黑硅表面微结构对沸腾传热影响实验研究.doc

中国工程热物理学会传热传质
学术会议论文编号:123206
黑硅表面微结构对沸腾传热影响实验研究
晁嫣萌,翟雨佳,杨立新
(北京交通大学,北京 10044)
(Tel: 010-51684329, Email:******@bjtu.)
摘要“黑硅”作为一种新型低反射率硅材料,在光电领域具有很好的应用前景。本文采用新的等离子体浸没注入的加工方式,在单晶硅表面制备了具有几十纳米到微米级的纳米孔与纳米针尖复合微结构的黑硅表面。对黑硅表面的浸润特性和沸腾换热特性进行了实验研究,发现在黑硅表面上水滴呈现出复合接触状态,接触角可达70o,比硅表面增大近一倍,而且沸腾实验表明,接触角的增大导致沸腾传热过早进入膜态沸腾,黑硅表面CHF降低。
关键词沸腾换热;黑硅;等离子体处理;临界热流密度
0 前言
硅在地球上的储存丰富,易提纯,耐高温,容易形成自然氧化物,具有良好的半导体绝缘层界面,因此晶体硅被大量的用于半导体集成电路领域。随着计算机芯片上大规模集成电路的集成密度不断提高,导致芯片的发热量急剧增加,因而选择高效的芯片散热方式已成为开发新一代计算机产品需要解决的关键问题之一。将芯片直接浸没在惰性不导电的液体中进行沸腾换热是一种非常有效的冷却方式。通过在沸腾面上加工凹坑和喷涂多孔介质等方法可有效提高电子器件的沸腾换热性能[[] , boiling heat transfer from ponents by use of surface microstructures. Experiental Thermal and Fluid (2004)159-169.
]。
Mazur 小组[[] Her Tsinghua, R. J. Finlay, Wu Claudia et al .Micro structuring of silicon with femtosecond laser pulses. Applied Physics , 73( 12) : 1673~ 1675.
]于1998年成功制备了“黑硅”材料,在SF6 或 Cl2 气体氛围下,利用飞秒激光照射单晶硅表面,使其表面产生一种特殊的尖峰微-纳结构,从而使得硅表面呈现黑色,故名“黑硅”。这种特殊材料表面对光具有极强的吸收能力,特别是对近紫外至中红外波段光线具有超过90%的吸收效率。“黑硅”材料的出现,使得硅材料在光电探测、光通信、光伏电池等领域获得突破性的应用,因此国内外许多研究小组对黑硅材料的制备及其表面特性开展了一系列研究。目前制备黑硅的方法主要有:飞秒激光扫描、化学腐蚀法和等离子体处理,其中飞秒激光制备的黑硅表面微结构相对规则,但设备昂贵,制备的黑硅面积小,工艺复杂;采用化学腐蚀法可以降低制备成本,实现大面积黑硅制备,但是制备的黑硅微结构依赖于晶向;等离子体处理相比于飞秒激光作用面积大,易于大规模制备,相比于湿法化学腐蚀,黑硅的形貌更可控,并且不依赖于晶向,可用于制备多晶硅[[] 沈泽南,刘邦武,夏洋,刘杰,李超波,.(2011)04-0387-06
]。
近年来,通过对材料表面进行微细加工或在表面形成微-纳结构进而提高材料沸腾换热性能已成为沸腾