CN111654998B - 柔性电子器件的超薄柔性散热器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对柔性电子设备散热的超薄柔性平板热管及其制备方法，包括铝塑膜管壳材料、梯度润湿性毛细芯、柔性充液封装设计、柔性支撑结构；在其制作过程中，柔性支撑结构与润湿梯度毛细芯与铝塑膜管壳材料相连，充液头位置通过热压方式连接，蒸发段热源区域和冷凝段冷源区域通过处理剥离高分子材料减小热阻；工作流体在热源区域附近受热发生相变，在毛细结构和内部压差的共同作用下，驱动工作流体在热管内部流动，在冷源区域附近工作蒸汽释放热量进行冷凝，在梯度润湿性毛细芯的毛细驱动力下回流至蒸发段，组成工作循环过程；本发明结构简单，具有很好的柔性和传热能力，无需外部输入动力且能够解决柔性电子设备的散热问题。

Description

柔性电子器件的超薄柔性散热器件及其制备方法
技术领域
本发明属于电子设备散热装置领域，特别是一种柔性电子器件的超薄柔性散热器件及其制备方法。
背景技术
随着电子设备集成度的提高，电子设备热流密度的急剧增加对电子设备的稳定性和使用寿命提出了很大的挑战，也对电子设备的热设计提出了更高的要求。而目前应用较为前言的柔性可穿戴电子设备或者小型可折叠电子设备对于散热的需求更具有柔性和高热流密度的需求。对于柔性电子器件而言，其在工作和使用过程需要保持一定的弯折角度或者反复弯折，这就要求其相应的散热设计能够满足在多角度弯折的情况下保持较高的有效热导率，从而解决其工作中的温度不均匀性问题。传统的高效两相散热器件由于采用刚性的结构材料无法完全贴合柔性表面或者无法满足可折叠电子设备的反复弯折需求。目前，对于柔性电子设备的多采用高导热材料来实现热量的收集的传递，而柔性平板热管的出现，由于其两相传热的特性，其有效导热系数理论上可以高出目前已有的导热材料数倍。因此，柔性平板热管更能满足柔性电子设备或者可折叠电子设备的收拢体积小、有效热导率高、均温性好、无需外部输入动力源等需求，从而对其进行有效的散热。
热管是一种采用内部毛细结构作为动力源的两相流体器件，由于其有效导热率高，启动快等特点成为解决电子设备散热需求的重要解决方案。目前由于应用需求的推进，热管向着二维方向导热的方向进行发展，由此出现了平板热管，更大的传热面积、更加贴合的器件设计使得其被广泛应用。但是，针对柔性电子器件和可折叠电子设备的柔性平板热管由于其柔性的需求，应用条件的限制需要其实现更小的厚度、可反复弯折的内部结构同时保持高效的传热效率。
目前各国研究人员对于柔性平板热管有了先进性研究，主要对于柔性平板热管的设计制造工艺、内部毛细芯的设计制造以及加热功率等参数对其传热效率的影响。文献表明，初步的柔性热管是一种具有柔性绝热段和铜管的柔性热管(Kishimoto,T.“Flexible-Heat-Pipe Cooling for High-Power Devices,”Int.J.MicrocircuitsElectron.Packag.17(2)(1994)98–107)。2004年，Furukawa Electric Co.Ltd开发了一种商用柔性热管，其外壳材料为金属薄膜，可以弯曲成可定制的形状，最大传输功率为6W，弯曲角度为90°角(Furukawa,et al.“Ultra-Thin Sheet-Shaped Heat Pipe‘Pear-Flex’”Furukawa Review 25(2004)64–66)，其弯折角度受限明显。然后，Amerc Thermasol(英国诺福克的Great Yarmouth有限公司)生产了一种平板热管，采用铝箔作为套管材料，可弯曲90°左右(Amec Thermasol“Flat Cool Pipes/MHP Series,”Marcom ElectronicComponents Limited,Great Yarmouth,Norfolk 20(2013)2016)，但其反复弯折后性能下降明显。