CN214173063U - 一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分区结构功能优化的0.1‑0.4mm超薄VC，包括上盖板和下盖板，上盖板与下盖板焊接连接；上盖板和下盖板均包括蒸发段、绝热段和冷凝段；上盖板的蒸发段表面设置为超亲水腔形微纳米结构，绝热段表面设置为超亲水等宽沟槽微纳结构，冷凝段表面设置为超疏水锥形微纳米结构；下盖板的蒸发段区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构，绝热段区域表面设置为超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构，冷凝段区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构。本实用新型不但能够优化热管内部的汽腔结构和液腔结构以及体积分配，且能保证其良好的毛细吸水性能和低的水阻、热阻。

Description

一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC

技术领域

本实用新型涉及均热板技术领域，尤其涉及一种分区结构功能优化的 0.1-0.4mm超薄VC。

背景技术

随着微电子技术特别是5G技术的飞速发展，各种电子设备及器件，尤其是以5G智能手机和平板电脑为代表的超薄移动设备，不断朝着高性能、集成化、小型化与轻薄化的方向发展，元件密度增大、电源续航能力提高、系统功耗增加，而机身厚度的不断压缩，单位体积产生的热量持续上升，高热流密度所带来的散热问题成为制约电子设备可用性、可靠性和使用寿命的关键限制因素，约55％的电子设备的失效问题是由于温度过高造成的。以5G智能手机为例，其芯片功耗约是4G手机的2.5倍，集成度、工作速度进一步提升，散热需求更加强烈，原有散热方案难以满足其正常工作，急需升级。

均热板(Vapor Chamber，VC，真空腔均热板散热技术)和热管(为方便，下文所述均热板VC均包含热管，本专利均热板VC也包括热管)作为一种基于沸腾相变传热的高效两相传热装置，其导热系数已经超过了目前任何已知金属，因其优异的导热性、良好的等温性和可靠性，在智能手机、笔记本电脑等电子器件中广泛应用。随着电子设备的日益轻薄化，超薄均热板也成为狭小空间内散热的有效手段和首选解决方案。超薄均热板一般由腔体、密封头、吸液芯和工作介质组成，其主体结构包括蒸发段、绝热段、冷凝段和密封壳体。在蒸发段液态水吸收芯片工作产生的热量而蒸发成蒸汽，经过绝热段蒸汽通道气相传输到达冷凝段，经由冷凝段放热将蒸汽还原回液态水，由于均热板内部吸液芯的毛细力作用，冷凝水回流到蒸发段不断往返循环，将芯片热量快速散发出去。均热板的传热性能、传热效率和传热极限主要取决于吸液芯提供的毛细压力和液体在吸液芯内的渗透回流速率。传统吸液芯主要有丝网吸液芯、粉末/纤维烧结吸液芯、沟槽吸液芯和复合吸液芯等，其制备方法主要有化学沉积和烧结制备，或者采用反应离子刻蚀、电火花加工、电解加工、表面镀膜等刻蚀方法，近年来激光加工方法制备吸液芯也比较活跃。

5G技术的发展要求均热板的散热能力进一步提升而厚度进一步减薄，尤其是当均热板厚度低于0.4mm时，其吸液芯的厚度将更薄，其毛细性能将显著下降，内部气-液高速对流引起的界面剪切力增大，水阻和气阻显著提高，传热效率迅速下降。因此，急需开发性能更优的均热板及其吸液芯结构。

超薄均热板的主要发展趋势是将吸液芯直接制备在盖板上以减少厚度，同时优化吸液芯结构，提升毛细力。如专利CN106500533B利用纳秒激光在热管壁上雕刻出横纵交错的细小沟槽，对周边进行鱼鳞激光焊接，以制备焊接密封性好、体积小、传热性能好、回流阻力小的超薄热管。专利 CN106541210A增加了对沟槽表面的亲水处理，以提高工质的蒸发吸热及冷凝回流效率。专利CN110081749A利用纳秒激光在铝基板凹槽面内扫描出具有茸毛形貌的连续毛细结构，利用热处理得到超疏水和超亲水区域相互交替分布的结构，以提高散热效率。专利CN105841535A和专利CN105865243A提出使用多功能激光器在铜板上加工出针翅和沟槽结构，结合超疏水表面制备得到复合结构沟槽，以提升毛细力和促进工质的沸腾冷凝和均流。专利 CN106066130A提出在斜坡铜盖板上利用激光制备出沟槽毛细结构，通过构造斜坡和沟槽毛细结构的共同作用，来加速水平放置热管中工质的回流速度和提高传热性能。专利CN107283067A提出在热管壁面利用纳秒激光加工出不等宽微槽道，来提高工质回流毛细压力和传热性能。专利CN107509357A提出利用激光在铜基板表面加工出凸型沟槽，以增大工质蒸发表面积、提供附加蒸汽通道，来促进工质蒸发、降低工质回流阻力。专利CN206095014U提出使用纳秒激光在金属基板上刻蚀高深宽比沟槽，并利用相邻熔渣堆积物形成次沟槽，来制备毛细压力大、工质回流快的平板热管。专利CN207300016U 将激光加工得到的毛细沟槽与3D打印成形的网状吸液芯相结合，以增强工质蒸发冷凝效率，提升传热性能和稳定度。

