本發明涉及一種具有微/納復合碳納米管陣列結構的硅基微型脈動熱管冷卻器，應用于集成IC電子元器件的高效溫控冷卻技術領域。

背景技術：

隨著微電子技術和大規模集成電路的迅速發展，微電子芯片的發熱強度越來越大，生成的熱量若無法及時排除，將嚴重影響微電子元件甚至整個系統的工作性能和使用壽命。因此，發展高效緊湊的微電子溫控技術，以解決芯片冷卻空間狹小、散熱困難等問題是當前該領域發展所面臨的緊迫任務。

在各種微電子器件散熱冷卻技術中，脈動熱管因其結構簡單、無需吸液芯以及獨特的散熱性能和良好的空間適應性正日益受到關注，被認為是一種極具發展前景的新型散熱冷卻技術。而通過MEMS技術加工的硅基微型脈動熱管由于整體尺寸較小，能夠與散熱空間高度受限的微電子芯片直接集成而在微電子器件散熱領域得到廣泛運用，但研究發現隨著加熱功率的增大，微型脈動熱管蒸發段容易出現“燒干”現象，振蕩被抑制，溫控能力下降。McCarthy等在《Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering》（微/納尺度熱物理工程）（2014年卷3，18期）上發表的“Materials, Fabrication, and Manufacturing of Micro/Nanostructured Surfaces for Phase-Change Heat Transfer Enhancement”（微/納結構表面的設計與加工及其相變傳熱性能分析）一文中指出，微納復合結構表面能夠有效驅動液相流動和促進液膜蒸發，提高電子器件冷卻溫控的能力，因此將微/納復合結構作為吸液芯對微型脈動熱管傳熱性能提高具有較高的潛在應用價值。根據MEMS技術在微加工方面的獨特優勢和硅表面成熟的碳納米管陣列生長技術，適當調整或改進微型脈動熱管的通道表面使其成為微/納復合碳納米管陣列結構表面，可提高熱管承載熱負荷能力和冷卻溫控性能。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服普通通道硅基微型脈動熱管內部工質蒸發段易發生“燒干”和溫度不均勻以及現有微型脈動熱管啟動狀態差等技術缺陷，通過改變脈動熱管通道表面結構設計出一種兼具吸液芯熱管和普通脈動熱管的特點，能明顯改善熱管的啟動狀態和提高其冷卻溫控性能以及承載熱負荷能力的微/納復合碳納米管陣列結構的硅基微型脈動熱管。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：一種具有微/納復合結構的硅基微型脈動熱管，包括復合為一體的半導體硅片和耐熱硼硅酸玻璃片，所述半導體硅片上刻蝕有若干微槽道和抽真空/注液微槽道，所述微槽道與所述抽真空/注液微槽道連通，所述微槽道表面為微/納復合結構表面；所述耐熱硼硅酸玻璃片上加工有抽真空/注液孔；所述抽真空/注液孔與半導體硅片上的抽真空/注液微槽道的頂端位置相對應。

上述方案中，所述半導體硅片和所述耐熱硼硅酸玻璃片通過高壓靜電鍵合為一體。

上述方案中，所述微槽道上的微/納復合結構表面通過碳納米管陣列生長技術形成。

上述方案中，所述半導體硅片上刻蝕有若干條平行的微槽道，每條微槽道的兩端形成U型彎頭，微槽道右側有與之想連通的抽真空/注液微槽道。

上述方案中，所述抽真空/注液微通道內液體工質充注體積占整個熱管回路總體積的40%~70%；所充液體工質為低沸點的相變工質FC-72或FC7100或R141b。

上述方案中，所述微槽道寬度為200 μm~800 μm；所述微槽道橫截面形狀為矩形或梯形。

上述方案中，所述微/納復合結構表面由碳納米管管束陣列形成微肋或微腔。

上述方案中，所述微肋或微腔的橫截面形狀為三角形或者方形或者圓形；所述微肋或微腔的橫截面當量直徑為數微米至數十微米；所述微肋或微腔的高度為數微米至數十微米量級；所述微肋或微腔與相鄰微肋或微腔的縱、橫向間距均為數微米至數十微米。

