大功率半導(dǎo)體激光器采用微溝道冷卻是從美國加州大學(xué)利福莫爾國家實驗室開始的，自1988年以來他們在連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)輸出的大功率半導(dǎo)體激光器列陣主動冷卻方面取得一系列的研究成果［8-10］，最終制造出微通道冷卻封裝組件［11］。它具有制冷效果好、體積小、便于將多個二極管激光器列陣迭層組裝為面陣以獲得極大功率半導(dǎo)體激光輸出的優(yōu)點。重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院戴特力［12］帶領(lǐng)的團(tuán)隊取得了微通道冷卻方面的輝煌成績，在國內(nèi)首次成功制作了用于半導(dǎo)體激光器冷卻的硅微溝道組件，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

國內(nèi)外制作微通道制冷器一般都采用硅微通道結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于制作技術(shù)成熟，可以制作精細(xì)微通道;然而硅微溝道熱沉需要專業(yè)的設(shè)備加工，焊接工藝復(fù)雜，制作成本高，難以推廣應(yīng)用，目前基本上還局限于實驗室使用。如何制作成本更低的微通道是微溝道散熱實用化的一個必須解決的問題。紫銅具有熱導(dǎo)率高的特點，能實現(xiàn)紫銅的溝道加工和焊接，是銅微通道降低成本的一種較好的方法。銅微溝道加工一般需要采用雕銑機(jī)雕銑的方法實現(xiàn)。普通機(jī)械加工方法存在的問題是加工存在剪應(yīng)力，需加工的溝道壁太薄會導(dǎo)致破裂，溝道和溝壁厚度受到限制，不可能加工很薄的溝道壁。普通雕銑機(jī)很難加工壁厚低于300 μm的溝道，太薄的管道壁會導(dǎo)致加工時管道壁穿孔。要提高換熱器件換熱能力，需要有效地增加換熱面積，降低溝道壁厚是唯一的選擇。雕銑加工后獲得的微溝道壁有很多毛刺(如圖1)，會增加溝道阻力系數(shù)，毛刺也很容易脫落阻塞微通道，導(dǎo)致制冷工質(zhì)無法通過微通道。

圖1 雕銑加工后的微溝道在250倍顯微鏡下存在的大量毛刺

在實驗中采用了對比的研究方法，對鏡面電火花機(jī)二次加工和化學(xué)方法綜合處理的效果進(jìn)行了比較。鏡面火花機(jī)可能加工的精度為微米級，加工后表面可達(dá)到鏡面效果。電極采用銅材料，但銅加工電極損耗很快，加工成本高，二次加工薄壁穿孔概率也很高。實驗證明，采用機(jī)械-化學(xué)二次加工方法，工藝簡單，加工表面光滑均勻平整，可以精確地控制加工速度;加工時由于工件不會承受應(yīng)力作用，溝道壁可加工得很薄也不會損壞，從而可獲得理想的銅微溝道。

1 加工工藝優(yōu)化

機(jī)械-化學(xué)二次加工工藝制作銅微溝道的具體方法是:先運(yùn)用雕銑機(jī)在需要刻槽和間壁的位置預(yù)先刻出溝道壁和溝道均為300 μm的微溝道，然后采用化學(xué)腐蝕的方法對間壁做進(jìn)一步腐蝕，讓間壁達(dá)到需要的厚度。通過反復(fù)實驗，掌握了腐蝕液與腐蝕速度之間的關(guān)系，通過精確計算，采用不同配方和濃度的腐蝕液對銅微溝道進(jìn)行二次處理，在實驗室中獲得了薄壁厚度僅為10 μm的微溝道，達(dá)到了預(yù)期目的?；瘜W(xué)處理后微通道的顯微照片(圖2、3)顯示:微溝道內(nèi)沒有毛刺，很光滑，便于通過氣液兩相流。

化學(xué)方法處理銅微通道的原理是銅在FeCl3，CuCl2，KCl溶液中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成易溶物質(zhì)，反應(yīng)條件為室溫。

化學(xué)方程式是:

配置腐蝕速度不同的腐蝕溶液的方法如下:

定速腐蝕液:將一定比例的FeCl3和HCl溶解于適量水中制得。只要將FeCl3物質(zhì)的量濃度控制在0.25～1.0 mol/L范圍內(nèi)，則腐蝕速度基本不變，如圖4所示。

