本发明属于微电子散热技术领域，针对现有技术存在的问题，本发明提供一种微流体散热通道、散热方法及制备方法。该制备方法通过光刻、金属微电铸和金属键合等工艺来实现基于分布式喷嘴结构的全金属散热微通道。本发明分别对应在底层、中间层以及顶层金属衬底上使用光敏材料制备相应的微结构模具；通过金属微电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A；通过激光微细加工工艺对金属微结构A进行孔加工，形成具有流通孔的金属微结构B；对金属微结构B进行化学机械抛光后，通过金属键合工艺，形成基于分布式喷嘴结构的微流体散热通道。
分别对应在底层、中间层以及顶层金属衬底上使用光敏材料制备相应的微结构模具；
通过金属微电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A；所述金属微结构A制备方法是：通过金属微电铸工艺，使用所述的微结构模具，制成具有圆柱体凸台的顶层金属衬底、具有直通进液流道的中间层金属衬底以及具有直通回流通道的底层金属衬底；
通过激光微细加工工艺对金属微结构A进行孔加工，形成具有流通孔的金属微结构B；
所述金属微结构B制备方法是：通过激光工艺在金属微结构A的顶层金属衬底上加工与直通回流通道连通位置对应且连通的回流孔；将圆柱体凸台顶部加工成具有圆孔的喷嘴结构，同时在每个圆柱体凸台底部加工进液孔；通过激光工艺在金属微结构A的中间层金属衬底上加工p个回流孔，同时在中间层金属衬底加工与直通进液通道连通的进液口；通过激光工艺在金属微结构A的底层金属衬底上加工与直通回流通道连通的出液口；
对金属微结构B进行化学机械抛光后，通过金属键合工艺，形成基于分布式喷嘴结构的微流体散热通道。
2.根据权利要求1所述的一种微流体散热通道制备方法,其特征在于所述圆柱体凸台底部对应与中间层金属衬底的直通进液流道连通；顶层金属衬底、中间层金属衬底以及底层金属衬底都具有边缘结构。
3.根据权利要求2所述的一种微流体散热通道制备方法,其特征在于所述直通进液流道为n行；所述直通回流流道为n+1行或者n-1行；直通进液流道与直通回流流道在两个金属衬底层上间隔对应设置。
4.根据权利要求1所述的一种微流体散热通道制备方法,其特征在于顶层金属衬底上所加工的回流孔位置与中间层金属衬底上的回流孔的位置一一对应；
同时在底层金属衬底上加工与中间层上进液口对应尺寸、对应位置的进液口；
所述回流孔与直通回流通道和出液口连通；所述进液孔与与进液口连通。
5.根据权利要求4所述的一种微流体散热通道制备方法,其特征在于所述喷嘴结构设置在顶层金属衬底中央，共设置n行m列个喷嘴。
6.根据权利要求1所述的一种微流体散热通道制备方法,其特征在于对金属微结构B进行化学机械抛光指的是对金属结构B顶层金属衬底表面、中间层金属衬底表面以及底层金属衬底表面进行化学机械抛光；所述表面的粗糙度RMS小于等于10nm。
7.基于权利要求4所述微流体散热通道制备方法的散热方法,其特征在于散热过程包括：
冷却液依次通过微流体散热通道的进液口、直通进液流道、进液孔以及喷嘴后喷出；然后喷落的冷却液依次通过回流孔、直通回流流道、出液口流出。
8.基于权利要求4所述微流体散热通道制备方法的散热通道,其特征在于包括：
顶层微流体散热通道结构，用于通过电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A，制成具有圆柱体凸台的顶层金属衬底；然后通过激光工艺在金属微结构A的顶层金属衬底上加工与直通回流通道位置对应且连通的回流孔；将圆柱体凸台顶部加工成具有圆孔的喷嘴结构，同时在每个圆柱体凸台底部加工进液孔；
中间层微流体散热通道结构，用于通过电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A，制成具有直通进液流道的中间层金属衬底；然后通过激光工艺在金属微结构A的在中间层金属衬底上加工p个回流孔，同时在中间层金属衬底加工与直通进液通道联通的进液口；顶层金属衬底上回流孔位置与中间层金属衬底上回流孔的位置一一对应；
