CN111372422B

CN111372422B - 一种阵列微通道冷板制作方法

Info

Publication number: CN111372422B
Application number: CN202010021607.3A
Authority: CN
Inventors: 陈良; 李星辰; 吕坤鹏; 杨雪; 侯予; 肖润锋
Original assignee: Xian Jiaotong University; CETC 11 Research Institute
Current assignee: Xian Jiaotong University; CETC 11 Research Institute
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: CN111372422A

Abstract

本申请属于电子设备散热技术领域，特别是涉及一种阵列微通道冷板制作方法。现有的电火花线切割、激光切割、精密铣削、化学腐蚀、光刻等加工制造方法成本高且精度较低。本申请提供了一种阵列微通道冷板制作方法，包括1：选择多个板作为微通道母板，在每一个所述微通道母板上制作多个均匀排列的通孔形成微通道，作为射流微通道；2：选择多个板作为间隔出流通道母板，在每一个所述间隔出流通道母板上进行穿孔，作为冷却面微通道结构组成部分及出流通道；3：将多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板交错排列。可加工各种深宽尺寸微通道的多层阵列射流微通道冷板，具有换热效果好、温度分布均匀、精度高的特点。

Description

一种阵列微通道冷板制作方法

技术领域

本申请属于电子设备散热技术领域，特别是涉及一种阵列微通道冷板制作方法。

背景技术

随着微电子机械系统及微制造技术的迅速发展，电子设备及芯片的尺度已经达到了毫米及甚至更小，同时集成度也高速递增，发热热流密度已高达10⁶～10⁷W/m²，散热需求越来越高，传统冷却技术的冷却能力已赶不上电子设备热耗的增加。热耗的增加会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对其可靠性造成严重威胁，因此使器件保持较低的温度和良好的温度均匀性至关重要，开发高性能散热技术成为微型电子器件继续发展的关键。

微通道冷板作为一种高热通量电子产品冷却器，具有对流换热系数大、面积体积比大，单位负荷体积和重量小等优点，是目前传热性能最佳、且最具应用潜力的冷却方式之一。通常微通道结构的当量直径小于1mm，目前应用最多的为单层平行流微通道冷板，其存在压降大、沿流动方向温升大的问题，致使用其冷却时均温效果差。冲击射流散热方式一般用于局部换热，可强化冲击表面对流换热，温度梯度大换热效率高，但冲击射流区域外换热系数急剧下降。两种散热技术的有效结合，使微通道内被冲击表面温度边界层变薄，温度梯度变大，从而具有更高的换热效率，可以提供更优的换热效果和均温效果。

然而现有的射流微通道散热器结构均较复杂，尤其是射流喷嘴层和微通道层，其中射流喷嘴层一般需要在一块薄板上阵列加工几十到几百个微型通孔，且需与微通道对应；而微通道层则需要在单块板上阵列加工出棱柱或者平行通道；其次，加工工序繁多，且微通道的亚毫米结构导致两者匹配困难，现有的电火花线切割、激光切割、精密铣削、化学腐蚀、光刻等加工制造方法成本高且精度较低。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于现有的射流微通道散热器结构均较复杂，尤其是射流喷嘴层和微通道层，其中射流喷嘴层一般需要在一块薄板上阵列加工几十到几百个微型通孔，且需与微通道对应；而微通道层则需要在单块板上阵列加工出棱柱或者平行通道；其次，加工工序繁多，微通道的亚毫米结构导致两者匹配困难，现有的电火花线切割、激光切割、精密铣削、化学腐蚀、光刻等加工制造方法成本高且精度较低的问题，本申请提供了一种阵列微通道冷板制作方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种阵列微通道冷板制作方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：选择多个板作为微通道母板，在每一个所述微通道母板上制作多个均匀排列的通孔形成微通道，作为射流微通道；

步骤2：选择多个板作为间隔出流通道母板，在每一个所述间隔出流通道母板上进行穿孔，作为冷却面微通道结构组成部分及出流通道；

步骤3：将多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板交错排列。

本申请提供的另一种实施方式：所述步骤1中对每个所述微通道母板进行线切割，多个所述微通道沿短边方向均匀排列，多个所述微通道在沿长边方向上保持同侧单侧开口。

本申请提供的另一种实施方式：所述步骤2中对每个所述间隔出流通道母板进行线切割形成矩形孔。

本申请提供的另一种实施方式：所述步骤3中所述交错排列方式为所述矩形孔长边方向与所述微通道排列方向相同，所述矩形孔长边长度不小于微通道排列长度；并且使单个矩形孔位于均匀排列微通道未开口侧末端，沿通道排列方向横贯所有微通道。

本申请提供的另一种实施方式：所述步骤3中交错排列的多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板相连接。