综上所述，现有使用的超薄热管丝网、喷粉、高温钎焊封装的机械制造方法难以进一步降低热管厚度，激光方法在制备亲水、超亲水、疏水、超疏水结构方面以及结构布局方面有优势，但采用激光方法的现有专利一般针对的是0.5mm及以上厚度的热管，几乎不涉及0.1-0.4mm厚度的热管。但当热管厚度进一步下降到0.4mm以下时，如何优化热管内部的汽腔结构和液腔结构以及体积分配，如何保证其良好的毛细吸水性能和低的水阻、热阻仍然是一个很大的挑战。

因此，如何提供一种不但能够优化热管内部的汽腔结构和液腔结构以及体积分配，且能够保证其良好的毛细吸水性能和低的水阻、热阻的分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC是本领域亟需解决的技术问题之一。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄 VC，利用超快激光图案化微纳米制备方法，对均热板上下盖板的蒸发段、绝热段、冷凝段分区进行结构与功能优化，利用激光焊接方法进行上下盖板焊接封装，以实现0.1-0.4mm厚度均热板的超薄化和传热性能优化。

为解决上述技术问题，本实用新型采取了如下技术方案：

一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，包括上盖板和下盖板，所述上盖板与所述下盖板由激光焊接连接；

所述上盖板包括第一蒸发段、第一绝热段和第一冷凝段；所述第一蒸发段的区域表面设置为超亲水腔形微纳米结构；所述第一绝热段区域表面设置为超亲水等宽沟槽微纳米结构；所述第一冷凝段区域表面设置为超疏水锥形微纳米结构；

所述下盖板包括第二蒸发段、第二绝热段和第二冷凝段；所述第二蒸发段的区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构；所述第二绝热段区域表面设置为超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构；所述第二冷凝段区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构。

上述技术方案的有益效果是：1)通过将所述下盖板的第二所属蒸发段区域表面设置为所述超亲水锥形微纳米结构，最优化蒸发和毛细吸液功能，利用超亲水表面的高温气泡成核蒸发散热机制，显著提升散热效率；利用超亲水表面的强大毛细力吸水能力，减少液体流动阻力，提高来水供应效率，显著提升吸水效率；所述上盖板的所述第一蒸发段区域表面设置为所述超亲水腔形微纳米结构，优化蒸汽接收和输运效果，减少蒸汽汽阻；2)通过将所述下盖板的所述第二绝热段的区域表面设置为超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构，利用楔形结构两端的拉普拉斯压力差提供强大的自驱动功能，除超亲水毛细吸液力以外再附加自驱动功能，提升冷凝水的回流输运能力，并使水阻最小化；将所述上盖板的所述第一绝热段表面区域设置为超亲水等宽沟槽微纳米结构，快速输运蒸汽、降低汽阻；3)通过将所述上盖板的第一冷凝段的区域表面设置为超疏水锥形微纳米结构，最优化冷凝功能，利用超疏水表面的滴状冷凝散热机制显著提升冷凝效率；将所述下盖板的所述第二冷凝段的区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构，优化冷凝水收集和输运功能，减少水阻。

进一步，所述超薄VC的厚度为0.1mm-0.4mm，且所述下盖板的厚度为所述超薄VC厚度的50％-80％。

进一步，所述超亲水锥形微纳米结构为正方周期分布微米锥列阵，其表面设有高表面能涂层；所述超疏水锥形微纳米结构为正方周期分布微米锥列阵，其表面设有低表面能涂层；且每个所述微米锥间距为10-100μm，直径为 1-80μm，斜度为10°-35°。

