CN113465430B - 一种基于气液共面结构的超薄热二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于气液共面结构的超薄热二极管及其制备方法，超薄热二极管包括上壳板、下壳板、条形支撑柱、主干道吸液芯、辅助吸液芯和蒸汽扩散结构，上壳板和下壳板的中部分别凹陷形成凹腔和凸缘，上壳板与下壳板密封连接，辅助吸液芯和蒸汽扩散结构均设于上壳板的凹腔内，蒸汽扩散结构为深宽小的微沟槽或者微柱阵列结构，条形支撑柱和主干道吸液芯均设于下壳板的凹腔内，条形支撑柱和主干道吸液芯均一端与下壳板连接，另一端与辅助吸液芯和蒸汽扩散结构抵接或连接，条形支撑柱位于主干道吸液芯的两侧，主干道吸液芯和多个条形支撑柱分隔凹腔形成多个蒸汽流动通道，主干道吸液芯内填充有液体工质，主干道吸液芯用以作为液体工质流动通道。
Description
技术领域
本发明涉及集成电子器件散热技术领域，特别涉及一种基于气液共面结构的超薄热二极管及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的迅速发展，电子产品不断朝着高性能、高集成和微型化方向发展，这导致了电子器件热流密度急剧增大和工作温度急剧升高。超高工作温度会大幅度降低电子产品内部器件运行性能、甚至造成电子器件不可逆损坏。超薄相变传热元件，具有导热性能优异，温度均匀性好，所需空间小等优点，被广泛应用于紧凑型电子器件散热。然而，常规超薄相变传热元件能够将热量快速传递出去，有效控制电子产品运行温度，同时当遇到温度更高的外部热源时，也会将热量反向传递至电子器件，尤其是在电动汽车和航天器等电子设备中，这反而不利于电子器件正常运行。
因此，针对微电子设备智能热管理需求，亟需开发出一种能够控制热量流向的相变传热元件，以实现紧凑电子器件能够有效地释放芯片热量，同时能够屏蔽外部热源，阻止外部热量的朝着芯片输入，保证电子设备安全可靠地运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于气液共面结构的超薄热二极管，以解决现有高效超薄相变传热元件无法控制热量流向问题，对电子器件封装进行智能热管理。
本发明的另一目的为，提供一种上述基于气液共面结构的超薄热二极管的制备方法。
本发明的技术方案为：一种基于气液共面结构的超薄热二极管，包括上壳板、下壳板、条形支撑柱、主干道吸液芯、辅助吸液芯和蒸汽扩散结构，所述上壳板和下壳板的中部分别凹陷形成凹腔和位于凹腔四周的凸缘，上壳板的凸缘与下壳板的凸缘贴合且密封连接，辅助吸液芯和蒸汽扩散结构均设于上壳板的凹腔内，辅助吸液芯与上壳板连接，蒸汽扩散结构为小深宽比的微沟槽或者微柱阵列结构，多个条形支撑柱和主干道吸液芯均设于下壳板的凹腔内，多个条形支撑柱和主干道吸液芯均一端与下壳板连接，另一端与辅助吸液芯和蒸汽扩散结构抵接或连接，条形支撑柱位于主干道吸液芯的两侧，主干道吸液芯和多个条形支撑柱分隔凹腔形成多个蒸汽流动通道，主干道吸液芯内填充有液体工质，主干道吸液芯用以作为液体工质流动通道。
进一步，所述主干道吸液芯与辅助吸液芯均为多孔结构。
进一步，所述主干道吸液芯为丝网、螺旋编织丝网或烧结铜粉结构，辅助吸液芯为丝网或烧结铜粉结构，或辅助吸液芯为与上壳板一体成形的具有大深宽比的横向微沟槽毛细结构。
进一步，位于凹腔同一侧的条形支撑柱之间的间隔为0.3-3mm，条形支撑柱与主干道吸液芯之间的间隔为0.3-3mm，凹腔的深度为0.05-0.25mm，条形支撑柱宽度为0.1～1mm。
进一步，所述条形支撑柱与下壳板通过焊接连接，或者条形支撑柱与下壳板一体成型。
进一步，所述辅助吸液芯和主干道吸液芯采用亲水处理，蒸汽扩散结构采用疏水处理。
进一步，所述上壳板和下壳板的厚度为0.06-0.3mm，上壳板与下壳板连接后的整体厚度为0.12-0.6mm，所述主干道吸液芯厚度与条形支撑柱的高度为0.03-0.25mm。