底层微流体散热通道结构，用于通过电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A，制成具有直通回流通道底层金属衬底；通过在金属微结构A的底层金属衬底上加工与直通回流通道连通的出液口，同时在底层金属衬底加工与中间层上进液口对应尺寸对应位置的进液口；
分布式喷嘴结构的微流体散热通道，用于对顶层微流体散热通道结构，中间层微流体散热通道结构，底层微流体散热通道结构表面都进行抛光后，利用金属键合工艺进行处理，形成基于分布式喷嘴结构的微流体散热通道，其中所述圆柱体凸台底部对应与中间层金属衬底的直通进液流道连通；顶层金属衬底、中间层金属衬底以及顶层金属衬底都具有边缘结构；
所述回流孔与直通回流通道连通；所述进液孔与进液口连通。
9.根据权利要求8所述的微流体散热通道制备方法的散热通道，其特征在于所述直通进液流道为n行；所述直通出液流道为n+1行或者n-1行，直通进液流道与直通回流流道在两个金属衬底层上间隔对应设置；所述喷嘴结构设置在顶层金属衬底中央，共设置n行m列个喷嘴。
10.根据权利要求9所述的微流体散热通道制备方法的散热通道，其特征在于所述对金属微结构B进行化学机械抛光指的是对金属结构B顶层金属衬底表面、中间层金属衬底表面以及底层金属衬底表面进行化学机械抛光；所述表面的粗糙度RMS小于等于10nm。
一种微流体散热通道、散热方法及制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于微电子散热技术领域，尤其是一种微流体散热通道、散热方法及制备方法。
背景技术
[0002] 随着芯片功率的增大和集成度的提升，芯片的发热量显著增大；传统的远程散热技术已经不能满足大功率芯片的散热需求。散热能力不足，会导致芯片效率降低，甚至导致芯片失效；因此，有必要采用新的冷却技术。
[0003] 微流体散热技术是一种新兴的嵌入式芯片级增强冷却技术。它通过微尺度的连续流体对芯片进行直接冷却，最大限度地降低了远程散热模式中各热沉间热阻对散热效率的影响，从而大幅度提升芯片的冷却效率。
[0004] 基于分布式喷嘴结构的微流体散热技术是一种高效的微流体散热技术。它的典型结构通常包括：位于结构底部的进液口和出液口；分别与进液口和出液口连接的直通流道；与直通流道连通的分布式进液孔和回流孔；以及位于结构顶部的分布式喷嘴。这种散热技术利用分布式喷嘴来产生喷射状的流体。芯片通过这种连续流体来实现冷却。与简单的直通微流道相比，这种喷射状的冷却方式大幅度改善了冷却液的流动状态，冷却效率更高。
[0005] 业内常用深硅干法刻蚀工艺、键合工艺制备硅基微流体散热通道，这种方法很难制备复杂结构；且深硅干法刻蚀工艺技术难度较高，加工成本高。
[0006] John等人(Embedded Cooling Of High Heat Flux Electronics Utilizing Distributed Microfluidic Impingement Jets,Proceedings of the ASME 2015 International Technical Conference and Exhibition on Packaging and Integration of Electronic and Photonic Microsystems InterPACK2015July 6-9,2015,San Francisco,California,USA)利用逐层光刻加金属微电铸的工艺制备了基于分布式喷嘴结构的全金属微流体散热通道。但是，这种工艺依赖于真空镀膜技术(热蒸发、电子束蒸发和磁控溅射等)制备种子层，加工成本高、加工效率低。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种微流体散热通道、散热方法及制备方法。该制备方法通过光刻、金属微电铸和金属键合等工艺来实现基于分布式喷嘴结构的全金属散热微通道。这种方法技术简单，不需要干法刻蚀和真空镀膜技术，成本较低。该微流体散热通道散热效率高。
[0008] 本发明采用的技术方案如下：