进一步，所述超亲水腔形微纳米结构为长方形空腔，其表面设有高表面能涂层；所述长方形空腔中间布置一定数量的支撑柱。

进一步，所述超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构为沿所述下盖板长度方向平行分布的楔形沟槽列阵，其表面设有有高表面能涂层；所述楔形沟槽角度为5°-35°，其横截面呈月牙形；所述楔形沟槽短边位于蒸发段，长边位于冷凝段；所述楔形沟槽的宽度为30-100nm。

进一步，所述超亲水等宽沟槽微纳米结构为沿所述上盖板长度方向平行分布的长方形沟槽列阵，其表面设有高表面能涂层；所述长方形沟槽的横截面呈月牙形，其宽度为50-100nm。

进一步，所述微米锥的高度、长方形腔的深度、楔形和等宽沟槽的深度均为所在板厚的10％-70％，所述微米锥表面、长方形空腔内表面、楔形和等宽沟槽内表面均分布有纳米波纹或颗粒，所述纳米级波纹或颗粒的尺寸为 100-900nm。

进一步，所述高表面能涂层为SiO2或TiO2等氧化物涂层。

进一步，所述低表面能涂层为氟化涂层。

进一步，所述上盖板和所述下盖板所用的材料均为紫铜、铜合金、铝合金、不锈钢的一种。

进一步，所述上盖板和所述下盖板由激光焊接封装形成均热板。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

1)本实用新型专门针对0.1-0.4mm所述超薄VC和热管，众所周知，当均热板和热管厚度降低到0.4mm以下时，其毛细性能将显著下降、水阻和气阻显著提高，传热效率迅速下降。本实用新型同时对上盖板和下盖板的蒸发段、绝热段和冷凝段均进行分区结构与功能优化，即下盖板的第二蒸发段区域利用超亲水表面的高温气泡成核蒸发散热机制，显著提升蒸发能力。研究表明，在超过100度高温蒸发时，超亲水表面会不断生成大量的气泡而快速脱离表面，提升热量的散发，而其他表面则会形成水膜覆盖高温表面，阻碍热流的散发。在相同的温度下，超亲水表面的散热热流通量比疏水表面或超疏水表面提高几十倍。下盖板的超亲水结构同时形成强大的吸液能力，使得微纳米结构的吸液芯的吸液能力达到最优化。上盖板的第一蒸发段区域采用超亲水腔形微纳米结构，能使蒸发产生的蒸汽的汽阻大幅下降，将蒸汽快速导出。下盖板的第二绝热段区域采用超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳结构，是一种楔形微纳米通道结构，由于楔形两端的直径差，会形成表面张力和拉普拉斯压力差，自动将水从直径较大的部分驱动到直径较小的部分，在超亲水强大的毛细力的基础上叠加驱动力，能大大提升液体从冷凝段到蒸发段的传输能力和效率；上盖板的第一绝热段区域采用超亲水等宽沟槽微纳米结构，进一步提升了气泡成核散热能力，同时减少蒸汽阻力，提高蒸汽输运效率。上盖板的第一冷凝段区域表面采用超疏水锥形微纳米结构，利用超疏水表面的滴状冷凝散热机制显著提升冷凝效率，研究表明，超疏水表面在冷凝时，水滴将成滴状，同时会出现跳滴现象，水滴会快速脱离表面，而常规表面会出现水膜，阻碍冷凝进行，超疏水表面的冷凝效率比通常比正常金属的膜状冷凝效率提升10倍以上。下盖板的第二冷凝段区域表面的超亲水锥形微纳米结构，会优化冷凝水收集和输出功能，减少水阻。由于上述上盖板和下盖板的分区结构与功能优化效果，特别是各段表面的微纳米结构，使得蒸发段、绝热段和冷凝段的功能都达到最优状态，充分挖掘均热板的散热能力，即使均热板厚度降低到0.1-0.4mm的极限厚度，仍能保持良好的散热能力，甚至超过厚度较大的常规均热板的性能。

2)本实用新型超薄VC上盖板和下盖板由激光焊接封装而成，激光焊接焊接质量良好，焊缝成形良好、光洁整齐、无漏焊、无缺陷；激光焊接速度快，相比较现在通用的高温钎焊工艺，焊接效率大幅度提高；激光焊接工艺过程简单，对前道工序和后道工序要求低，没有钎焊的700-800度高温加热要求，可以大大简化均热板的制造流程、降低制造成本、提高制造效率，提升焊接质量稳定性；激光焊接克服了高温加热对吸液芯毛细结构和性能的影响，可实现稳定可靠的均热板；激光焊接不增加钎焊钎料厚度，均热板厚度完全由上盖板和下盖板的厚度决定，能使均热板厚度降到最低。因此，激光焊接相比于传统的高温钎焊具有明显的技术进步。

