Pulssitettu laserablaatio mikrofluidisten kanavistojen sarjatuotantomenetelmänä

Abstract

Puolijohteiden yleistyttyä vuodesta 1948 alkaen, ovat elektroniset laitteet pienentyneet jatkuvasti tehojen kuitenkin kasvaessa. Kasvaneet tehotiheydet kuitenkin vaikeuttavat laitesuunnittelua, sillä puoljohdekomponenttien suorituskyvylle ja eliniälle on oleellista lämpötilojen ja lämpötilavaihteluiden minimointi. Perinteisen ilmajäähdytyksen lähestyessä rajojaan niin kokonaistehon kuin järkevän energiatehokkuudenkin suhteen, on parhaaksi seuraavaksi teknologiaksi ennustettu kaksifaasijäähdytystä, jonka suorituskyky ja energiatehokkuus ovat vaaditulla tasolla.

Kaksifaasijäähdytyksen optimaaliselle toiminnalle tärkeää on hyvin suunniteltu ja tarkasti valmistettu lämmönsiirtopinta, jota kutsutaan mikrokanavistoksi. Pulssitettu laserkaiverrus on edistynyt valmistustekniikka, jonka tarkkuus ja luotettavuus sopisivat mikrokanavistojen valmistamiseen. Laserkaiverruksella saavutettavat lopputulokset vaihtelevat kuitenkin materiaalista riippuen ja kupari – jota käytetään yleisesti lämmönjohteena – on eräs huonoimmin lasertyöstöön reagoivista materiaaleista ja siksi on oleellista selvittää laser-kaiverruksen toimivuutta kuparisten mikrokanavistojen valmistuksessa.

Pulssitetun laser-kaiverruksen eri variaatioista nanosekunti-luokan pulssinpituuksilla toimivat laitteet ovat jatkuvan tuotannon kannalta paras vaihtoehto niiden hyvän tuottavuuden, saatavuuden sekä kohtuullisen alkuinvestoinnin vuoksi. Käytännön kaiverruskokeiden perusteella selvisi, että menetelmä on laatunsa ja tarkkuutensa puolesta sopiva varsinaiseen tuotantoon. Kaiverruksen tehokkuus kuparia työstettäessä on kuitenkin ennakoituakin heikompi ja niin valmistus- kuin suunnitelu-prosessikin vaativat vielä jatkotutkimusta ja -kehitystä.

Since semiconductors began gaining popularity in 1948, have electronic devices gone down in size but up with the performance. The ever-increasing power-densities make the design-ing of devices difficult, as the overall performance and lifetime of semiconductor-based components rely on minimized temperature and temperature fluctuations. As the traditional air-cooling is reaching its boundaries with cooling power and efficiency, 2-phase cooling is predicted to be the best solution for the next generation cooling technology.

A well designed and carefully manufactured heat exchange surface – called microchannel network – is very important for the optimal functioning of a 2-phase cooling system. Pulsed laser ablation is an advances manufacturing technology, which capabilities and reliability make it suitable for manufacturing of these microchannel systems. The quality and perfor-mance of manufacturing with laser-ablation varies very much depending on the material used and copper – which is widely used as a heat-spreader material – is one of the worst materials for laser processing. This makes it very relevant to research the suitability of laser-ablation for mass-production-setting of copper micro-channels.

From the different variations of laser-ablation, the ablation with nanosecond-pulses seem to be the most viable option for continuous production because of its good productivity, availability and moderate initial investment. The ablation tests done with the nanosecond laser-ablation confirm that it has sufficient accuracy and quality to be a proper manufactur-ing technology for the micro-channels, but the productivity on copper is even lower than anticipated and both the manufacturing process itself and the design process of micro-channels to be ablated need further research and development.