本申请提供的另一种实施方式：所述步骤3中交错排列的多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板焊接。

本申请提供的另一种实施方式：所述焊接工艺为真空扩散焊。

本申请提供的另一种实施方式：所述通孔呈矩形。

本申请提供的另一种实施方式：选择一个或两个所述间隔出流通道母板作为外侧出流板。

本申请提供的另一种实施方式：在将多个所述射流微通道母板和多个所述间隔出流通道母板交错排列时，所述外侧出流板位于交错排列好的多个所述射流微通道母板和多个所述间隔出流通道母板的最外侧。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种阵列微通道冷板制作方法的有益效果在于：

本申请提供的一种阵列微通道冷板制作方法，可以充分结合微通道及射流两者优点，开发出低成本、高精度且适用于高热流密度电子设备的射流微通道散热器成为微小设备散热领域亟待解决的问题。

本申请提供的一种阵列微通道冷板制作方法，结合微通道和射流两种散热技术，可加工各种深宽尺寸微通道的多层阵列射流微通道冷板，具有换热效果好、温度分布均匀、精度高。

本申请提供的一种阵列微通道冷板制作方法，在微通道母板上按照射流通道的长宽尺寸将射流通道切割出来，在间隔出流通道母板上按照微通道的深度及排列数量切割出单个出流通道，将多个微通道母板和多个间隔出流通道母板交错排列后，两种母版堆叠后的高度即为冷却面/喷射面微通道长度，射流通道宽度即为冷却面微通道宽度，间隔出流通道母板出流通道的宽度即为微通道深度；切割精度由微米级别降低到毫米级别，高精度的完成了微通道宽、深方向上的尺寸加工，加工难度减小，可高效率、高精度完成射流微通道的制作。之后只需进行焊接即可完成多层阵列射流微通道冷板的加工。因此所述微通道冷板的加工工艺，能够制作出各种深宽尺寸微通道、精度高的多层阵列射流微通道冷板。

附图说明

图1是本申请的微通道母板结构示意图；

图2是本申请的间隔出流通道母板结构示意图；

图3是本申请的微通道冷板堆叠示意图；

图4是本申请的微通道冷板结构示意图；

图5是本申请的微通道冷板剖面示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

微通道具有亚毫米级的结构，这一结构对加工制造技术及加工精度提出了更高的要求，也使冲击射流的喷嘴难以与其相匹配。发明人发现，电火花线切割、激光切割、精密铣削、化学腐蚀均被用于微通道的加工和制造，但均有一定的局限性。其次由于微通道亚毫米结构尺寸限制，导致冲击射流冷却技术难以与其配合，主要是射流通道及喷口尺寸被限制到了与微通道相当的级别，使加工难度进一步上升。

电火花线切割与精密铣削加工效率高，成本低，加工工艺灵活，但电火花线切割的电极丝直径一般在0.03～0.25mm范围，满足不了宽度小于0.2mm的微通道的加工；精密铣削同样加工精度低，且不能满足各种尺寸的微通道加工。

激光切割利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射材料迅速融化、气化、烧蚀，并借助高速气流吹除熔融物质，该方法切割速度快、质量高；但由于采用高功率激光束，存在一定范围的热影响区，在该区域内工件材料存在一定的变形，影响加工精度。

化学腐蚀的加工精度与加工深度有关，随着腐蚀加深，侧壁也会产生腐蚀作用，影响尺寸和精度；采用侧壁保护会在侧壁形成一定坡度，达不到微通道的形状要求。

以上加工方法均存在加工精度不高的问题，且不能满足小宽度和大深度微通道的加工。其次，目前微通道散热器与冲击射流喷口均为分开加工，之后再配合在一起，不仅加工难度大、成本高，且工序繁多。所以降低成本，减少工序，提高精度和效率是目前射流微通道加工亟待解决的问题。

针鳍冷却：通过布置多排针状、鳍片，以增大热交换面积。

参见图1～5，本申请提供一种阵列微通道冷板制作方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：选择多个板作为微通道母板，在每一个所述微通道母板上制作多个均匀排列的通孔形成微通道；

即选择多个板作为多个微通道母板，在多个所述射流微通道母板中的每一个板上均制作多个均匀排列的矩形贯穿微通道结构。这里的矩形贯穿微通道结构是上文中通孔形成微通道的一种更具体的表述。

可以选择金属板作为微通道母板，例如铝合金、紫铜等，从成本角度出发可以选择紫铜。但并不局限于此，还可以选用适合于散热的其他材料，例如导热塑料(如DSM的PA46TC系列，荷兰帝斯曼的耐高温尼龙系列)，其导热性能已经能够成功代替铝合金或紫铜。

