CN107968080A - 基于蚯蚓微观表面的微电子换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于蚯蚓微观表面的微电子换热器及其制造方法，采用的3D打印技术是高精度的一体成型技术，且所用的耗材为高温可熔融，冷却可粘合的金属物，受热后转变为粘流态，其打印过程中界每层之间固化后，两者熔融在一起，达到一体成型的目的，精度高、变形小、能耗低。基于仿蚯蚓微观表面结构设计微电子换热器的换热片，相比光滑表面的换热片，这种仿生微观表面结构增加散热面积30％‑50％，从而增加了单位散热面积上散热效率，对换热片的散热性能具有明显的增强作用，这种基于蚯蚓微观表面的仿生风冷式微型换热器可广泛用于微电子芯片、高功率LED等领域。

Description

基于蚯蚓微观表面的微电子换热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种基于蚯蚓微观表面的微电子换热器及其制造方法。

背景技术

由于当今高新技术的迅猛发展，高精密的电子零部件对尺寸微小和结构紧凑的微电子换热器的换热性能却是要求愈来愈高。对于微型电子器件来说，由于受到尺寸的限制，微型电子器件的微电子换热器的内部通道直径在微米到亚微米之间，这样的结构导致散热的导热材料的表面积与空气接触的表面积是很微量的，因而很难将热源(电子组件)所产生的热量都充分地散发到空气中。另外，由于微电子换热器尺寸的限制，需要达到较高的加工精度，传统的粗加工技术(例如电火花线切割技术，其缺点是电极丝容易断本；加工薄工件时，快速走丝过程中易产生抖动，影响加工精度；加工过程中易产生变形，影响尺寸精度；高速走丝切割表面会出现明暗条纹，影响表面质量等)已不能满足于加工精密且尺寸微小的零部件，因此需要提出一种新的加工方法，能够在满足微电子换热器加工精度的前提下，快速地制造出满足性能要求的微电子换热器，以应对当前及将来高速发展的电子领域。

发明内容

本发明所要解决的是传统的粗加工技术已不能满足于加工精密且尺寸微小的微电子换热器制作需求的问题，提供一种基于蚯蚓微观表面的微电子换热器及其制造方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，包括风扇固定支架、风扇、仿生换热体、支撑螺杆和导热底座；风扇安装在风扇固定支架上，且风扇通过该风扇固定支架悬设在仿生换热体的正上方；导热底座贴于仿生换热体的正下方；风扇固定支架与导热底座通过支撑螺杆连接；仿生换热体由1个圆柱状的导热体和多片板片状的换热片组成；换热片呈放射式固定在导热体的侧壁上；每片换热片的表面呈波浪状，即换热片的表面设有多条并排设置凹槽，这些凹槽的走向均与导热体的中轴线平行。

上述方案中，开设在换热片表面的凹槽为上凸和/或下凹的凹槽。

上述方案中，所有凹槽均为半圆形凹槽。

上述方案中，每片换热片的两侧表面均呈波浪状。

上述方案中，每片换热片均与导热体的中轴线平行。

上述方案中，所有散射片均布在导热体的侧壁上，即每2片换热片之间的夹角相等。

基于蚯蚓微观表面的微电子换热器的制造方法，包括换热片的制造，其特征在于：所述换热片的制造具体包括步骤如下：

步骤1、运用逆向工程软件Surfacer对蚯蚓微观表面进行三维扫描进行处理，从中提取蚯蚓微观表面结构的特征点云；

步骤2、将所提取出的蚯蚓微观表面结构的特征点云嵌入到给定的设计空间坐标中，得到向量参数集合；

步骤3、从向量参数集合随机选取特征曲线来构建仿生曲面；

步骤4、对仿生曲面进行光滑性、连续性和误差检测；当仿生曲面的检测结果符合要求时，则创建换热片的三维模型；否则，返回步骤3；

步骤5、将创建换热片的三维模型导入3D打印机系统中，并生成换热片的STL文件；

步骤6、根据换热片的STL文件生成控制打印参数，并据此完成基于蚯蚓微观表面的微型换热器的换热片打印。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、采用的3D打印技术是高精度的一体成型技术，且所用的耗材为高温可熔融，冷却可粘合的金属物，受热后转变为粘流态，其打印过程中界每层之间固化后，两者熔融在一起，达到一体成型的目的，精度高、变形小、能耗低。

2、基于仿蚯蚓微观表面结构设计微电子换热器的换热片，相比光滑表面的换热片，这种仿生微观表面结构增加散热面积30％-50％，从而增加了单位散热面积上散热效率，对换热片的散热性能具有明显的增强作用，这种基于蚯蚓微观表面的仿生风冷式微型换热器可广泛用于微电子芯片、高功率LED等领域。

