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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，在半導(dǎo)體器件冷卻領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在大功率激光器列陣、大型計(jì)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(guó)斯坦福大學(xué)斯坦福電子實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)降溫冷卻的目的。國(guó)內(nèi)外對(duì)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(gè)研究熱點(diǎn)。有的從溝道形狀設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，找到一些優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案［2-3］;有的對(duì)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(guó)加州大學(xué)利福莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開始的，自1988年以來他們?cè)谶B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(dòng)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(gè)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(diǎn)。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(duì)取得了微通道冷卻方面的輝煌成績(jī)，在國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

國(guó)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(shì)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(shí)驗(yàn)室使用。如何制作成本更低的微通道是微溝道散熱實(shí)用化的一個(gè)必須解決的問題。紫銅具有熱導(dǎo)率高的特點(diǎn)，能實(shí)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(shí)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(huì)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(huì)導(dǎo)致加工時(shí)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(huì)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(wú)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(shí)驗(yàn)中采用了對(duì)比的研究方法，對(duì)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(jí)，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(shí)驗(yàn)證明，采用機(jī)械-化學(xué)二次加工方法，工藝簡(jiǎn)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(shí)由于工件不會(huì)承受應(yīng)力作用，溝道壁可加工得很薄也不會(huì)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(duì)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(shí)驗(yàn)，掌握了腐蝕液與腐蝕速度之間的關(guān)系，通過精確計(jì)算，采用不同配方和濃度的腐蝕液對(duì)銅微溝道進(jìn)行二次處理，在實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量溝道寬度和溝道壁厚度，選擇合適的腐蝕液，計(jì)算達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸需要的腐蝕的時(shí)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(wú)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(yǔ)

微溝道毛刺化學(xué)加工技術(shù)是銅微溝道制作的一項(xiàng)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(shí)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，微溝道壁可以利用化學(xué)方法達(dá)到10 μm而不會(huì)穿孔。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)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(jià)值。

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