为了同时保证更高的弯折角度的问题和保证反复弯折性能不变的的条件，本发明制备的柔性超薄散热器件可弯折0-180°同时反复弯折300次性能下降小于20％。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种适用于柔性电子器件或者可折叠电子设备的可反复弯折的两相散热器件，解决了柔性结构设计、适用于柔性平板热管的梯度性润湿毛细芯的制备和应用、反复弯折保持传热效率的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种柔性电子器件的超薄柔性散热器件，包括上铝塑膜管壳材料、下铝塑膜管壳材料、具有梯度性润湿的多层毛细芯、高分子支撑丝网；
所述下铝塑膜管壳材料一侧设有梯度性润湿的多层毛细芯；所述上铝塑膜管壳材料一侧设有高分子支撑丝网；所述有梯度性润湿的多层毛细芯和高分子支撑丝网设置在下铝塑膜管壳材料和上铝塑膜管壳材料之间；所述上铝塑膜管壳材料和下铝塑膜管壳材料均由聚酰亚胺层、第一粘结层、铝层、气液隔绝层、第二粘结层、未拉伸聚丙烯薄膜从外到内依次组成；所述上铝塑膜管壳材料表面靠近冷源区域的管壳材料区域和靠近热源区域的管壳材料区域去除聚酰亚胺层和第一粘结层。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)采用高分子材料和金属材料结合的铝塑膜作为管壳材料，采用有效的三段式封装结构和热压键合的方式使得整体柔性平板热管的内部真空度较高且能够反复弯折保持高传热效率，从而有效的解决了目前先进的柔性电子设备的可靠散热的问题。
(2)采用附有纳米线结构的具有梯度润湿性的毛细芯结构，使得其蒸发冷凝效率得到有效的提升，从而提高了热管整体的传热效率，此种设计大大降低了超薄柔性散热器件的热阻，使得其与平板刚性换热元件达到相近的散热水准。
(3)采用激光烧蚀的方式去除了柔性平板热管外表面与冷源和热源接触的外管壳材料表面的高分子材料，从而有效的减小了整体热阻。
(4)柔性平板热管其内部设有支撑丝网作为连接上下管材料的支撑结构，避免其加热工作过程中内部腔体过度膨胀而带来的严重变形，同时将支撑结构和毛细结构均通过热压的方式与管壳材料相结合，使得其可反复弯折而保持较高的换热效率。
附图说明
图1是本发明的柔性电子器件的超薄柔性散热装置的封装过程中的结构示意图。
图2是本发明的管壳材料构成示意图。
图3是梯度润湿性毛细芯处理区域示意图。
图4是激光烧蚀顺序示意图。
图5是本发明中梯度性润湿毛细芯的扫描电镜图片实物图。
图6是柔性平板热管实物图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种柔性电子器件的超薄柔性散热器件，包括上铝塑膜管壳材料1、下铝塑膜管壳材料2、具有梯度性润湿的多层毛细芯4、高分子支撑丝网3；
所述下铝塑膜管壳材料一侧设有梯度性润湿的多层毛细芯4；所述上铝塑膜管壳材料一侧设有高分子支撑丝网3；所述下铝塑膜管壳2和上铝塑膜管壳材料1热压后，具有梯度性润湿的多层毛细芯4和高分子支撑丝网3在下铝塑膜管壳材料2和上铝塑膜管壳材料1之间；
结合图2，所述上铝塑膜管壳材料1和下铝塑膜管壳材料2均由聚酰亚胺层8、第一粘结层9、铝层10、气液隔绝层11、第二粘结层12、未拉伸聚丙烯薄膜13从外到内依次组成；
所述具有梯度性润湿的多层毛细芯4采用具有氧化铁纳米线的200目三层烧结丝网，起到毛细作用，在超薄柔性散热期间工作过程中起到输运冷却工质，强化蒸发和冷凝相变作用。
高分子支撑丝网3采用聚丙烯丝网，由于聚丙烯丝网可承受的热压温度范围在220℃以内，适合于上铝塑膜管壳材料和下铝塑膜管壳材料通过热压的方式进行连接。