[0009] 一种微流体散热通道制备方法包括：
[0010] 分别对应在底层、中间层以及顶层金属衬底上使用光敏材料制备相应的微结构模具；
[0011] 通过金属微电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A；
[0012] 通过激光微细加工工艺对金属微结构A进行孔加工，形成具有流通孔的金属微结构B；
[0013] 对金属微结构B进行化学机械抛光后，通过金属键合工艺，形成基于分布式喷嘴结构的微流体散热通道。
[0014] 进一步的，所述金属微结构A制备方法是：
[0015] 通过金属微电铸工艺，使用所述的微结构模具，制成具有圆柱体凸台的顶层金属衬底、具有直通进液流道的中间层金属衬底以及具有直通回流通道的底层金属衬底；所述圆柱体凸台底部对应与中间层金属衬底的直通进液流道连通；顶层金属衬底、中间层金属衬底以及底层金属衬底都具有边缘结构。
[0016] 所述直通进液流道为n行；所述直通回流流道为n+1行或者n-1行；直通进液流道与直通回流流道在两个金属衬底层上间隔对应设置。
[0017] 进一步的，所述金属微结构B制备方法是：
[0018] 通过激光工艺在金属微结构A的顶层金属衬底上加工与直通回流通道连通位置对应且连通的回流孔；将圆柱体凸台顶部加工成具有圆孔的喷嘴结构，同时在每个圆柱体凸台底部加工进液孔；
[0019] 通过激光工艺在金属微结构A的中间层金属衬底上加工p个回流孔，同时在中间层金属衬底加工与直通进液通道连通的进液口；顶层金属衬底上所加工的回流孔位置与中间层金属衬底上的回流孔的位置一一对应；
[0020] 通过激光工艺在金属微结构A的底层金属衬底上加工与直通回流通道连通的出液口，同时在底层金属衬底上加工与中间层上进液口对应尺寸、对应位置的进液口；
[0021] 所述回流孔与直通回流通道和出液口连通；所述进液孔与与进液口连通。
[0022] 进一步的，所述喷嘴结构设置在顶层金属衬底中央，共设置n行m列个喷嘴。
[0023] 进一步的，所述对金属微结构B进行化学机械抛光指的是对金属结构B顶层金属衬底表面、中间层金属衬底表面以及底层金属衬底表面进行化学机械抛光；所述表面的粗糙度RMS小小于等于10nm。
[0024] 进一步的，所述散热过程包括：
[0025] 冷却液依次通过微流体散热通道的进液口、直通进液流道、进液孔以及喷嘴后喷出；然后喷落的冷却液依次通过回流孔、直通回流流道、出液口流出。
[0026] 应用微流体散热通道制备方法的散热通道包括：
[0027] 顶层微流体散热通道结构，用于通过电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A，制成具有圆柱体凸台的顶层金属衬底；然后通过激光工艺在金属微结构A的顶层金属衬底上加工与直通回流通道位置对应且连通的回流孔；将圆柱体凸台顶部加工成具有圆孔的喷嘴结构，同时在每个圆柱体凸台底部加工进液孔；
[0028] 中间层微流体散热通道结构，用于通过电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A，制成具有直通进液流道的中间层金属衬底；然后通过激光工艺在金属微结构A的在中间层金属衬底上加工p个回流孔，同时在中间层金属衬底加工与直通进液通道联通的进液口；顶层金属衬底上回流孔位置与中间层金属衬底上回流孔的位置一一对应；
[0029] 底层微流体散热通道结构，用于通过电铸工艺，将微结构模具转移制备成金属微结构A，制成具有直通回流通道底层金属衬底；通过在金属微结构A的底层金属衬底上加工与直通回流通道连通的出液口，同时在底层金属衬底加工与中间层上进液口对应尺寸对应位置的进液口；
[0030] 分布式喷嘴结构的微流体散热通道，用于对顶层微流体散热通道结构，中间层微流体散热通道结构，底层微流体散热通道结构表面都进行抛光后，利用金属键合工艺进行处理，形成基于分布式喷嘴结构的微流体散热通道，其中所述圆柱体凸台底部对应与中间层金属衬底的直通进液流道连通；顶层金属衬底、中间层金属衬底以及顶层金属衬底都具有边缘结构；
