CN105091648A

CN105091648A - 一种沟槽与微结构复合吸液芯及其制造方法

Info

Publication number: CN105091648A
Application number: CN201510541676.6A
Authority: CN
Inventors: 汤勇; 刘侨鹏; 陆龙生; 申众孚; 李斌
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明公开了一种沟槽与微结构复合吸液芯，包括表面加工有沟槽的紫铜基体，所述沟槽内表面及紫铜基体加工有沟槽的外表面均设置有厚度为0.1~1000μm的微结构层，所述微结构层主要由粒径在0.1~20μm之间的微细铜颗粒构成。本发明还公开了复合吸液芯的制造方法，包括步骤：（1）采用拉削或刨削工艺在紫铜基体上加工出沟槽结构；（2）清洗沟槽结构后利用电化学沉积的方法在作为阴极的沟槽表面构筑微结构；（3）通过烧结固化工艺提高微结构与沟槽表面之间的界面结合强度。本发明提供的复合吸液芯不仅能提供良好的毛细力，且渗透性能优异，有利于冷凝段液体向蒸发段回流；制造工艺简单易控、生产效率高、成本低，可广泛应用于热管、热柱、均热板等两相传热装置中。

Description

一种沟槽与微结构复合吸液芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种吸液芯，特别是涉及一种用于两相传热装置的沟槽与微结构复合吸液芯及其制造方法。

背景技术

热管、热柱、均热板等两相传热装置具有热导率高、热响应快、无需外加驱动力等优点，目前已被广泛应用于高热流密度电子产品的散热系统之中，而随着微电子制造技术的快速发展，电子芯片的热流密度将大大增加，这对两相传热装置的传热性能提出更高的要求。在两相传热装置中，蒸发段中的工质液体受热蒸发成气体并在压差的作用下进入冷凝段，冷凝段通过热传导或热对流将热量传递出去，工质蒸汽的热量被带走后凝结成液体并在吸液芯的毛细压力驱动下回流到蒸发段，这种气液两相的循环将蒸发段的热量不断往冷凝段输送，从而实现高效传热。在这种两相循环传热过程中，冷凝端液体在吸液芯中的渗透回流速度对蒸发段工质的及时补充起到至关重要的作用，因此，吸液芯的毛细压力和渗透率决定了两相传热装置的毛细极限及

传热性能。

目前，沟槽、粉末烧结的吸液芯应用最普遍，沟槽吸液芯虽然具有良好的渗透率，液体在沟槽中流动阻力较小，但沟槽能提供的毛细压力较低，因此传热量较小，不适合用于高热流密度散热系统中；粉末烧结吸液芯中具有众多细小孔隙，可以提供较高的毛细压力，但其渗透率非常第，液体在烧结粉末中的流动阻力极大，阻碍其毛细极限和传热性能的提高。对于单一吸液芯结构，毛细压力和渗透率无法同时达到最优，需对这两个参数进行折衷选取，从而限制了两相传热装置传热性能的进一步提升。针对这一矛盾，本发明提出了一种沟槽与微结构复合吸液芯及其制造方法，微结构中的微细孔隙可提供良好的毛细压力，同时由于复合吸液芯的特殊结构为工质液体的流动提供了额外的通道，因此其渗透率高、液体流动阻力小。本发明提出的复合吸液芯具有良好的综合毛细性能（渗透率与毛细压力的综合指标）。

发明内容

本发明的目的是针对目前常用单一吸液芯结构的不足，提出一种沟槽与微结构复合吸液芯及其制造方法，该复合吸液芯同时具备较高的毛细压力和渗透率，具有良好的综合毛细性能。

本发明提出的一种沟槽与微结构复合吸液芯通过以下技术方案实现：

一种沟槽与微结构复合吸液芯，包括表面加工有沟槽的紫铜基体，所述沟槽内表面及紫铜基体加工有沟槽的外表面均设置有厚度为0.1~1000μm的微结构层，所述微结构层主要由粒径在0.1~20μm之间的微细铜颗粒构成，微细铜颗粒之间形成1~100μm的微小孔隙，所述的微结构覆盖了所述沟槽的所有内表面，但并未填满沟槽，沟槽各壁面间仍存在空隙。