本发明的一种柔性电子器件的超薄柔性散热器件制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备具有梯度性润湿的多层毛细芯4：采用在不锈钢丝网表面生长氧化铁纳米线结构的方式对不锈钢丝网表面进行改性。
作为一种实施方式，采用前驱体催化氧化铁纳米线生长的方式，前驱体溶液采用溶胶凝胶法制备Ni-Al2O3前驱体溶液，该制备方法简单对环境友好、成本低、生产周期短，具体步骤如下：
1.1、清洗基底
采用304不锈钢丝网作为基底，选取三层烧结的200目不锈钢丝网进行清洗，首先将基底放入按丙酮和无水乙醇配置体积比1：1的混合溶液中，采用超声波震荡清洗清除基底表面的油污，然后将基底放入去离子水中超声清洗，最后用氮气吹干基底表面，得到干净的不锈钢丝网基底。
1.2、制备Ni-Al2O3前驱体溶液
称取0.02mol异丙醇铝(C9H21AlO3,Aladdin,99.99％)粉末，加入到100ml无水乙醇中去，然后将混合溶液置于75℃恒温水浴槽中不断搅拌，待蒸发回流水解1h后滴入适量盐酸调节至PH＝2，使溶液变澄清透明，继续搅拌蒸发回流3h得到0.1mol/L的Al2O3前驱体溶液。称取0.01mol硝酸镍晶体(Ni(NO3)2·6H2O,Aladdin,99.99％)，溶解于100ml无水乙醇中，得到0.1mol/L的硝酸镍前驱体溶液。将Al2O3和硝酸镍前驱体溶液按4：1体积比例混合，再加入0.01mol聚乙二醇200(PEG 200,Aladdin)作为螯合剂，搅拌混合均匀后得到一定Ni含量(Ni摩尔量占Ni与Al2O3总摩尔量之比为4：1)的Ni-Al2O3前驱体溶液。
1.3、涂覆前驱体溶液
将清洗干净的基底完全浸没在配置好的Ni-Al2O3前驱体溶液中，使前驱体溶液与不锈钢丝网充分接触，然后将烧结三层丝网匀速向上提拉，前驱体溶液被涂覆在基底表面形成一层湿膜。然后将处理后的基底材料置于干燥箱中保持50℃烘干，得到干燥过后的Ni-Al2O3涂层的不锈钢丝网。结合图3，不锈钢丝网分为浸润区域A、不浸润区域B。
1.4、制备具有梯度性润湿的多层毛细芯4
将烘干后的不锈钢丝网置于管式炉中，在氮气氢气比例95:5(摩尔比)混合气气氛下以5℃/分钟均匀升温至800℃，在最高温度保持1小时后自然冷却到室温，最终得到表面有Fe2O3纳米线结构的不锈钢丝网。平均纳米线长度可以达到9～20um，可以均匀的覆盖至横纵向编制的丝网上，形成微纳复合式的毛细结构。经接触角测试平台测量，如图5所示，其能够形成两段亲疏水性完全不同的毛细芯结构。如图5(a)为未经纳米线生长的丝网表面，其接触角特性如图5(c)所示，为疏水性丝网表面，接触角大于90°；如图5(b)为表面生长有纳米线结构的不锈钢丝网，其表面均匀生长的纳米线结构有效的增加了与液体工质的接触，其接触角特性如图5(d)所示，为亲水性的丝网表面，接触角小于10°。即通过接触角测试实验可以证明其亲疏水性的特性改性十分明显。该三层烧结的不锈钢丝网毛细芯在表面改性之后经过弯折疲劳测试，在弯折200次后其表面纳米线结构脱落面积小于10％，可以有效的保证其能够随着柔性平板热管的弯折而不改变其亲疏水特性。
步骤2、对上铝塑膜管壳材料外表面做激光烧蚀处理：
所述铝塑膜管壳材料如图2所示，其由聚酰亚胺层8、第一粘结层9、铝层10、气液隔绝层11、第二粘结层12、未拉伸聚丙烯薄膜13从外到内依次组成；
采用激光烧蚀的方式去除上铝塑膜管壳材料1表面的聚酰亚胺层8和第一粘结层9，使得铝层10暴露出来，铝层10与热源和冷源直接接触，从而有效的减小热阻。