可變速腐蝕液:將 CuCl2，KCl，HCl溶解于適量水中制得。從實驗中獲得了變速腐蝕速度與濃度的關(guān)系，如圖5所示。

圖2 化學(xué)處理后的微溝道50倍顯微照片

圖3 化學(xué)處理后的微溝道250倍顯微照片

圖4 定速腐蝕液濃度與腐蝕速度關(guān)系

圖5 變速腐蝕液濃度與腐蝕速度關(guān)系

定速腐蝕液的速度基本固定，隨溶液濃度速度變化很小，適用于將機(jī)械加工的溝道大幅度減薄到接近預(yù)定的厚度。然后改為可變速腐蝕液，選用合適的濃度，便于掌控腐蝕速度，對溝道壁進(jìn)行進(jìn)一步的精確減薄，最后得到厚度精確的溝道壁。如果腐蝕工件較厚，需要更大腐蝕速度，可以放入超聲清洗機(jī)中振蕩以增加腐蝕效率且增幅較大。銅微溝道機(jī)械-化學(xué)二次加工工藝處理步驟如下:

1)將銅板使用普通機(jī)械雕銑機(jī)加工粗坯，獲得約300 μm的溝道。

2)將雕銑加工后的微通道銅材放入燒杯，倒入分析純丙酮并放入超聲波清洗器中超洗3次，每次8 min。

3)將用丙酮超洗過的微通道銅材加入分析純酒精，超洗1次，約10 min。

4)用燒杯配置快速腐蝕液，可放在可調(diào)電壓的電爐上略加熱，保證加熱溫度小于60℃，除去機(jī)械加工毛刺。

5)用去離子水清洗工件，應(yīng)用阿貝測長儀測量溝道寬度和溝道壁厚度，選擇合適的腐蝕液，計算達(dá)到設(shè)計尺寸需要的腐蝕的時間。

6)將微溝道基板放入腐蝕液腐蝕。

7)將腐蝕后的微通道基板放入超洗機(jī)中用去離子水超洗5次，每次5 min，可見有黃色物質(zhì)被超洗掉。

8)使用水沖洗腐蝕液。

9)使用去離子水超洗10遍，每遍6 min。

10)無水酒精超洗。

11)使用丙酮超洗3遍，獲得精密的銅溝道工件。

2 結(jié)束語

微溝道毛刺化學(xué)加工技術(shù)是銅微溝道制作的一項關(guān)鍵技術(shù)，在室溫條件下首先利用雕銑機(jī)將銅板加工成初坯，然后利用快速腐蝕配方將溝道壁調(diào)節(jié)快速腐蝕到基本符合需要的厚度，此時銅微溝道毛刺已被去除;接著，利用慢速腐蝕配方將溝道壁精確控制到需要的厚度。實驗證實，微溝道壁可以利用化學(xué)方法達(dá)到10 μm而不會穿孔。這項技術(shù)對制作精密微溝道壁有十分重要的意義，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值。

［1］Btuckerman D，Pease R F W.High-performance heat sinking for VLSI［J］.IEEE Electron Device Letters，1981，1(5):126-129.

［2］Husain A，Kim K Y.Shape Optimization of Micro-Channel Heat Sink for Micro-Electronic Cooling［J］.Components and Packaging Technologies，2008，31(2):322-330.

［3］Sung-Min Kim，IssamMudawar.Analytical heat diffusion models for different micro-channel heatsink cross-sectional geometries［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(19/20):4002-4016.

［4］Bello-Ochende T，Liebenberg L，Meyer J.Constructal cooling channels for micro-channel heatsinks［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2007，50(21/22):4141-4150.

［5］Engineering A T.Micro-channel heat sink with slurry of water with micro-encapsulated phase change material:3D-numerical study［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29(2/3):445-454.

［6］Jang S P，Choi S U.Cooling performance of a microchannel heat sink with nanofluids［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26(17/18):2457-2463.

［7］Farsad E，Abbasi S P，Zabihi M S，et al.Numerical simulation of heat transfer in a micro channel heat sinks using nanofluids［J］.Heat and Mass Transfer，2011，47(4):479-490.

［8］Mundinger D，Beach R，Benett W，et al.Demonstration of high performance silicon microchannel heat exchangers for laser diode array cooling［J］.Applied Physics Letters，1988，53(12):1030-1032.

［9］Beach R，J Benett W，F(xiàn)reitas B L，et al.Modular Microchannel Cooled Heatsinks for High Average Power Laser Diode Arrays［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1992，28(4):966-976.

［10］Missaggia L，Walpole J，Liau Z，et al.Microchannel heat sinks for two-dimensional high-power-density diode laser arrays［J］.IEEE J.Quantum Electron，1989，25(9):1988-1992.

［11］Benett W J，Beach R J，Ciarlo D R.Monolithic Microchannel Heatsink［P］.United States Patent.1996.

［12］戴特力，羅於靜，王華，等.測量激光二極管條微溝道封裝熱沉的熱阻尼系數(shù)［J］.激光雜志，2000，21(3):29-31.