进一步地，所述沟槽的横截面形状为V形、矩形、梯形或圆弧形，也可以是其他不规则形。

进一步地，所述沟槽的最大宽度为0.01~100mm，深度为0.05~50mm。

进一步地，所述的铜基体包括紫铜管或紫铜板基体。

本发明提出的一种沟槽与微结构复合吸液芯的制造方法通过以下技术方案实现：

一种如所述的沟槽与微结构复合吸液芯的制造方法,包括以下步骤和工艺条件：

（1）采用拉削工艺在紫铜管内或采用刨削工艺在紫铜板上加工出沟槽结构；

（2）清洗沟槽结构后利用电化学沉积的方法在作为阴极的沟槽表面构筑微结构；

（3）通过烧结固化工艺提高微结构与沟槽表面之间的界面结合强度。

进一步地，步骤(1)中所述刨削工艺是基于多齿刀具的一次同时加工多条沟槽的刨削工艺。

进一步地，所述电化学沉积所用的电解液为含铜离子的溶液，铜离子浓度为0.001mol/L~0.45mol/L。

进一步地，铜离子溶液为CuSO₄、CuCl₂或者两者的混合溶液。

进一步地，所述电化学沉积的电流密度为10mA/cm²~1A/cm²，电化学沉积时间为1秒至10小时。

进一步地，所述烧结固化工艺的烧结温度为100℃~1000℃，烧结时间为1小时至24小时，烧结保护气体可以是但不局限于氮气、氢气和氩气。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明提出的沟槽与微结构复合吸液芯及其制造方法，微结构中的铜颗粒间形成众多微小孔隙，孔径小于目前常用烧结粉末吸液芯的孔径，有效毛细半径更小因此具有更高的毛细压力；

（2）由于该复合吸液芯的特殊结构，微结构覆盖了沟槽的所有表面，但并未完全填满沟槽，为吸液芯中液体流动提供了额外通道，提高了吸液芯的渗透率，液体在该吸液芯中的流动阻力远小于在烧结粉末中的流动阻力。因此，该吸液芯同时具备较高的毛细压力和渗透率，具有良好的综合毛细性能。

（3）相比于粉末烧结吸液芯，该复合吸液芯中微结构层的厚度较小，重量较轻且管壁热阻较小，因此可以减少两相传热装置的重量，实现散热系统的轻量化；相比于沟槽吸液芯，该复合吸液芯可应用于高热流密度场合，且可在反重力、长距离运输状态下工作。

附图说明

图1为沟槽与微结构复合吸液芯横截面示意图；

图2为基于多齿刀具的刨削加工示意图；

图3为沟槽与微结构复合吸液芯的沟槽与微结构微观貌图；

图4为沟槽与微结构复合吸液芯的微结构局部放大图。

图中所示为：1-紫铜板基体；2-空隙；3-微结构；4-多齿刀具。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法作进一步的说明，但本发明要求保护的范围不局限于此。

实施例一

如图1所示，一种沟槽与微结构复合吸液芯，包括表面加工有沟槽的紫铜板基体1，所述沟槽内表面及紫铜板基体1加工有沟槽的外表面均设置有厚度为0.1~1000μm的微结构层3，所述的微结构3覆盖了沟槽的所有表面，但并未填满沟槽，沟槽各壁面间仍存在空隙2，所述微结构层3主要由粒径在0.1~20μm之间的微细铜颗粒构成，微细铜颗粒之间形成1~100μm的微小孔隙。

具体来说，本实施中所述沟槽的横截面形状为V形、矩形、梯形或圆弧形，也可以是其他不规则形，本实施例沟槽的横截面形状为矩形。

具体来说，本实施中所述沟槽的最大宽度为0.01~100mm，深度为0.05~50mm，本实施例的沟槽的宽度优选0.5mm，沟槽的深度优选0.8mm。

本实施例提供的沟槽与微结构复合吸液芯重量轻、具备较高的毛细压力和渗透率以及良好的综合毛细性能，可应用于高热流密度场合，且可在反重力、长距离运输状态下工作。

实施例二

（1）采用刨削工艺及多齿刀具4在紫铜板基体1上加工出多条沟槽结构；

（2）清洗沟槽结构后利用电化学沉积的方法在作为阴极的沟槽表面构筑微结构，电化学沉积之前，需对沟槽基底进行超声波清洗，清洗时间大概5分钟，清洗液用乙醇和去离子水的混合物；

