一种微通道毛细结构的超薄微热管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及散热设备技术领域，尤其是一种微通道毛细结构的超薄微热管，超薄微热管包括从下往上依次设置的氮化硅基底、底层石墨、中间层石墨烯和顶层石墨，所述中间层石墨烯为长条状且等间距设置，氮化硅基底、底层石墨和中间层石墨烯上具有微米级的矩形通道，其中，矩形通道为截面宽3～5μm、高18～22μm的长方形，中间层石墨烯的间距为120～130nm。本发明专利技术构成的微通道结构在微米或纳米级别，具有高的毛细管压力和大的滑移长度使得热管内工质液体的流速明显增加，能够让热管中冷凝段的液体很快的回流到蒸发段。

【技术实现步骤摘要】
一种微通道毛细结构的超薄微热管及其制备方法
本专利技术涉及散热设备
，尤其是一种微通道毛细结构的超薄微热管及其制备方法。
技术介绍
随着电子信息技术的发展，芯片散热技术面对着微型化和集成化的问题，电子芯片在单位时间内的热流量大幅度提升使得狭小的空间内散热效率锐减。微热管技术的诞生一定程度上能够解决空间小、散热效率低、热响应慢、稳定性低等问题。然而，现有电子产品中的微热管传热性能主要受管内壁的毛细结构的影响。热管内壁的毛细吸附力大、回流阻力小、传热效率高成为了光电信息
中极力追求的目标。石墨烯是由碳原子组成的一个原子厚的二维晶体，其低维结构可以有效削减晶界处声子的边界散射，并具有特殊的声子扩散模式。石墨烯的热导率高达5300W/m·K远远超过银和铜等金属材料。优异的导热性、韧性和断裂强度等使其在热管理领域极具发展潜力，但这些性能都是基于微观的纳米尺度，难以直接利用。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在解决
技术介绍
部分指出的技术问题并节约成本，提供一种基于二维材料微通道毛细结构的超薄微热管及其制备方法，将纳米级的石墨烯宏观组装形成薄膜材料并制备高效传热的毛细结构，该毛细结构能够有效提升微热管的散热性能且管内液体回流阻力小。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微通道毛细结构的超薄微热管，超薄微热管包括从下往上依次设置的氮化硅基底、底层石墨、中间层石墨烯和顶层石墨，所述中间层石墨烯为长条状且等间距设置，氮化硅基底、底层石墨和中间层石墨烯上具有微米级的矩形通道，其中，矩形通道为截面宽3～5μm、高18～22μm的长方形，中间层石墨烯的间距为120～130nm。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括制备方法步骤如下：步骤a：采用标准光刻和反应离子刻蚀法在90～120μm厚的氮化硅基底的氮化硅片中间刻蚀出一个微米级长方形通道；步骤b：通过干法转移在步骤a得到的通道上覆盖一层厚度8～15nm的石墨，标记为底层石墨；步骤c：在底层石墨上覆盖含有不同层数的且被电子束光刻和氧等离子刻蚀成等间距长条的石墨烯，标记为中间层石墨烯，然后采用干法转移法覆盖于底层石墨表面并且石墨烯的长边与微通道垂直排列；步骤d：将底层石墨和中间层石墨烯与微米级长方形通道重叠的部分采用步骤a中的氧反应离子刻蚀工艺利用氮化硅片中的微通道空穴为掩模板刻蚀掉，形成一个大小一致的通孔；步骤e：最后在石墨烯中间层表面采用干法转移覆盖一层厚度为90～120nm的石墨，标记为顶层石墨。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括步骤a中的标准光刻和反应离子刻蚀法步骤如下：用丙酮、乙醇和去离子水依次清洗氮化硅片，并用氮气吹干放入烘箱干燥5min；在氮化硅片表面旋涂光刻胶后放入100℃烘箱中烘烤10min；将有微孔的掩模板放置于涂有光刻胶的氮化硅片上，校准位置后采用深紫外光对光刻胶进行曝光20s后使用显影液对光刻胶进行清洗90s，竖膜；在光刻胶相应位置涂刷刻蚀剂，放入真空反应腔室，抽真空注入氧气，加热进行氧等离子刻蚀；去除氮化硅表面的保护胶，用去离子水清洗后吹干，得到具有微通道阵列的氮化硅片。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括氧等离子刻蚀的反应参数：O2：120～130sccm，电源功率：590～620W，真空压强：0.10～0.15Torr，温度：120℃，时间：3～5min。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括步骤b中的干法转移步骤如下：将石墨薄膜放入恒温水浴锅中50℃加热3h；取出后在表面旋涂一层PVA胶体后转移至75℃热板上烘90s；将PVA/石墨薄膜转移至两片载玻片中间使膜自然舒展；将舒展后的膜浸入50℃无水乙醇中3～6s，粘到氮化硅衬底上，晾干后在75℃去离子水中12～16min清除PVA胶；去离子水清洗3～5次后烘干水分，将石墨层覆盖在具有微通道阵列的氮化硅片表面。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括干法转移后，需要将带有石墨层的氮化硅组件在400℃下退火3h，以消除污染。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括步骤c中的电子束光刻和氧等离子刻蚀步骤如下：在多层石墨烯上旋涂一层电子束光刻胶；在高斯扫描系统下对电子束光刻胶进行曝光，曝光剂量为1～2×10-5C/cm2；采用异丙酮显影液对曝光后的电子束光刻胶进行显影，形成等间距的条状光刻胶图形；以电子束光刻胶图形为掩模板，采用等离子体刻蚀的方法刻蚀石墨烯层，得到具有等间距条纹状的石墨烯层，然后通过干转移法将具有等间距条纹状的中间层石墨烯转移到底层石墨上。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括电子束光刻胶的厚度85～100nm。根据本专利技术的另一个实施例，进一步包括等离子刻蚀法中的参数为：O2：290～310ml/min，电源功率：590～610W，气压：75～85KPa，温度：50℃，时间：18～22s。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术构成的微通道结构在微米或纳米级别，具有高的毛细管压力和大的滑移长度使得热管内工质液体的流速明显增加，能够让热管中冷凝段的液体很快的回流到蒸发段。2.本专利技术使毛细管和空腔的大小可调节到更小的埃的精度，热管内工质液渗透性能可通过选择不同的具有原子层平坦的材料用于通道壁。3.本专利技术作为微热管的新型吸液芯，具有超薄超轻的特点，避免了现有烧结式金属吸液芯管内空腔直径很小、质量大的缺点，更能有效提高热管散热性能。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1为本专利技术所述毛细结构制备示意图。图2为本专利技术所述透过毛细结构的蒸发示意图。图3为本专利技术所述单独的毛细结构三维示意图。图4为本专利技术微热管毛细结构阵列示意图。图5为本专利技术石墨烯层刻蚀后的表面示意图。图中1、氮化硅基底，2、底层石墨，3、中间层石墨烯，4、顶层石墨。具体实施方式一种微通道毛细结构的超薄微热管，超薄微热管包括从下往上依次设置的氮化硅基底1、底层石墨2、中间层石墨烯3和顶层石墨4，所述中间层石墨烯3为长条状且等间距设置，氮化硅基底1、底层石墨2和中间层石墨烯3上具有微米级的矩形通道，其中，矩形通道为截面宽3～5μm、高18～22μm的长方形，中间层石墨烯3的间距为120～130nm。所述制备方法步骤如下：步骤a：采用标准光刻和反应离子刻蚀法在90～120μm厚的氮化硅基底1的氮化硅片中间刻蚀出一个微米级长方形通道；步骤b：通过干法转移在步骤a得到的通道上覆盖一层厚度8～15nm的石墨，标记为底层石墨2；步骤c：在底层石墨2上覆盖含有不同层数的且被电子束光刻和氧等离子刻蚀成等间距长条的石墨烯，标记为中间层石墨烯3，然后采用干法转移法覆盖于底层石墨2表面并且石墨烯的长边与微通道垂直排列；步骤d：将底层石墨2和中间层石墨烯3与微米级长方形通道重叠的部分采用步骤a中的氧反应离子刻蚀工艺利用氮化硅片中的微通道空穴为掩模板刻蚀掉，形成一个大小一致的通孔；步骤e：最后在石墨烯中间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微通道毛细结构的超薄微热管，其特征是，超薄微热管包括从下往上依次设置的氮化硅基底（1）、底层石墨（2）、中间层石墨烯（3）和顶层石墨（4），所述中间层石墨烯（3）为长条状且等间距设置，氮化硅基底（1）、底层石墨（2）和中间层石墨烯（3）上具有微米级的矩形通道，其中，矩形通道为截面宽3～5μm、高18～22μm的长方形，中间层石墨烯（3）的间距为120～130nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种微通道毛细结构的超薄微热管，其特征是，超薄微热管包括从下往上依次设置的氮化硅基底（1）、底层石墨（2）、中间层石墨烯（3）和顶层石墨（4），所述中间层石墨烯（3）为长条状且等间距设置，氮化硅基底（1）、底层石墨（2）和中间层石墨烯（3）上具有微米级的矩形通道，其中，矩形通道为截面宽3～5μm、高18～22μm的长方形，中间层石墨烯（3）的间距为120～130nm。