附图说明

图1为基于蚯蚓微观表面的微电子换热器的俯视方向立体示意图。

图2为基于蚯蚓微观表面的微电子换热器的仰视方向立体示意图。

图3为基于蚯蚓微观表面的微电子换热器制造方法流程图。

图中标号：1、风扇固定支架；2、风扇；3、仿生换热体；4、支撑螺杆；5、导热底座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

一种基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，如图1和2所示，其主要由风扇固定支架1、风扇2、仿生换热体3、支撑螺杆4和导热底座5组成。风扇2安装在风扇固定支架1上，且风扇2通过该风扇固定支架1悬设在仿生换热体3的正上方。导热底座5贴于仿生换热体3的正下方。风扇固定支架1与导热底座5通过支撑螺杆4连接。风扇2的转轴与导热体的中轴线在同一条直线上。导热底座5的面积小于仿生换热体3的截面面积。

仿生换热体3为整个微电子换热器的关键部件，其由1个圆柱状的导热体和多片板片状的换热片组成。在本发明中，仿生换热体3由紫铜制成，其具有足够的硬度，价格低廉，质量轻，高导热系数，是符合本设计的经济实用的原材料。在本实施例中，整个仿生换热体3的直径为85mm，其中单片换热片的长和宽均为30mm，中心导热体直径为25mm。

换热片呈放射式固定在导热体的侧壁上。为了能够保证散热的均衡性，在本发明优选实施例中，所有散射片采用均匀分布的方式固定在导热体的侧壁上，即每2片换热片之间的夹角相等。当换热片固定在导热体的侧壁上时，可以采用倾斜的方式安装，此时换热片均与导热体的中轴线呈一定夹角。当换热片固定在导热体的侧壁上时，可以采用垂直方式安装，此时换热片均与导热体的中轴线平行。在本发明优选实施例中，所有换热片均垂直固定在导热体的侧壁上，即每片换热片均与导热体的中轴线平行，以提高散热效率。

每片换热片的表面呈波浪状，可以让每片换热片的其中一侧表面为波浪状，也可以让每片换热片的其中两侧表面均为波浪状。为了最大限度地提高散热率，在本发明优选实施例中，每片换热片的两侧表面均呈波浪状。要让每片换热片的表面均呈波浪状，可以通过在表面光滑的换热片的表面开设多条并排设置凹槽来实现。这些凹槽的截面为半圆弧形。在本实施例中，凹槽的截面半径为0.5mm。这些凹槽可以全部采用上凸的凹槽，并间隔地开设在表面光滑的换热片上；也可以全部采用下凸的凹槽，并间隔地开设在表面光滑的换热片上；也可以同时采用上凸的凹槽和下凸的凹槽，并让上凸的凹槽与下凸的凹槽相互间隔。在本发明优选实施例中，采用上凸的凹槽与下凸的凹槽相互间隔设置的方式，以尽可能地扩大换热片表面面积，增强散热效果。为了能够更好地引导热量从换热器的下方扩散至换热器的上方，开设在换热片的表面的凹槽的轴向最好能与导热体的中轴线平行。

通过仿蚯蚓微观表面所制成的微电子换热器，增大了散热的导热材料的表面积，从而增大了与空气接触的面积，以及增大脱离频率。这样一来不仅减少了漏风、少风、不完全接触的情况，大大提高了迎风面上的有效换热面积，使得热源电子元件的热量传导到空气中，并采用强制对流，将空气从通道向外界输送，实现高效率的散热功能。