具体来说，本实施中所述电化学沉积所用的电解液为含铜离子的溶液CuSO₄，铜离子浓度为0.1mol/L。

具体来说，本实施中所述电化学沉积的电流密度为20mA/cm²，电化学沉积时间为30分钟。

具体来说，本实施中烧结固化过程在气氛烧结炉中进行，保护气体为氢气，烧结工艺曲线为：由室温加热到500℃，温升速度为5℃/min，保温1个小时，停止加热炉冷至80℃，开炉取出吸液芯，放置于空气中自然冷却。烧结固化后的复合吸液芯形貌如图3所示，微结构形貌如图4所示。

实施例三

具体来说，本实施中所述电化学沉积所用的电解液为含铜离子的溶液CuCl₂，铜离子浓度为0.001mol/L。

具体来说，本实施中所述电化学沉积的电流密度为1A/cm²，电化学沉积时间为1-10秒。

具体来说，本实施中烧结固化过程在气氛烧结炉中进行，保护气体为氮气，烧结工艺曲线为：由室温加热到900℃，温升速度为5℃/min，保温5小时，停止加热炉冷至80℃，开炉取出吸液芯，放置于空气中自然冷却。

实施例四

具体来说，本实施中所述电化学沉积所用的电解液为含铜离子的溶液，铜离子溶液为CuSO₄、CuCl₂的混合溶液，铜离子浓度为0.45mol/L。

具体来说，本实施中所述电化学沉积的电流密度为10mA/cm²，电化学沉积时间为10小时。

具体来说，本实施中烧结固化过程在气氛烧结炉中进行，保护气体为氩气，烧结工艺曲线为：由室温加热到200℃，温升速度为5℃/min，保温20小时，停止加热炉冷至80℃，开炉取出吸液芯，放置于空气中自然冷却。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种沟槽与微结构复合吸液芯，其特征在于：包括表面加工有沟槽的紫铜基体，所述沟槽内表面及紫铜基体加工有沟槽的外表面均设置有厚度为0.1~1000μm的微结构层(3)，所述微结构层(3)主要由粒径在0.1~20μm之间的微细铜颗粒构成，微细铜颗粒之间形成1~100μm的微小孔隙，所述的微结构(3)覆盖了所述沟槽的所有内表面，但并未填满沟槽，沟槽各壁面间仍存在空隙(2)。

2.根据权利要求1所述一种沟槽与微结构复合吸液芯，其特征在于，所述沟槽的横截面形状为V形、矩形、梯形或圆弧形。

3.根据权利要求1所述一种沟槽与微结构复合吸液芯，其特征在于，所述沟槽的最大宽度为0.01~100mm，深度为0.05~50mm。

4.根据权利要求1所述一种沟槽与微结构复合吸液芯，其特征在于，所述的铜基体包括紫铜管或紫铜板基体(1)。

5.一种如权利要求1至4中任一项所述的沟槽与微结构复合吸液芯的制造方法,其特征在于，包括以下步骤和工艺条件：

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：步骤(1)中所述刨削工艺是基于多齿刀具的一次同时加工多条沟槽的刨削工艺。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述电化学沉积所用的电解液为含铜离子的溶液，铜离子浓度在0.001mol/L~0.45mol/L之间。

8.根据权利要求7所述的铜离子溶液，其特征在于，铜离子溶液为CuSO₄、CuCl₂或者两者的混合溶液。

9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述电化学沉积的电流密度为10mA/cm²~1A/cm²，电化学沉积时间为1秒至10小时。

10.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述烧结固化工艺的烧结温度为100℃~1000℃，烧结时间为1小时至24小时，烧结保护气体为氮气、氢气或氩气。