CN110055563A - 一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，首先在基板上涂覆光刻胶，在基板上涂光刻胶，然后进过自平整、覆盖掩膜板进行曝光，后烘、显影，得到可用于微通道电铸的胶膜结构；然后对基板上的胶膜进行电铸：电铸过程在兆声环境中进行，将基板作为阴极，同时阴极施加旋转运行，对铸液循环过滤，在胶膜结构的通道中形成微通道铸层；最后去除胶膜，形成最终的均匀性较好的散热器微通道：将电铸后的放入去胶液中浸泡，待结构上的胶膜全部去除后取出，使用去离子水漂洗后得到铸层厚度均匀的金属微通道结构；本发明显著的提高了金属微通道铸层的均匀性。

Description

一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法
技术领域
本发明属于金属散热器微通道制备方法领域，特别是一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法。
背景技术
随着电子技术的发展，电子线路的集成度越来越高，热流密度也逐渐增大，如何高效散热成为电子领域的研究热点。由于金属微通道具有的散热效率较高，其加工方式越来越受到人们的关注。现有的金属散热器微通道的制作方法有传统的机械加工、特种加工以及基于UV-LIGA技术的微电铸加工。其中基于UV-LIGA技术的微电铸工艺以其独特的优势成为制作线宽小、侧壁光滑、表面粗糙度小的金属微通道的可靠加工方法。然而在金属微通道的电铸过程中，电流的边缘效应会造成电场线容易在边角处集中，电铸后的金属微通道往往存在铸层边缘厚中间薄的不均匀问题。这种缺陷不仅会影响微通道的尺寸精度和表面质量、降低电铸效率、延长制作周期，还增加了微通道制作的后处理难度和成本。《强激光与离子束》2016年28卷6期第63-67页提出利用超声改善微电铸模具的均匀性，与无超声对比，超声作用增强了微电铸过程中的传质作用，改善了微结构电铸时的离子分布，模具均匀性提高约30％。然而对于长时间的电铸过程，超声强空化作用产生的瞬时高温、高压会对微模具电铸中的胶膜结构造成一定的损坏，影响微电铸模具的使用性能。
兆声在溶液中传播时能够产生较强的声流现象，可以改善微米结构中的溶液传质过程，同时兆声作用下溶液中的空化效应比超声条件下小，避免了对微结构的损坏。在微电铸过程中施加兆声作用能够提高铸液的传质能力，改善微结构内部的离子分布，有利于电铸工艺的改善。论文《若干微电子机械***研制及相关LIGA工艺研究》中第4.1.3以及4.1.4节，引进兆声促进电铸液传质，提高极限大深宽比结构的电铸成品率，并获得了具有极限大深宽比的悬臂梁微结构。但是文中并未对兆声作用下的微结构铸层均匀性进行评价。同时由于兆声在溶液中的直线传播现象明显，因此兆声产生的声流作用方向比较单一，这造成声流作用对微结构电铸时形貌在单一方向的影响较大。而且对于复杂的电铸微结构，兆声仅仅在单一方向上对微结构内部的铸液产生作用并不能充分发挥兆声的优势作用。
目前，兆声在电铸领域的研究与应用却少有报道，而且尚未有文献提出将兆声波技术应用于金属散热器微通道铸层均匀性方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，以提高金属微通道铸层的均匀性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，包括以下步骤：
步骤S1、在基板上涂覆光刻胶，在基板上涂光刻胶，然后进过自平整、覆盖掩膜板进行曝光，后烘、显影，得到可用于微通道电铸的胶膜结构；
步骤S2、对基板上的胶膜进行电铸：电铸过程在兆声环境中进行，将基板作为阴极，同时阴极施加旋转运行，对铸液循环过滤，在胶膜结构的通道中形成微通道铸层；
步骤S3、去除胶膜，形成最终的均匀性较好的散热器微通道：将电铸后的放入去胶液中浸泡，待结构上的胶膜全部去除后取出，使用去离子水漂洗后得到铸层厚度均匀的金属微通道结构。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的方法，利用兆声高声强、低空化的优势解决了超声作用下高空化造成微结构破坏问题。