由于管壳材料在高温下极易发生变形，因此采用分区域按顺序烧蚀的方式避免过度的形变，结合图4，将左侧靠近冷源区域的管壳材料区域从上至下分为的横向烧蚀区域14-18，在右侧靠近热源区域的管壳材料部分设置烧蚀区域19，采用从上到下间隔烧蚀的方式进行激光烧蚀，即按照区域14-16-18-15-17-19的顺序分次进行激光烧蚀，从而的到处理后的上铝塑膜管壳材料。采用此种烧蚀方式，既有效的避免了局部过热导致的材料变形又进一步减小了传热过程中的热阻。
步骤3、将具有梯度性润湿的多层毛细芯4、高分子支撑丝网3和对应的管壳材料连接：
将具有梯度性润湿的多层毛细芯4和处理后的上铝塑膜管壳材料1采用热压方式连接；具有梯度性润湿的多层毛细芯4亲水性表面对应靠近热源区域；到疏水性丝网表面对应冷源区域。将高分子支撑丝网3和下铝塑膜管壳材料2采用热压方式连接。
铝塑膜管壳材料中未拉伸聚丙烯薄膜层13具有很好的热塑性，通过热压间隔的方式和具有梯度性润湿的多层毛细芯4进行紧密的结合，从而减小毛细芯和管壳材料之间的接触热阻，同时保证弯折过程中不变形。
步骤4、整体封装：
4.1、先将处理后的上铝塑膜管壳材料、下铝塑膜管壳材料四周的三侧进行封装，一侧作为充装待封装区域；
其中三侧的封装的两侧长边采用热压封装，短边采用极耳胶粘结密封。
结合图1，充装待封装区域采用三段式封装，将铜管封装在前端区域6中，保留1cm长度的空间，从而使得后端区域5可以进行后续的封装。
4.2、充装冷却工质
采用极耳胶将充装铜管封装在封装前端区域6，通过充装铜管对上铝塑膜管壳材料、下铝塑膜管壳材料形成的填充空腔进行抽真空处理，抽真空后通过充装铜管充入冷却工质。抽真空需将填充空腔内部真空度抽至10-3Pa，充液率为20％-40％。
4.3、完成整体封装
在充装完成后，再将封装后端区域5进行热压封装，同时将铜质充液管去除掉。采用这种封装形式既解决了铝塑膜和铜质金属管的长期接触密闭性问题，又能够有效的解决充装过程中的气密性需要。
本发明的柔性电子器件的超薄柔性散热器件的工作过程为：
工作流体在与热源区域靠近的具有梯度性润湿的多层毛细芯4内受热蒸发形成蒸汽，由于此段在区域A内为亲水性表面特性，加快了蒸发的速率，在热源附近位置的热载荷大于器件其他位置的热载荷，从而在没有外部输入动力的情况下可以驱动工作流体在平板热管内部循环流动。蒸发的形成的蒸汽在与冷源靠近的区域进行冷凝，由于此段在区域B为超疏水特性表面，冷凝成核的效率大大提高，从而提升了冷凝换热的效率。冷凝后的液体工质在毛细驱动力下可以自主的完成到热端毛细芯的回流，从而完成整个平板热管内部的循环。在循环流动换热的过程中，热源处的热量由工作流体从热源附近传递至冷源附近，然后通过与冷板接触的部分将热量释放，由于蒸发段和冷凝段的亲疏水性处理带来的蒸发冷凝效率的提升使得柔性平板热管的整体传热效率得到有效的提升。
例如：在工质为水，充液率为30％，加热功率为12W，操作环境温度为25℃，弯折角度为0°时，柔性平板热管的最高温度为41.3℃，整个器件的最大温差为6.3℃。其等效热阻为0.525℃/W，对于其有效传热面积60×130mm2的情况下，其有效导热系数为1499W/m·K。结合图6，同时本发明制备的柔性超薄散热器件可弯折0-180°，厚度为1.47mm，同时反复弯折300次性能下降小于20％。

Claims (8)

1.一种柔性电子器件的超薄柔性散热器件，其特征在于，包括上铝塑膜管壳材料(1)、下铝塑膜管壳材料(2)、具有梯度性润湿的多层毛细芯(4)、高分子支撑丝网(3)；
所述下铝塑膜管壳材料一侧设有梯度性润湿的多层毛细芯(4)；所述上铝塑膜管壳材料一侧设有高分子支撑丝网(3)；所述有梯度性润湿的多层毛细芯(4)和高分子支撑丝网(3)设置在下铝塑膜管壳材料(2)和上铝塑膜管壳材料(1)之间；所述上铝塑膜管壳材料(1)和下铝塑膜管壳材料(2)均由聚酰亚胺层(8)、第一粘结层(9)、铝层(10)、气液隔绝层(11)、第二粘结层(12)、未拉伸聚丙烯薄膜(13)从外到内依次组成；所述上铝塑膜管壳材料(1)表面靠近冷源区域的管壳材料区域和靠近热源区域的管壳材料区域去除聚酰亚胺层(8)和第一粘结层(9)；