[0031] 所述回流孔与直通回流通道连通；所述进液孔与与进液口连通。
[0032] 进一步的，所述直通进液流道为n行；所述直通出液流道为n+1行或者n-1行，直通进液流道与直通回流流道在两个金属衬底层上间隔对应设置；所述喷嘴结构设置在顶层金属衬底中央，共设置n行m列个喷嘴。
[0033] 进一步的，所述对金属微结构B进行化学机械抛光指的是对金属结构B顶层金属衬底表面、中间层金属衬底表面以及底层金属衬底表面进行化学机械抛光；所述表面的粗糙度RMS小于等于10nm。
[0034] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0035] (1)使用全金属微流体散热通道取代业内常用的硅基微流道，不需要深硅干法刻蚀工艺，技术难度低。
[0036] (2)使用了分层电铸和金属键合工艺，不需要真空镀膜工艺，加工成本低。
[0037] (3)得到的微流体散热通道散热效率高，是传统散热方法的三倍以上。
附图说明
[0038] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0039] 图1是基于分布式喷嘴结构的微流体散热通道结构示意图。
[0040] 图2是基于分布式喷嘴结构的微流体散热通道结构分解图。
[0041] 图3是散热通道的加工过程示意图。
[0042] 图4a、图4b、图4c分别对应是金属结构A、金属结构B和金属结构C形成示意图。
具体实施方式
[0043] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0044] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0045] 本发明相关说明：
[0046] 1、直流回流流道与直流进液流道冷却液流向相反，位置间隔设置。
[0047] 2、顶层金属衬底、中间层金属衬底以及底层金属衬底都具有边缘结构，其作用是机械支撑；完成金属键合工艺后，通过边缘结构形成封闭空间。
[0048] 3、m、n、p都是大于0的整数。根据散热面积的不同，m、n、p选取不同的数值。m、n、p的典型值是15、5、70。
[0049] 实施例一：
[0050] 步骤1：提供表面粗糙度RMS小于10nm的金属衬底。
[0051] 优选地，所述金属为铜。
[0052] 优选地，所述金属衬底的数量为三片，分别为顶层金属衬底、中间层金属衬底以及底层金属衬底。
[0053] 步骤2：分别在三层金属衬底表面使用光刻胶或光敏性干膜制备微结构模具。
[0054] 步骤3：通过电铸工艺将该结构转移成金属结构A(如图4(a))。
[0055] 优选地，所述电铸工艺为铜电铸工艺。
[0056] 优选地，所述的金属结构A为三层结构，分别为：
[0057] (a)底层衬底表面的直通回流流道；
[0058] (b)中间层衬底表面的直通进液流道；
[0059] (c)顶层衬底表面的圆柱体凸台。
[0060] 步骤4：利用激光加工工艺，对步骤3中所述的金属结构A进行微细加工，得到金属结构B(图4(b))。
[0061] 优选地，所述的激光微细加工过程分别为：
[0062] (a)在底层衬底上加工进液口和出液口；
[0063] (b)在中间层衬底上加工进液口和回流孔；
[0064] (c)在顶层衬底上加工分布式喷嘴、进液孔和回流孔；其中，喷嘴位于金属结构A中所述圆柱体凸台的中心(顶层衬底的回流孔与中间层衬底上的回流孔尺寸相同，位置一一对应)。
[0065] 步骤5：对金属结构B表面进行化学机械抛光，然后去除光刻胶或光敏性干膜。
[0066] 步骤6：利用金属键合工艺，对化学机械抛光后的多层金属结构B进行键合，得到金属结构C(图4(c))。
[0067] 优选地，所述的金属键合工艺为铜铜键合工艺。
[0068] 将得到的微流体散热通道焊接在芯片底部，使用水和丙三醇的混合溶液作为冷却液，对其散热性能进行测试：其散热效率是传统散热方法的三倍以上。
[0069] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