附图说明

图1为本实用新型一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC的结构示意图；

图2为本实用新型一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC的上盖板的结构示意图；

图3为本实用新型一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC的下盖板的结构示意图；

图中：1、上盖板；11、第一蒸发段；12、第一绝热段；13、第一冷凝段； 2、下盖板；21、第二蒸发段；22、第二绝热段；23、第二冷凝段。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，包括上盖板1和下盖板2，上盖板1与下盖板2由激光焊接连接；上盖板1包括第一蒸发段11、第一绝热段12和第一冷凝段13；第一蒸发段11的区域表面设置为超亲水腔形微纳米结构；第一绝热段12区域表面设置为超亲水等宽沟槽微纳米结构；第一冷凝段13区域表面设置为超疏水锥形微纳米结构；下盖板2包括第二蒸发段21、第二绝热段22和第二冷凝段23；第二蒸发段21的区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构；第二绝热段22区域表面设置为超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构；第二冷凝段23区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构；超薄VC的厚度为0.2mm-0.4mm，且下盖板2的厚度为超薄VC厚度的50％-80％。

超亲水锥形微纳米结构为正方周期分布微米锥列阵，其表面设有高表面能涂层；超疏水锥形微纳米结构为正方周期分布微米锥列阵，其表面设有低表面能涂层；且每个微米锥间距为10-100μm，直径为1-80μm，斜度为10° -35°。

超亲水腔形微纳米结构为长方形空腔，其表面设有高表面能涂层；长方形空腔中间布置一定数量的支撑柱。

超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构为沿下盖板2长度方向平行分布的楔形沟槽列阵，其表面设有有高表面能涂层；楔形沟槽角度为5°-35°，其横截面呈月牙形；楔形沟槽短边位于蒸发段，长边位于冷凝段；楔形沟槽的宽度为30-100nm。

超亲水等宽沟槽微纳米结构为沿上盖板1长度方向平行分布的长方形沟槽列阵，其表面设有高表面能涂层；长方形沟槽的横截面呈月牙形，其宽度为 50-100nm。

所述微米锥的高度、长方形腔的深度、楔形和等宽沟槽的深度均为所在板厚的10％-70％，所述微米锥表面、长方形空腔内表面、楔形和等宽沟槽内表面均分布有纳米波纹或颗粒，所述纳米级波纹或颗粒的尺寸为100-900nm。

在本实施例中，高表面能涂层为SiO2或TiO2等氧化物涂层。

在本实施例中，低表面能涂层为氟化涂层。

在另外一些实施例中，上盖板1和下盖板2所用的材料均为紫铜、铜合金、铝合金、不锈钢的一种。

在另外一些实施例中，上盖板1和下盖板2由激光焊接封装形成均热板。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

1)本实用新型专门针对0.1-0.4mm超薄VC和热管，众所周知，当均热板和热管厚度降低到0.4mm以下时，其毛细性能将显著下降、水阻和气阻显著提高，传热效率迅速下降。本实用新型同时对上盖板和下盖板的蒸发段、绝热段和冷凝段均进行分区结构与功能优化，即下盖板的第二蒸发段区域利用超亲水表面的高温气泡成核蒸发散热机制，显著提升蒸发能力。研究表明，在超过100度高温蒸发时，超亲水表面会不断生成大量的气泡而快速脱离表面，提升热量的散发，而其他表面则会形成水膜覆盖高温表面，阻碍热流的散发。在相同的温度下，超亲水表面的散热热流通量比疏水表面或超疏水表面提高几十倍。下盖板的超亲水结构同时形成强大的吸液能力，使得微纳米结构的吸液芯的吸液能力达到最优化。上盖板的第一蒸发段区域采用超亲水腔形微纳米结构，能使蒸发产生的蒸汽的汽阻大幅下降，将蒸汽快速导出。下盖板的第二绝热段区域采用超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳结构，是一种楔形微纳米通道结构，由于楔形两端的直径差，会形成表面张力和拉普拉斯压力差，自动将水从直径较大的部分驱动到直径较小的部分，在超亲水强大的毛细力的基础上叠加驱动力，能大大提升液体从冷凝段到蒸发段的传输能力和效率；上盖板的第一绝热段区域采用超亲水等宽沟槽微纳米结构，进一步提升了气泡成核散热能力，同时减少蒸汽阻力，提高蒸汽输运效率。上盖板的第一冷凝段区域表面采用超疏水锥形微纳米结构，利用超疏水表面的滴状冷凝散热机制显著提升冷凝效率，研究表明，超疏水表面在冷凝时，水滴将成滴状，同时会出现跳滴现象，水滴会快速脱离表面，而常规表面会出现水膜，阻碍冷凝进行，超疏水表面的冷凝效率比通常比正常金属的膜状冷凝效率提升10倍以上。下盖板的第二冷凝段区域表面的超亲水锥形微纳米结构，会优化冷凝水收集和输出功能，减少水阻。由于上述上盖板和下盖板的分区结构与功能优化效果，特别是各段表面的微纳米结构，使得蒸发段、绝热段和冷凝段的功能都达到最优状态，充分挖掘均热板的散热能力，即使均热板厚度降低到0.1-0.4mm的极限厚度，仍能保持良好的散热能力，甚至超过厚度较大的常规均热板的性能。