上述方案中，所述的微肋或微腔陣列排列方式為順排或叉排。

本發明的硅基微型脈動熱管通過與半導體芯片直接集成為一體，應用于微電子器件的散熱冷卻。

本發明的有益效果：本發明將圖形化的碳納米陣列通過氣相沉積方式直接生長覆蓋在加工得到的微通道底面，形成微/納復合結構，有效驅動液相流動和促進液膜蒸發，增大其冷卻溫控能力。相比較現有普通通道微型脈動熱管，本發明的微/納復合結構的硅基微型脈動熱管還具有如下優勢：（1）本發明所述的微通道表面的微肋/微腔結構可繼承微型熱管傳統吸液芯的功能，利用汽相流動逸出與液相輸運傳遞和補充，而形成微肋/微腔的碳納米管管束陣列則可進一步提高毛細力和增大薄液膜蒸發面積，有效增強熱管內工質的潤濕和再潤濕性能。（2）本發明所述的微通道表面的微/納復合碳納米管陣列結構增加了形成沸騰核化點的表面孔隙數量，在蒸發段附近的任意位置都有可能發生核化現象，由此降低熱管的啟動溫度和縮短熱管的啟動時間，增強傳熱能力。（3）本發明中所述的微/納復合碳納米管陣列結構表面設計能有效促進通道內工質由冷凝段向蒸發段補充，明顯抑制蒸發段“燒干”狀態的出現，有力提升其承載熱負荷的能力和冷卻溫控性能，由此平衡微電子芯片“熱點”溫度并增強熱管整體均溫性。（4）本發明的微/納復合結構的硅基微型脈動熱管能夠與微電子芯片集成為一體，無需額外功耗而有效提高芯片的冷卻效果和承載熱負荷能力。

附圖說明

圖1為本發明中微/納復合碳納米管陣列結構的硅基微型脈動熱管硅片結構示意圖。

圖2為圖1中M處的局部放大圖。

圖3為圖1中A-A處截面示意圖。

圖4為圖2中B-B處截面示意圖。

圖5為本發明中微/納復合碳納米管陣列結構的硅基微型脈動熱管玻璃片結構示意圖。

圖6為本發明中微/納復合碳納米管陣列結構的硅基微型脈動熱管的一種微/納復合結構表面。

圖7為本發明中微/納復合碳納米管陣列結構的硅基微型脈動熱管的第二種微/納復合結構表面。

圖8為本發明中微/納復合碳納米管陣列結構的硅基微型脈動熱管的第三種微/納復合結構表面。

圖中：1、硅片；2、微槽道； 3、抽真空/注液微槽道；4、硼硅酸玻璃片；5、微/納復合結構表面；6、微肋；7、碳納米管；8、抽真空/充注孔；9、微腔。

具體實施方式

為進一步了解本發明的內容，下面將結合說明書附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。

本發明通過MEMS靜電鍵合技術，將硼硅酸玻璃片4與刻蝕具有微/納復合結構表面5的硅片1通過陽極鍵合技術合為一體，形成由玻璃密封的微/納結構硅基微型脈動熱管。

實施例1：如圖1~圖6所示，微/納復合結構的硅基微型脈動熱管由一對半導體的硅片1和耐熱的硼硅酸玻璃片4鍵合而成。其中硅片1與硼硅酸玻璃片4接觸的表面通過等離子干刻技術刻蝕有矩形截面的微槽道2；微槽道2表面通過硅基表面碳納米管陣列生長技術覆蓋一層碳納米管7，從而形成具有微肋6復合結構的微/納復合結構表面5；硼硅酸玻璃片4上加工有抽真空/注液孔8；抽真空/注液孔8與抽真空/注液微槽道3的頂端位置相對應。從所述的抽真空/注液孔8充注50%體積分數的FC-72。

圖1~圖4中，硅片1大小為50 mm×20 mm，其中熱管縱向長度為38 mm，橫向寬度為18 mm。硅片上刻有12條中心線與硅片邊界相互平行的微槽道，并在兩側各形成6個U型彎頭。微槽道的橫截面形狀為矩形，深度280 μm，寬度為800 μm，通道橫截面當量直徑414.8 μm。圖6中，微肋復合結構碳納米管陣列的微肋6截面形狀為圓形，直徑為20 μm，微肋6高度為5 μm，微肋橫向和縱向間距均為20μm，微肋排列方式為順排。

根據前述的工作原理，該微肋結構能夠繼承微型熱管傳統吸液芯功能，利用汽相流動逸出與液相輸運傳遞和補充，而微肋內的碳納米管管束則在微肋基礎上進一步提高毛細泵功和增大薄液膜蒸發面積，有效增強熱管內工質的潤濕和再潤濕效果，增強傳熱溫控能力。

實施例2：如圖1~圖4、圖5和圖7所示，同實施例1，所不同的是該微納復合結構的硅基微型脈動熱管的微槽道2表面的微肋復合結構與圖6中的存在一定差別。本微槽道橫截面形狀與深度均與實施例1相同，圖7中微肋復合結構的碳納米管陣列的微肋高度、直徑和縱/橫向間距均與圖6相同，但是碳納米管管束的排列方式為叉排。

同樣，如圖7所示的微納復合結構硅基微型脈動熱管繼承了傳統熱管的吸液芯功能，并增強了管內工質的潤濕和再潤濕效果，有效增強傳熱溫控能力。

實施例3：同實施例1和實施例2，微納復合結構硅基微型脈動熱管的微槽道橫截面形狀與深度均與實施例1相同，所不同的是其微槽道表面如圖8。圖8中微納復合結構為碳納米管陣列的微腔9，其中，微腔9的形狀、高度、排列方式和疏密程度與實施例1相同。

本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其中微肋/腔的直徑、微肋/腔間的中心距、高度等均可根據實際需要進行調整。雖然以上描述了本發明的一個具體實施方案，但本領域內的科技人員應當理解，這些實施實例可以做出多種變更或修改，而不背離本發明的原理和實質，本發明的范圍僅有所附權利要求書限定。