进一步，所述辅助吸液芯和蒸汽扩散结构分别位于上壳板的凹腔内的两侧。
本发明的另一技术方案为：上述基于气液共面结构的超薄热二极管的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：对上壳板加工形成凹腔和位于凹腔内的蒸汽扩散结构，对下壳板加工形成凹腔和条形支撑柱，上壳板和下壳板均冲压出注液口；
步骤S2：制备主干道吸液芯和辅助吸液芯，将主干道吸液芯设置于下壳板的凹腔内且分布在两侧的条形支撑柱之间，主干道吸液芯与下壳板连接；将辅助吸液芯放入上壳板的凹腔内且与上壳板连接；
步骤S3：将上壳板和下壳板的四周边缘焊接密封，注液管与注液口焊接密封，形成带有注液管的密封壳体；
步骤S4：通过注液管将液体工质灌注至主干道吸液芯内，并抽真空使凹腔处于真空状态；
步骤S5：先焊接密封注液管，并进行二次除气，之后再焊接密封注液口位置，去除注液管，完成超薄热二极管的封装。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明的基于气液共面结构的超薄热二极管，通过在上壳板一侧布置辅助吸液芯帮助液体回流至主干道吸液芯，另一侧布置蒸汽扩散结构，起到提供支撑和促进蒸汽扩散作用，实现热量单向传递。当热源在蒸汽扩散结构处加热，辅助吸液芯处冷却时，蒸发端主干道吸液芯内储存的液体工质吸收热量后，通过主干道吸液芯与条形支撑柱之间构成的纵向蒸汽通道快速流动，同时还可以通过蒸汽扩散结构横向流至两侧多个条形支撑柱之间形成的多个独立蒸汽通道，在压差推动下通过多个蒸汽通道并行快速扩散至整个真空腔体，实现快速传热，蒸汽工质扩散至冷凝端被外界带走热量后，发生冷凝相变成液体工质，冷凝在条形支撑柱之间的液体工质可以通过辅助吸液芯在毛细压力驱动下回流至主干道吸液芯，再由主干道吸液芯在毛细压力推动下流至蒸发端，完成气液循环，实现高效散热。当在辅助吸液芯处加热，在蒸汽扩散结构出冷却时，由于蒸汽扩散结构孔隙较小，对蒸汽流动具有较大阻力，阻碍蒸汽横向流动至两侧条形支撑柱之间形成的蒸汽通道，仅通过主干道吸液芯与条形支撑柱形成的非常狭小蒸汽通道间扩散，蒸汽流动阻力大，热量传递极少，同时在压差推动下部分蒸汽会在冷凝端蒸汽扩散结构横向流动，扩散至两侧条形支撑柱形成的多个蒸汽通道，并发生冷凝成液体工质，液体工质冷凝残留在两侧条形支撑柱形成的多个蒸汽通道内，由于蒸汽扩散结构毛细力小，液体工质残留在条形支撑柱形成的蒸汽通道内，无法回流至主干道吸液芯，从而逐渐阻隔气液循环，使得热量无法传递。该基于气液共面结构的超薄热二极管，相比常规超薄相变传热元件具有单向导热性能优异、反向传热能力极差，热量传递方向可控等特点。同时，基于气液共面结构的超薄热二极管的空间占用率极低，能够很好地适应当前电子产品集成化、微型化的需求。
本发明的基于气液共面结构的超薄热二极管的制造方法，操作简单，加工精度好，加工效率高，适合大批量生产，同时可根据实际尺寸需求调整超薄热二极管外形尺寸，可调整度高，可以满足不同实际应用场合智能热控制。
附图说明
图1为本发明的基于气液共面结构的超薄热二极管的结构示意图。
图2为本发明的基于气液共面结构的超薄热二极管的分解图。
图3为本发明的上壳板的结构示意图。
图4为本发明实施例2中上壳板的结构示意图。
图5为本发明实施例4中上壳板的结构示意图。
上壳板1、辅助吸液芯11、蒸汽扩散结构12、下壳板2、条形支撑柱21、主干道吸液芯22、凹腔31、凸缘32。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种基于气液共面结构的超薄热二极管，包括上壳板1、下壳板2、条形支撑柱21、主干道吸液芯22、辅助吸液芯11和蒸汽扩散结构12。