根据所需的射流微通道及喷口的参数决定射流微通道母板的尺寸。例如，当射流微通道的宽度(即喷口宽度)为w_j时，如图1所示，选择厚度为w_j的金属板作为射流微通道母板。根据射流微通道的深度d_j(z方向)、长度l_j(x方向，即喷口长度，或冷却微通道的宽度w_mc)和数量n，决定射流微通道母板的长度和宽度。可以选用尺寸正好合适的金属板作为微通道母板，也可以选用大的金属板并切割形成尺寸合适的微通道母板。一般多个射流微通道母板的数量由图4和图5所示的冷板长度(即冷却微通道的长度)L决定。

使用线切割，例如电火花线切割，以去除材料的方式在每个射流微通道母板上沿x方向加工n个均匀排列的矩形贯穿微通道结构，作为射流通道，且所述n个微通道在z方向上保持同侧单侧开口结构，通道节距为2l_j，加工后结构为图1所示梳子结构。

线切割具有加工速度快、生产效率高、加工周期短、成本低等诸多优点，选用该方法针对整个微通道母板进行加工时，此时的切割精度由微米级别降低到毫米级别，加工难度减小，可高效率、高精度完成切割。在本步骤中采用平面线切割工艺，可以直接在厚度为射流微通道宽度的射流微通道母板上按照射流微通道的长、深尺寸将微通道一次性切割出来，高精度地完成了射流微通道长、宽、深三个尺度的加工。

步骤2：选择多个板作为间隔出流通道母板，在每一个所述间隔出流通道母板上进行穿孔；

即选择多个板作为多个间隔出流通道母板，在所述间隔出流通道母板中的每一个板上制作单个矩形贯穿结构。这里的矩形贯穿结构是上文中进行穿孔的一种更具体的表述。

可以选择金属板作为间隔出流通道母板，例如铝合金、紫铜等，从成本角度出发可以选择紫铜。但并不局限于此，还可以选用适合于散热的其他材料，例如导热塑料(如DSM的PA46 TC系列，荷兰帝斯曼的耐高温尼龙系列)，其导热性能已经能够成功代替铝合金或紫铜。

可以根据射流微通道母板的长宽尺寸以及厚度，选择相应的间隔出流通道母板的长宽尺寸以及厚度。例如，如图1和2所示，当选择厚度为w_j的金属板作为射流微通道母板时，也可以选择厚度为w_j的金属板作为间隔出流通道母板。间隔出流母板的长度和宽度，可以和微通道母板的长度和宽度相同。可以选用尺寸正好合适的金属板作为间隔出流母板，也可以选用大的金属板并切割形成尺寸合适的间隔出流母板。一般多个间隔出流母板的数量由图4和图5所示的冷板长度(即冷却微通道长度)L决定。

使用线切割工艺，例如电火花线切割，以去除材料的方式在每个所述间隔出流通道母板上加工长l’(x方向)、深d’(z方向，即冷却面/喷射面微通道深度d_mc)的单个矩形贯穿结构，作为冷却面微通道结构组成部分及出流通道；并且使每个间隔出流母板上的单个出流通道与每个射流微通道母板上所有射流微通道的沿负z方向的底面平齐；同时以去除材料的方式在每个所述间隔出流通道母板上加工与射流微通道母板对应的相同长l、深d_q尺寸的开口。

选择一或两个步骤2中制作有单个矩形贯穿结构的间隔出流通道母板作为外侧出流板。

一般使用两个外侧出流板，使微通道冷板两边为间隔出流母板，防止射流通道母板在最外侧而不能形成射流通道，同时对微通道冷板内部的结构进行保护。将其上预先制作有多个矩形贯穿微通道结构的微通道母板和制作有单个矩形贯穿结构的间隔出流通道母板交错排列。

可以知道的是，将多个微通道母板和多个间隔出流通道母板交错排列后二者之间的间距很小，几乎呈微米级别，因此在排列后的微通道母板上加工射流微通道，以及在间隔出流通道母板上加工出流通道均是非常困难的。因此选择在本步骤之前，在微通道母板上预先制作出多个射流微通道，在间隔出流通道母板上预先制作出单个出流通道。

如图3所示，在将多个微通道母板和多个间隔出流通道母板(射流微通道母板和间隔出流通道母板的数量共为N个)整齐地交错排列后，每个单个出流通道的沿负z方向的底面均与每个射流微通道的沿负z方向底面平齐，且每个单个出流通道均沿x方向横贯所有射流微通道。