(2)本发明的方法，利用旋转阴极法，克服了兆声直线传播方向单一的局限性，使微通道各个方向均匀地受到兆声作用，微通道各个方向在均匀的兆声搅拌作用下会使离子浓度分布更加均匀，从而改善微通道电铸均匀性，在提高金属微通道铸层均匀性上具有更高效的实用性。
(3)本发明的方法，结合兆声和旋转阴极，显著的提高了金属微通道铸层的均匀性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为实施例1中金属微通道结构示意图。
图3为在基底上涂覆光刻胶示意图。
图4为负性光刻胶曝光示意图。
图5为光刻胶曝光显影后效果图。
图6为电铸方法原理图。
图7为电铸效果图。
图8为去胶后结果图。
图9为按实施例1优选方案得到的实物图。
图10为微通道铸层厚度测量位置示意图。
图11为无兆声和不同兆声功率下微通道铸层厚度分布图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，包括以下步骤：
步骤S0、对基板进行预处理：首先使用精密研磨抛光机对金属基板进行研磨、抛光处理，去除基板表面缺陷，使基板表面粗糙度Ra小于0.04μm；然后使用丙酮棉球擦拭，接着依次使用丙酮、乙醇对基板进行超声清洗，超声清洗后使用去离子水冲洗，冲洗干净后吹干，最后放入真空烘箱中烘干备用。
步骤S1、在基板上涂覆光刻胶，在基板上涂光刻胶，然后进过自平整、覆盖掩膜板进行曝光，后烘、显影，得到可用于微通道电铸的胶膜结构。
在一些实施方式中，光刻胶为正光刻胶，掩膜板形状与微通道形状相同。
在一些实施方式中，光刻胶为负光刻胶，掩膜板形状与微通道形状相反，即微通道沟槽的部分，掩膜板为遮光部分，微通道凸起的部分，掩膜板为透光部分。
步骤S2、对基板上的胶膜进行电铸：电铸过程在兆声环境中进行，将基板作为阴极，同时阴极施加旋转运行，对铸液循环过滤，在胶膜结构的通道中形成微通道铸层；
优选的，兆声频率为1Mhz，功率为60W；电铸液采用硫酸铜210～220g/L、氯化钠60～70mg/L，浓硫酸55～60g/L溶液；电铸铜的工艺条件为：pH值0.8～1.0，温度20～30℃，电流密度1～2A/dm2；
步骤S3、去除胶膜，形成最终的均匀性较好的散热器微通道：将电铸后的放入去胶液中浸泡，待结构上的胶膜全部去除后取出，使用去离子水漂洗后得到铸层厚度均匀的金属微通道结构。
实施例1.
结合图2，在铜基板上1制作多个周期并排的的金属微通道结构2，金属微通道2的厚度为100μm，最小线宽为400μm，铜基板1的尺寸为63×63×5mm，具体步骤如下：
步骤S0、对基板进行预处理：首先使用精密研磨抛光机对铜基板1进行研磨、抛光处理，去除基板表面缺陷，使基板表面粗糙度Ra小于0.04μm；然后使用丙酮棉球擦拭，接着依次使用丙酮、乙醇对基板进行超声清洗10min，超声清洗后使用去离子水冲洗，冲洗干净后吹干，最后放入真空烘箱中烘干备用，烘干温度为100℃，烘烤2h去除水汽。
步骤S1、在通基板上涂覆SU-8光刻胶3，得到可用于微通道电铸的胶膜结构：涂覆工艺在台式匀胶机上进行。SU-8光刻胶3的甩胶参数为：低速转600rpm，时间6s；高速转为1000rpm，时间为30s，得到胶膜厚度150-160μm，如图3所示。然后自平整30min，接着在烘箱中进行前烘工艺，前烘温度为85℃，时间为1h。冷却后覆盖掩膜板4进行曝光，曝光在SUSS光刻机上进行，如图4所示，光源为365nm波长的紫外光，曝光剂量为300mw/cm2，时间为2min。曝光后在85℃的热板上进行后烘，时间为3min。后烘后进行显影，显影时间为5min，最终得到的SU-8胶胶膜结构，如图5所示。通过设置不同的转速、时间来得到不同厚度的SU-8胶胶膜。
由于SU-8光刻胶为负光刻胶，因此掩膜板4形状与微通道形状相反；图中掩膜板4中黑色部分遮挡部分，白色部分为透光部分。
步骤S2、对基板上的胶膜进行电铸：