上述基于蚯蚓微观表面的微电子换热器的制造方法，包括换热片的制造，所述换热片的制造如图3所示，具体包括步骤如下：

步骤1、运用逆向工程软件Surfacer对蚯蚓微观表面进行三维扫描进行处理，从中提取蚯蚓微观表面结构的特征点云；

步骤2、将所提取出的蚯蚓微观表面结构的特征点云嵌入到给定的设计空间坐标中，得到向量参数集合；

步骤3、从向量参数集合随机选取特征曲线来构建仿生曲面；

步骤4、对仿生曲面进行光滑性、连续性和误差检测；当仿生曲面的检测结果符合要求时，则创建换热片的三维模型；否则，返回步骤3；

步骤5、将创建换热片的三维模型导入3D打印机系统中，并生成换热片的STL文件；

步骤6、根据换热片的STL文件生成控制打印参数，并据此完成基于蚯蚓微观表面的微型换热器的换热片打印。

步骤6.1、设定所需换热片的结构参数，并根据仿生表面的物理模型制作换热片的CAD 3D模型；

步骤6.2、将换热片的CAD 3D模型分层切片，并生成3D打印需要的STL文件格式；在本发明优选实施例中，切片厚度设为0.2mm，缝隙填充设为5mm；

步骤6.3、启动3D打印机，将喷枪归零，并进行换热片加工耗材的加热；不同的耗材所需要的温度不同；在本发明优选实施例中，换热片加工耗材为紫铜；

步骤6.4、进行仿生微结构的3D打印，生成出所需的换热片；

步骤6.5、将生成出的换热片冷却，并进行产品的后置处理，根据设计的要求，对换热片表面进行抛光；在本发明优选实施例中，可利用砂纸打磨、珠光处理、蒸汽平滑等方法对产品进行抛光；

步骤6.6、对换热片的质量进行检验；在本发明优选实施例中，精确度误差允许在0mm-0.2mm之间。

利用3D打印技术这一快速成型的方法加可以快速生产出这种仿生表面的模型，但需要根据所需要的要求对3D打印机进行参数的设置，参数设置包括①层厚的设定②填充的设定③打印速度④边缘和裙边⑤支撑材料五个方面，其中打印速度的是最重要的，因为它影响到模型表面的粗糙度，进而影响到壁面的润湿程度。

3D打印机开始进行工作，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，按截面轮廓的要求，使被扫描区域的树脂固化，获得截面轮廓的树脂薄片。工作台下降一层薄片的高度，已固化的树脂薄片被一层新的液态树脂覆盖，进行第二层激光扫描固化，新固化的一层粘结在前一层上。重复若干次这样的过程就能打印出整个模型。

本发明运用逆向工程软件Surfacer对蚯蚓的表皮三维扫描进行处理，从而获得蚯蚓微观表面结构并对此进行优化，并以此为依据建立仿生表面的物理模型，根据所建立的物理模型通过3D打印技术加工出了仿生表面换热片。3D打印技术将这种微结构加工在微电子换热器的微通道换热通道壁上。3D打印机的精度为0.2mm，从而获得具有仿蚯蚓表面的微观结构的换热器的换热片，以满足尺寸精度、抗张强度、刚度、和弯曲应力等力学物理量要求的目的。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，包括风扇固定支架(1)、风扇(2)、仿生换热体(3)、支撑螺杆(4)和导热底座(5)；风扇(2)安装在风扇固定支架(1)上，且风扇(2)通过该风扇固定支架(1)悬设在仿生换热体(3)的正上方；导热底座(5)贴于仿生换热体(3)的正下方；风扇固定支架(1)与导热底座(5)通过支撑螺杆(4)连接；其特征是，仿生换热体(3)由1个圆柱状的导热体和多片板片状的换热片组成；换热片呈放射式固定在导热体的侧壁上；每片换热片的表面呈波浪状，即换热片的表面设有多条并排设置凹槽，这些凹槽的走向均与导热体的中轴线平行。

2.根据权利要求1所述的基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，其特征是：开设在换热片表面的凹槽为上凸和/或下凹的凹槽。

3.根据权利要求1或2所述的基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，其特征是：所有凹槽均为半圆形凹槽。

4.根据权利要求1或2所述的基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，其特征是：每片换热片的两侧表面均呈波浪状。

5.根据权利要求1所述的基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，其特征是，每片换热片均与导热体的中轴线平行。

6.根据权利要求1所述的基于蚯蚓微观表面的微电子换热器，其特征是，所有散射片均布在导热体的侧壁上，即每2片换热片之间的夹角相等。

7.权利要求1所述基于蚯蚓微观表面的微电子换热器的制造方法，包括换热片的制造，其特征在于：所述换热片的制造具体包括步骤如下：

步骤1、运用逆向工程软件Surfacer对蚯蚓微观表面进行三维扫描进行处理，从中提取蚯蚓微观表面结构的特征点云；

步骤2、将所提取出的蚯蚓微观表面结构的特征点云嵌入到给定的设计空间坐标中，得到向量参数集合；

步骤3、从向量参数集合随机选取特征曲线来构建仿生曲面；

步骤4、对仿生曲面进行光滑性、连续性和误差检测；当仿生曲面的检测结果符合要求时，则创建换热片的三维模型；否则，返回步骤3；

步骤5、将创建换热片的三维模型导入3D打印机系统中，并生成换热片的STL文件；

步骤6、根据换热片的STL文件生成控制打印参数，并据此完成基于蚯蚓微观表面的微型换热器的换热片打印。