如图1、图2和图3所示，上壳板和下壳板的中部分别凹陷形成凹腔31和位于凹腔四周的凸缘32，上壳板的凸缘与下壳板的凸缘贴合且密封连接，辅助吸液芯和蒸汽扩散结构均设于上壳板的凹腔内，辅助吸液芯与上壳板连接，蒸汽扩散结构为小深宽比的微沟槽或者微柱阵列结构，小深宽比为0.3以下。辅助吸液芯为亲水处理的平织丝网或烧结铜粉结构，或辅助吸液芯为与上壳板一体成形的具有大深宽比的横向微沟槽毛细结构，大深宽比为0.5-2.0或2.0以上。蒸汽扩散结构采用疏水处理。
如图1、图2和图3所示，多个条形支撑柱和主干道吸液芯均设于下壳板的凹腔内，多个条形支撑柱和主干道吸液芯均一端与下壳板连接，另一端与辅助吸液芯和蒸汽扩散结构抵接，条形支撑柱位于主干道吸液芯的两侧，主干道吸液芯和多个条形支撑柱分隔凹腔形成多个蒸汽流动通道，主干道吸液芯内填充有液体工质，主干道吸液芯用以作为液体工质流动通道。主干道吸液芯为丝网、螺旋编织丝网或烧结铜粉结构，条形支撑柱与下壳板通过焊接连接，或者条形支撑柱与下壳板一体成型。
如图1、图2和图3所示，在本实施例中，上壳板和下壳板的厚度为0.2mm，上壳板和下壳板密封连接后的密封壳体的厚度为0.40mm，主干道吸液芯厚度为0.15mm，支撑柱高度为0.15mm。支撑柱之间的间隔为1.2mm，凹腔的深度为0.15mm，辅助吸液芯为3层200目丝径为0.03mm的平织丝网结构，压扁厚度至0.15mm，蒸汽扩散结构为微柱阵列结构，微柱长宽尺寸为1×1mm，间隔为1mm，高度为0.15mm。
上述基于气液共面结构的超薄热二极管的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：下壳板为厚度为0.2mm的铜合金板，采用蚀刻法在下壳板上加工出深度为0.15mm的凹腔与高度为0.15mm的条形支撑柱，位于凹腔内同一侧的两个支撑柱之间的间距为1.2mm，支撑柱宽度为0.2mm；上壳板为厚度为0.2mm铜合金板，采用蚀刻法加工出1*1mm，间隔为1mm，深度为0.15mm的微柱阵列结构，上壳板和下壳板的尺寸为15×120mm；
步骤S2：制备主干道吸液芯和辅助吸液芯，采用由8股丝径为0.03mm的铜丝螺旋编织成的金属丝编织带作为主干道吸液芯，并对主干道吸液芯表面进行亲水处理，烧结4层200目丝径为0.05mm丝网作为辅助吸液芯，并压扁至厚度为0.15mm，主干道吸液芯位于下壳板条形支撑柱中间且与下壳板焊接连接，辅助吸液芯位于上壳板凹腔且与上壳板焊接连接；
步骤S3：将上壳板盖设于下壳板上，上壳板和下壳板的凸缘贴合并通过钎焊密封，形成留有注液口的密封壳体，灌注管安装于注液口处；
步骤S4：通过注液口将液体工质灌注至凹腔内，并抽真空使凹腔处于真空状态；
步骤S5：冷焊密封灌注管，电阻焊接密封注液口，并通过加热进行二次除气，去除注液管，完成超薄热二极管的封装，得到整体厚度为0.40mm的超薄热二极管。
实施例2
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，上壳板的板厚为0.06mm，上壳板凹腔的深度为0.03mm，蒸汽扩散结构为微柱阵列结构，微柱长宽尺寸为1×1mm，间隔为1mm，高度为0.03mm，辅助吸液芯为宽度0.05mm间隔0.05mm深度为0.03mm的大深宽比微沟槽阵列结构，并做了亲水处理；下壳板的板厚为0.06mm，下壳板凹腔的深度为0.03mm，条形支撑柱宽度为0.15mm，分布间隔为1.2mm。超薄二极管总厚度为0.12mm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，上壳板的板厚为0.3mm，上壳板凹腔的深度为0.25mm，蒸汽扩散结构为微柱阵列结构，微柱长宽尺寸为1×1mm，间隔为1mm，高度为0.25mm，辅助吸液芯为3层100目丝径0.05mm的丝网烧结而成，压扁厚度至0.25mm，并且进行了亲水处理；下壳板的板厚为0.3mm，下壳板凹腔的深度为0.25mm，条形支撑柱宽度为0.5mm，分布间隔为0.8mm。超薄二极管总厚度为0.6mm。