2)本实用新型超薄VC的上盖板和下盖板由激光焊接封装而成，激光焊接焊接质量良好，焊缝成形良好、光洁整齐、无漏焊、无缺陷；激光焊接速度快，相比较现在通用的高温钎焊工艺，焊接效率大幅度提高；激光焊接工艺过程简单，对前道工序和后道工序要求低，没有钎焊的700-800度高温加热要求，可以大大简化均热板的制造流程、降低制造成本、提高制造效率，提升焊接质量稳定性；激光焊接克服了高温加热对吸液芯毛细结构和性能的影响，可实现稳定可靠的均热板；激光焊接不增加钎焊钎料厚度，均热板厚度完全由上盖板和下盖板的厚度决定，能使均热板厚度降到最低。因此，激光焊接相比于传统的高温钎焊具有明显的技术进步。

以上所述，仅是本实用新型较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，包括上盖板(1)和下盖板(2)，其特征在于，所述上盖板(1)与所述下盖板(2)由激光焊接连接；

所述上盖板(1)包括第一蒸发段(11)、第一绝热段(12)和第一冷凝段(13)；所述第一蒸发段(11)的区域表面设置为超亲水腔形微纳米结构；所述第一绝热段(12)区域表面设置为超亲水等宽沟槽微纳米结构；所述第一冷凝段(13)区域表面设置为超疏水锥形微纳米结构；

所述下盖板(2)包括第二蒸发段(21)、第二绝热段(22)和第二冷凝段(23)；所述第二蒸发段(21)的区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构；所述第二绝热段(22)区域表面设置为超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构；所述第二冷凝段(23)区域表面设置为超亲水锥形微纳米结构。

2.根据权利要求1所述的一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，其特征在于，所述超薄VC的厚度为0.1mm-0.4mm，且所述下盖板(2)的厚度为所述超薄VC厚度的50％-80％。

3.根据权利要求1所述的一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，其特征在于，所述超亲水锥形微纳米结构为正方周期分布微米锥列阵，其表面设有高表面能涂层；所述超疏水锥形微纳米结构为正方周期分布微米锥列阵，其表面设有低表面能涂层；且每个所述微米锥间距为10-100μm，直径为1-80μm，斜度为10°-35°。

4.根据权利要求1所述的一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，其特征在于，所述超亲水腔形微纳米结构为长方形空腔，其表面设有高表面能涂层，所述长方形空腔中间布置一定数量的支撑柱。

5.根据权利要求1所述的一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，其特征在于，所述超亲水仿仙人掌楔形沟槽微纳米结构为沿所述下盖板(2)长度方向平行分布的楔形沟槽列阵，其表面设有高表面能涂层；所述楔形沟槽角度为5°-35°，其横截面呈月牙形；所述楔形沟槽短边位于蒸发段，长边位于冷凝段，所述楔形沟槽的宽度为30-100nm。

6.根据权利要求1所述的一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，其特征在于，所述超亲水等宽沟槽微纳米结构为沿所述上盖板(1)长度方向平行分布的长方形沟槽列阵，其表面设有高表面能涂层；所述长方形沟槽的横截面呈月牙形，其宽度为50-100nm。

7.根据权利要求3所述的一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，其特征在于，所述微米锥列阵中的每一微米锥的高度、长方形腔的深度、楔形和等宽沟槽的深度均为所在板厚的10％-70％，所述微米锥表面、长方形空腔内表面、楔形和等宽沟槽内表面均分布有纳米波纹或颗粒，所述纳米波纹或颗粒的尺寸为100-900nm。

8.根据权利要求3中所述的一种分区结构功能优化的0.1-0.4mm超薄VC，其特征在于，所述高表面能涂层为SiO2或TiO2氧化物涂层；所述低表面能涂层为氟化涂层。

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