将所述外侧出流板列于交错排列好的多个射流微通道母板和多个间隔出流通道母板的最外侧。

在将多个微通道母板和多个间隔出流母板交错排列时，可以将外侧出流板排列于最外侧，对多个微通道母板及多个间隔出流母板进行固定。

进一步地，所述步骤1中对每个所述微通道母板进行线切割，多个所述微通道沿短边方向均匀排列，多个所述微通道在沿长边方向上保持同侧单侧开口。

进一步地，所述步骤2中对每个所述间隔出流通道母板进行线切割形成矩形孔。

进一步地，所述步骤3中所述交错排列方式为所述矩形孔长边方向与所述微通道排列方向相同，所述矩形孔长边长度不小于微通道排列长度；并且使单个矩形孔位于均匀排列微通道未开口侧末端，沿通道排列方向横贯所有微通道。

进一步地，所述步骤3中交错排列的多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板相连接。

进一步地，所述步骤3中交错排列的多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板焊接。

进一步地，所述焊接工艺为真空扩散焊。

可以使用真空扩散焊将交错排列好的多个微通道母板和多个间隔出流通道母板焊接在一起。此外，在将交错排列好的多个微通道母板和多个间隔出流通道母板焊接在一起的同时，还可以将位于最外侧的外侧出流板也焊接在一起，以保护其内部的微通道母板和间隔出流母板，焊接后的结构如图4所示，形成所述多层阵列微通道冷板。

进一步地，所述通孔呈矩形。

进一步地，选择一个或两个所述间隔出流通道母板作为外侧出流板。

进一步地，在将多个所述射流微通道母板和多个所述间隔出流通道母板交错排列时，所述外侧出流板位于交错排列好的多个所述射流微通道母板和多个所述间隔出流通道母板的最外侧。

如图4所示，按照上述步骤形成的射流微通道冷板底面(xy平面)与热源接触，冷却工质沿向下箭头方向流入冷板，经多层阵列射流微通道喷射到底部冷却微通道内，之后在y方向上沿向外箭头从冷板两侧流出。本案例采用的多层阵列射流微通道冷板将微通道和射流高效结合起来：一方面，高速流体经密集的多层阵列射流通道冲击到针鳍状的微通道内，将热源高热流密度热量经冷媒带走，迅速降低热源温度；另一方面针鳍式微通道可增加换热能力，使热源温度分布更加均匀，微通道上方射流孔密集，且流体从两侧流出，不存在蒸干及沿通道流动方向温升大的问题，散热效率高。

作为微通道冷板制作方法的一些变型，可以不完全按照其步骤和/或顺序执行所述制作方法。在本申请的其他实施例中，可以省略一些步骤，或者改变一些步骤的执行顺序。例如，所述射流微通道冷板的制作方法可以不包括步骤：(选择一或两个步骤2中制作有单个矩形贯穿结构的间隔出流通道母板作为外侧出流板)和步骤(将所述外侧出流板列于交错排列好的多个射流微通道母板和多个间隔出流通道母板的最外侧)，或者，步骤1和2之间的顺序可以随意调换。

本申请提供的一种阵列微通道冷板制作方法，结合微通道和射流两种散热技术，可加工各种深宽尺寸微通道的多层阵列射流微通道冷板，具有换热效果好、温度分布均匀、精度高的特点。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims

1.一种阵列微通道冷板制作方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：选择多个板作为微通道母板，在每一个所述微通道母板上制作多个均匀排列的通孔形成微通道，多个所述微通道沿短边方向均匀排列，多个所述微通道在沿长边向上即z方向上保持同侧单侧开口；

步骤2：选择多个板作为间隔出流通道母板，在每一个所述间隔出流通道母板上进行穿孔，所述穿孔作为冷却面微通道结构组成部分及出流通道，其中对每个所述间隔出流通道母板进行线切割形成矩形孔；并且使每个间隔出流通道母板上的单个出流通道与每个微通道母板上所有微通道的沿负z方向的底面平齐；同时以去除材料的方式在每个所述间隔出流通道母板上加工与微通道母板对应的相同长、深尺寸的开口；

步骤3：将多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板交错排列；所述交错排列方式为所述矩形孔长边方向与所述微通道排列方向相同，所述矩形孔长边长度不小于微通道排列长度；并且使单个矩形孔位于均匀排列所述微通道未开口侧末端，沿所述微通道排列方向横贯所有所述微通道；交错排列的多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板相连接。

2.如权利要求1所述的阵列微通道冷板制作方法，其特征在于：所述步骤3中交错排列的多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板焊接。

3.如权利要求2所述的阵列微通道冷板制作方法，其特征在于：所述焊接工艺为真空扩散焊。

4.如权利要求1～3中任一项所述的阵列微通道冷板制作方法，其特征在于：所述通孔呈矩形。

5.如权利要求4所述的阵列微通道冷板制作方法，其特征在于：选择一个或两个所述间隔出流通道母板作为外侧出流板。

6.如权利要求5所述的阵列微通道冷板制作方法，其特征在于：在将多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板交错排列时，所述外侧出流板位于交错排列好的多个所述微通道母板和多个所述间隔出流通道母板的最外侧。