实施例4
如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，上壳板蒸汽扩散结构为宽度1mm间隔1mm深度为0.15mm的小深宽比微沟槽结构，辅助吸液芯为做超亲水处理的宽度为0.15mm，间隔0.15mm，深度为0.15mm的大深宽比微沟槽结构。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (5)
1.一种基于气液共面结构的超薄热二极管，其特征在于，包括上壳板、下壳板、条形支撑柱、主干道吸液芯、辅助吸液芯和蒸汽扩散结构，所述上壳板和下壳板的中部分别凹陷形成凹腔和位于凹腔四周的凸缘，上壳板的凸缘与下壳板的凸缘贴合且密封连接，辅助吸液芯和蒸汽扩散结构均设于上壳板的凹腔内，辅助吸液芯与上壳板连接，蒸汽扩散结构为小深宽比的微沟槽或者小深宽比的微柱阵列结构，主干道吸液芯和多个条形支撑柱均设于下壳板的凹腔内，主干道吸液芯和多个条形支撑柱均一端与下壳板连接，另一端与辅助吸液芯和蒸汽扩散结构连接，条形支撑柱位于主干道吸液芯的两侧，主干道吸液芯和多个条形支撑柱分隔凹腔形成多个蒸汽流动通道，主干道吸液芯内填充有液体工质，主干道吸液芯用以作为液体工质流动通道；
所述小深宽比为0.3以下，大深宽比为0.5以上；
所述主干道吸液芯与辅助吸液芯均为多孔结构；
所述辅助吸液芯为3层100目丝径0.05mm的丝网烧结而成并压扁厚度至0.25mm、3层200目丝径为0.03mm的平织丝网结构并压扁厚度至0.15mm或4层200目丝径为0.05mm的丝网烧结而成并压扁厚度至0.15mm；或，所述辅助吸液芯为与上壳板一体成形的具有大深宽比的横向微沟槽毛细结构；
所述主干道吸液芯为丝网或烧结铜粉结构；
所述辅助吸液芯和主干道吸液芯采用亲水处理，蒸汽扩散结构采用疏水处理；
所述辅助吸液芯和蒸汽扩散结构分别位于上壳板的凹腔内的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于气液共面结构的超薄热二极管，其特征在于，位于凹腔同一侧的条形支撑柱之间的间隔为0.3-3mm，条形支撑柱与主干道吸液芯之间的间隔为0.3-3mm，凹腔的深度为0.05-0.25mm，条形支撑柱宽度为0.1~1mm。
3.根据权利要求1所述的基于气液共面结构的超薄热二极管，其特征在于，所述条形支撑柱与下壳板通过焊接连接，或者条形支撑柱与下壳板一体成型。
4.根据权利要求1所述的基于气液共面结构的超薄热二极管，其特征在于，所述上壳板和下壳板的厚度为0.06-0.3 mm，上壳板与下壳板连接后的整体厚度为0.12-0.6 mm，所述主干道吸液芯厚度与条形支撑柱的高度为0.03-0.25 mm。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于气液共面结构的超薄热二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：对上壳板加工形成凹腔和位于凹腔内的蒸汽扩散结构，对下壳板加工形成凹腔和条形支撑柱，上壳板和下壳板均冲压出注液口；
步骤S2：制备主干道吸液芯和辅助吸液芯，将主干道吸液芯设置于下壳板的凹腔内且分布在两侧的条形支撑柱之间，主干道吸液芯与下壳板连接；将辅助吸液芯放入上壳板的凹腔内且与上壳板连接；
步骤S3：将上壳板和下壳板的四周边缘焊接密封，注液管与注液口焊接密封，形成带有注液管的密封壳体；
步骤S4：通过注液管将液体工质灌注至主干道吸液芯内，并抽真空使凹腔处于真空状态；
步骤S5：先焊接密封注液管，并进行二次除气，之后再焊接密封注液口位置，去除注液管，完成超薄热二极管的封装。
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