对上铝塑膜管壳材料(1)、下铝塑膜管壳材料(2)形成的填充空腔采用三段式封装结构，将具有梯度性润湿的多层毛细芯(4)、高分子支撑丝网(3)和对应的管壳材料连接，均采用热压方式连接。
2.根据权利要求1所述的散热器件，其特征在于，所述具有梯度性润湿的多层毛细芯(4)采用多层丝网表面部分区域制备氧化铁纳米线的结构；具有梯度性润湿的多层毛细芯(4)亲水性表面对应靠近热源区域；到疏水性丝网表面对应冷源区域。
3.根据权利要求2所述的散热器件，其特征在于，所述丝网采用不锈钢丝网。
4.一种柔性电子器件的超薄柔性散热器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备具有梯度性润湿的多层毛细芯：采用在不锈钢丝网表面部分区域生长氧化铁纳米线结构的方式对不锈钢丝网表面进行改性：得到疏水性丝网表面和亲水性的丝网表面；
步骤2、去除上铝塑膜管壳材料表面靠近冷源区域的管壳材料区域和靠近热源区域的管壳材料区域的聚酰亚胺层和第一粘结层；
步骤3、将具有梯度性润湿的多层毛细芯、高分子支撑丝网和对应的管壳材料连接：将具有梯度性润湿的多层毛细芯和处理后的上铝塑膜管壳材料连接，具有梯度性润湿的多层毛细芯亲水性表面对应靠近热源区域；疏水性丝网表面对应冷源区域；将高分子支撑丝网和下铝塑膜管壳材料连接；将具有梯度性润湿的多层毛细芯、高分子支撑丝网和对应的管壳材料连接，均采用热压方式连接；
步骤4、整体封装：对上铝塑膜管壳材料、下铝塑膜管壳材料形成的填充空腔进行抽真空处理，抽真空后通过充装铜管充入冷却工质，完成整体封装；所述封装采用三段式封装结构。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1制备具有梯度性润湿的多层毛细芯，通过在不锈钢丝网基底上采用前驱体催化氧化铁纳米线生长的方式。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1制备具有梯度性润湿的多层毛细芯具体包括以下步骤：
步骤1.1、制备Ni-Al2O3前驱体溶液；
步骤1.2、涂覆前驱体溶液：将前驱体溶液被涂覆在不锈钢丝网基底局部表面形成一层湿膜烘干，得到干燥过后的Ni-Al2O3涂层的不锈钢丝网；
步骤1.3、得到干燥过后的Ni-Al2O3涂层的不锈钢丝网：将烘干后的不锈钢丝网在氮气氢气混合气气氛下升温至设定温度保温冷却后得到表面有Fe2O3纳米线结构的不锈钢丝网。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2去除上铝塑膜管壳材料聚酰亚胺层和第一粘结层采用激光烧蚀处理，其中靠近冷源区域的管壳材料采用分区域按顺序的烧蚀方式：将靠近冷源区域的管壳材料区域依次分为的横向烧蚀区域，采用奇数区域烧蚀完再烧蚀偶数区域的顺序。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4整体封装，具体包括以下步骤：
步骤4.1、先将处理后的上铝塑膜管壳材料、下铝塑膜管壳材料四周的三侧进行封装，一侧作为充装待封装区域；
步骤4.2、充装冷却工质：采用极耳胶将充装铜管封装在封装前端区域，通过充装铜管对上铝塑膜管壳材料、下铝塑膜管壳材料形成的填充空腔进行抽真空处理，抽真空后通过充装铜管充入冷却工质
步骤4.3、完成整体封装：在充装完成后，再将封装后端区域进行热压封装，同时将铜质充液管去除掉。
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