冷板式液冷是数据中心 IT 设备中应用广泛的液体冷却技术。服务器的发热芯片（CPU、GPU 等）将热量转移至液冷板中的冷却剂，冷却剂在流体分配单元或室外热交换设备中释放热量，再通过泵送压力回到液冷板，从而实现对高热元件的液冷循环。
应用冷板式液冷的服务器节点（来源：CoolIT Systems）
冷板式液冷中，液冷板是服务器芯片热交换的首要场所，因此降低液冷板的热阻、提升其热转移能力是液冷板的研究重点。
微通道结构液冷板能够在较低的冷却剂流速和较小泵送压力下，使处理器保持在工作温度范围内，减少冷却能耗，其关键在于微通道的合理设计和低成本制造。
带有微通道的液冷板结构示意图（来源：Fujikura）
为了实现微通道冷板的低成本、规模化制造，北京大学微电子研究所陈兢教授团队，开发了一种钨模微压印铜微通道液冷板的塑性微成形制造方法。
他们的研究工作采用钨模具在铜板上热压成型微通道结构，整个制造过程包括钨电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻、铜板微压印、冷却剂入口/出口冲孔和冷板顶/底板密封。实验结果表明，该方法是一种可大规模制造微通道散热器的替代工艺。
钨模微压印铜微通道液冷板的制造过程包括了下面几个步骤：
铜微通道液冷板的制作工艺图：a 钨晶片上的铝薄膜沉积和图案化；b 钨 ICP 蚀刻；c 热铜微压花；d 冷却液进/出口冲孔；e 顶板和底板密封
钨模具 ICP 蚀刻
钨模具 ICP 蚀刻工艺为微压印模具的制造提供了一种替代工艺。钨被切割成5mm 厚的 4 英寸晶圆，并进行了双面抛光。首先，钨片用浓硫酸清洗 24 小时。接下来，在钨片的正面溅射出薄的铝膜作为硬掩膜。使用光刻胶 AZ4620 ，并通过干式蚀刻对铝薄膜进行图案制作（图3a）。接下来，通过 ICP 蚀刻在钨基片上蚀刻出微通道。为了提高微通道的长宽比，ICP 制程引入了一个时间复用过程，包含蚀刻、钝化和去钝化步骤（图3b）。用六氟化硫作为蚀刻气体以提供氟自由基，钝化步骤应用八氟环丁烷保护侧壁免受蚀刻。时间复用过程提高了铝薄膜的选择性（>50：1），在钨片上实现了具有大的蚀刻深度和良好斜度的微通道。
蚀刻后的钨片用丙酮和异丙醇进行超声清洗，以进一步去除微通道底部的毛细。最后，将钨片线切割成8.0mm × 5.0mm × 5.0mm 的钨模具。
热铜板微压印
热铜微压印是制造过程的关键部分。微压印过程包含四个步骤：加热、压印、冷却和脱模，如下图 a 所示。加热温度和压印力控制整个微压印过程（下图 b）。铜板工件首先在底板上被加热到设定温度Te。接下来，压印力以恒定的加载速率从0增加到Fe。在这个阶段，微通道阵列从钨模具转移到铜板工件上。然后，Te和Fe保持在一个恒定值。压印后，压印力在冷却阶段被释放。最后，工件冷却到室温后，钨模具和铜板工件被分离。
热铜微压印工艺：a 热铜微压印的制作过程；b 相应的温度和微压印的压力曲线
研究团队在具有较高纵横比和较小厚度微通道的压印过程中观察到钨模具发生断裂。因此，考虑到制造能力和散热性能，采用宽度为 80 μm、纵横比为 0.8 的微通道设计，在微型铜液冷板散热器的顶板和底板上分别进行压印。
钨模具微压印铜微通道冷板的热性能
团队将开发的微通道液冷板应用陶瓷发热片进行热性能测试。结果表明，随着液体流速从 0 增加到 30 ml/min，观察到最高温度显著下降。在热通量为 30、40 和 50 W/cm2 时，最高温度分别从 95.2、109.3、127.1 降至约 37°C，在50 W/cm2 热通量下最高温度下降 69.2%，冷板的等效传热系数达到 6492 W/m2 K。
陶瓷加热器散热性能实验结果：a 不同热通量下加热器表面最高温度随流量变化的曲线；b 不同热通量下，传热系数随流速变化的曲线
在大功率芯片的冷却测试中，芯片温度随着功率密度的增加而升高。在300W/cm2的功率密度下，芯片温度从25℃∼100℃增加，在450W/cm2的功率密度下，芯片温度为120℃。在 90.5°C ，芯片仍能正常工作的情况下，最大热通量可达 304.8 W/m2 K 。
冷却大功率芯片的实验结果：a 大功率芯片在微通道散热器冷却下的温度-功率密度曲线；b 大功率芯片在不同电压下的理论和实测功率
良好的冷却性能表明，钨模具铜微压印是一种可批量生产成本低廉的微通道液冷板的制造替代工艺，在高密度微冷却系统中显示出良好的应用潜力。
关于本项研究的更多信息，请按文末链接查看原文。
关于研究团队
该项目得到了国家自然科学基金（资助号 U1537208 ）和国家高技术研究发展计划（863计划）资助号 2015AA043601 的支持。
项目由北京大学微电子研究所陈兢教授领导。陈兢教授主要从事微纳加工技术和先进封装等方面的研究，拥有 20 余年 MEMS（微机电系统）和精密加工研发经验，发表学术论文超百篇，并拥有 60 余项专利和颠覆性发明成果。
陈兢教授于 2014 年创立的苏州含光微纳科技有限公司，是国内微流控和微纳制造的创新者和开拓者，面向全球市场提供定制化生命科学实验室产品及微流控（Lab on a chip）解决方案。
参考原文：https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1049/mnl.2019.0198