将制作的SU-8胶胶膜结构作为阴极直接进行微通道结构的电铸；电铸过程在兆声环境中进行。将基板作为阴极6，阴极6与阳极5相对，将阴极6置于电铸液中；阴极6与旋转轴9固定，以对阴极6施加旋转运行；反应池外部设有兆声换能器8，以对电铸过程施加兆声；如图6所示；兆声频率为1Mhz，功率为60W，同时施加阴极旋转运动和铸液循环过滤，阴极旋转速度为30rpm；电铸铜铸液配方为：硫酸铜210～220g/L(优选215g/L)，氯化钠60～70mg/L(优选65mg/L)，浓硫酸55～60g/L(优选55g/L)；电铸铜的工艺条件为：pH值0.8～1.0(优选0.9)，温度20～30℃(优选25℃)，电流密度2A/dm2；电铸时间为5h，电铸后得到铜散热器微通道铸层2，如图7所示。
步骤S3、去除胶膜，形成最终的均匀性较好的散热器微通道：将待去胶的金属微通道浸泡在80～90℃(优选85℃)的SU-8去胶液中，浸泡10-15h(优选13h)，待SU-8胶去除干净后用去离子水漂洗后得到铸层厚度均匀的金属微通道结构，如图8所示。图9为按实施例1优选方案得到的金属微通道实物图。
微电铸实验分成两组：第一组(兆声对微结构铸层厚度均匀性的影响)包含两个样片，分别施加90w兆声和不施加兆声。第二组(兆声功率对微结构铸层厚度均匀性的影响)包含三个样片，分别施加0w,60w,90w的兆声。电铸时间为5小时，电流密度为2A/dm2，阴极转速为30rpm。
对微通道的铸层厚度进行测量，选取11个点进行测量。测量点在微结构上的相对位置如图10所示。图11给出了无兆声和不同兆声功率下微通道铸层厚度分布图。由图11可知，在兆声作用下，微通道铸层边缘的铸层厚度减小，中间厚度增大，且兆声功率越大铸层边缘厚度越小，中间厚度越大，边缘和中间厚度越趋于一致，说明铸层厚度的均匀性越好。
采用本发明的方法能够显著提高金属微通道的铸层的均匀性，保证微通道的使用性能。在电流密度2A/dm2，电铸时间5h的条件下，相对于无兆声、旋转电极作用的常规电铸过程获得的微通道铸层，兆声的声流作用在微结构电铸时具有很好的搅拌作用，可以增强电铸过程中离子的传质；旋转阴极使微结构各个方向受到均匀的搅拌作用。在两者的作用下，微通道电铸时，电铸面附近的离子浓度分布趋于均匀，采用本发明兆声旋转阴极电铸方法制作的微通道铸层均匀性提高了30.1％，可见，采用此兆声旋转阴极方法能够获得厚度更加均匀的微通道铸层。

Claims (6)

1.一种提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在基板上涂覆光刻胶，在基板上涂光刻胶，然后进过自平整、覆盖掩膜板进行曝光，后烘、显影，得到可用于微通道电铸的胶膜结构；
步骤S2、对基板上的胶膜进行电铸：电铸过程在兆声环境中进行，将基板作为阴极，同时阴极施加旋转运行，对铸液循环过滤，在胶膜结构的通道中形成微通道铸层；
步骤S3、去除胶膜，形成最终的均匀性较好的散热器微通道：将电铸后的放入去胶液中浸泡，待结构上的胶膜全部去除后取出，使用去离子水漂洗后得到铸层厚度均匀的金属微通道结构。
2.根据权利要求1所述的提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，其特征在于，所述光刻胶为正光刻胶，掩膜板形状与微通道形状相同。
3.根据权利要求1所述的提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，其特征在于，所述光刻胶为负光刻胶，掩膜板形状与微通道形状相反。
4.根据权利要求1所述的提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，其特征在于，电铸过程中兆声频率为1Mhz，功率为60W；电铸液采用硫酸铜210～220g/L、氯化钠60～70mg/L，浓硫酸55～60g/L溶液；电铸铜的工艺条件为：pH值0.8～1.0，温度20～30℃，电流密度1～2A/dm2。
5.根据权利要求1所述的提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，其特征在于，阴极施加旋转，通过旋转轴施加旋转，反应池外部设有兆声换能器施加兆声。
6.根据权利要求1所述的提高金属散热器微通道电铸均匀性的方法，其特征在于，步骤S1前还包括：步骤S0、对基板进行预处理：首先使用精密研磨抛光机对金属基板进行研磨、抛光处理，然后进行清洗并烘干。
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