基于微电铸工艺的金属铜沸腾换热表面的制作

【作者】 杜立群； 姬学超； 曹强； 王舒萱；

【机构】 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室； 大连理工大学辽宁省微纳米及系统重点实验室；

【摘要】 沸腾换热是指热量从壁面传递给液体使液体沸腾,通过气泡运动带走热量,使壁面冷却的一种传热方式。由于其传热系数远高于强制对流换热,是一种非常高效的热传递方式,因此在能源动力、机械制造、材料化工、电子通讯等领域均有应用。通过在沸腾表面添加微纳尺度的结构,可以增大换热面积,提供更多的汽化成核点,从而显著提高沸腾换热效率。为了满足电子芯片的高效散热需求,基于SU-8胶紫外光刻和微电铸技术制作了一款面积为4cm2,具有40000个微柱结构的金属铜沸腾换热表面。针对制作过程中SU-8胶去胶困难的问题,提出了一种预置溶胀间隙的去胶新方法:通过设计光刻掩膜,在SU-8胶膜上预置溶胀间隙,将完整的胶膜分隔成独立胶膜单元,去胶时利用SU-8胶的溶胀特性使独立胶膜单元脱离微电铸结构,从而实现去胶的目的。首先为了研究不同SU-8胶间隙尺寸对溶胀去胶效果的影响,建立了仿真模型并设置了六种间隙尺寸(6、10、14、18、22、26μm)用以分析。仿真结果表明在设置溶胀间隙时,需要选择合适的间隙尺寸。预设的溶胀间隙尺寸过大或过小均会对胶膜去除产生不利影响,仿真设置的六种间隙尺寸中14μm和18μm溶胀间隙去胶效果较好。然后设计溶胀实验验证仿真结果,选取10、14、18、22μm四种溶胀间隙尺寸进行去胶实验,四组实验的去胶结果与仿真结果的变化趋势具有一致性,结合实验与仿真结果,选用14μm作为预置间隙尺寸制作金属铜沸腾换热表面。为了防止微电铸过程中电铸液与间隙区域直接接触发生金属电沉积,在SU-8胶与铜金属基底之间设置一层BN负胶隔离层。为了去除基底残胶及杂质从而改善属基底表面状况,在制作SU-8胶膜前对金属基底进行氧等离子体处理。最后通过基板预处理、BN308胶膜制作、SU-8胶膜制作、微电铸铜、平坦化处理、去除BN308隔离层、去除SU-8光刻胶七步工艺,制作出了具有40000个微柱结构的沸腾换热表面,沸腾换热表面面积为4cm2,单个微柱结构尺寸为50μm×50μm×50μm,结构间距为50μm。提出的预置溶胀间隙法解决了现有利用UV-LIGA工艺制作金属沸腾换热表面去胶困难的问题,为密集型金属微阵列结构的制作提供了一种新的有效去胶方法。更多还原