2.一种微通道毛细结构的超薄微热管的制备方法，其特征是，制备方法步骤如下：
步骤a：采用标准光刻和反应离子刻蚀法在90～120μm厚的氮化硅基底（1）的氮化硅片中间刻蚀出一个微米级长方形通道；
步骤b：通过干法转移在步骤a得到的通道上覆盖一层厚度8～15nm的石墨，标记为底层石墨（2）；
步骤c：在底层石墨（2）上覆盖含有不同层数的且被电子束光刻和氧等离子刻蚀成等间距长条的石墨烯，标记为中间层石墨烯（3），然后采用干法转移法覆盖于底层石墨（2）表面并且石墨烯的长边与微通道垂直排列；
步骤d：将底层石墨（2）和中间层石墨烯（3）与微米级长方形通道重叠的部分采用步骤a中的氧反应离子刻蚀工艺利用氮化硅片中的微通道空穴为掩模板刻蚀掉，形成一个大小一致的通孔；
步骤e：最后在石墨烯中间层表面采用干法转移覆盖一层厚度为90～120nm的石墨，标记为顶层石墨（4）。


3.根据权利要求2所述的一种微通道毛细结构的超薄微热管的制备方法，其特征是，所述步骤a中的标准光刻和反应离子刻蚀法步骤如下：用丙酮、乙醇和去离子水依次清洗氮化硅片，并用氮气吹干放入烘箱干燥5min；在氮化硅片表面旋涂光刻胶后放入100℃烘箱中烘烤10min；将有微孔的掩模板放置于涂有光刻胶的氮化硅片上，校准位置后采用深紫外光对光刻胶进行曝光20s后使用显影液对光刻胶进行清洗90s，竖膜；在光刻胶相应位置涂刷刻蚀剂，放入真空反应腔室，抽真空注入氧气，加热进行氧等离子刻蚀；去除氮化硅表面的保护胶，用去离子水清洗后吹干，得到具有微通道阵列的氮化硅片。


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【专利技术属性】
技术研发人员：弓晓晶，许敬，储富强，郭国标，
申请(专利权)人：常州大学，江苏江南烯元石墨烯科技有限公司，江南石墨烯研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32