CN216898499U - 一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯，涉及热管技术领域。包括多级微纳沟槽吸液芯和均热板下盖板，多级微纳沟槽吸液芯蚀刻在均热板下盖板上，多级微纳沟槽吸液芯包括微米一级沟槽和纳米二级沟槽，纳米二级沟槽平行分布于微米一级沟槽的顶部和底部。本实用新型结构简单，制造成本低，能够保证均热板足够的吸液能力和整体均温传热。

Description

一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯

技术领域

本实用新型涉及热管技术领域，具体为一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯。

背景技术

随着电子信息产业的飞速发展，各种电子设备，尤其是消费电子设备不断朝着高性能、集成化与超薄化的方向发展。特别是随着5G的大规模商业应用，电子设备的封装密度与热流密度不断增加。电子设备不断增加的热流密度与不断减小的封装体积对其热管理技术提出了越来越高的要求。因此，发展针对高热流密度的散热方案已经成为制约当前电子设备进一步发展的关键难点之一。

均热板(vapor chamber)和热管(heat pipe)(为叙述方便，下文仅述为均热板，但均包含热管，本实用新型所述均热板也均包含热管)是一种无需外部动力的高效两相散热工具，因其优异的导热性能和良好的稳定可靠性广泛应用于航天和电子领域中。随着电子设备不断向着薄型化方向发展，要求均热板的厚度也在不断减小。特别是随着均热板在智能手机等领域的大规模应用，其厚度已经下探到0.4mm以下，对其超薄厚度下的导热性能提出了更高要求。

均热板一般由腔体、吸液芯和工作介质组成，内部结构精细多变，相变传热机理十分复杂。研究表明，均热板的传热能力极限与其尺寸、形状、工质、吸液芯结构等密切相关，主要存在沸腾极限、毛细极限、粘性极限、声速极限、携带极限等，设计时需要综合考虑多方面难题。随着均热板厚度降低，由厚度薄型化引起的蒸气和液体高速流动变化，是其导热性能降低的主要原因。因此，通过内部吸液芯毛细结构的优化和设计，可以减小厚度对均热板传热性能的影响以适应超薄化要求。

目前，为在保证均热板均温传热性能前提下进一步减小均热板厚度，内部吸液芯毛细结构的优化与设计是一个非常重要的方面。针对均热板内部吸液芯毛细结构的优化，主要有两个发展方向：一是对传统的吸液芯结构进行薄型化设计。如采用半径不等的铜粉进行混合烧结，可以在保证毛细性能的情况下进一步减小厚度；采用多层铜网或者铜纤维烧结能够满足减小吸液芯厚度。然而这类方法难以在保证吸液芯毛细性能的情况下进一步减薄，同时提高了超薄均热板制造工艺的复杂性。第二类方法是采用蚀刻方法制备吸液芯，这也是目前的主流发展方向。采用诸如电火花加工、反应离子刻蚀、电解加工、化学氧化等方法直接在均热板下盖板上制备毛细结构，能够进一步减小均热板厚度。然而上述方法工艺复杂，成本高昂，生产难度较高，同时可能对环境产生一定危害。

对广泛应用于电子设备的超薄吸液芯而言，其传热极限主要受到毛细极限制约。上述各种方法制备的均热板吸液芯，难以在保证高毛细性能的情况下进一步减小厚度，同时也受到制备工艺和成本的限制。

因此，如何制备一种高毛细性能的超薄均热板吸液芯成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯，以此解决超薄均热板高毛细性能和高回流渗透率超薄吸液芯的低成本制备问题。

为达上述目的，本实用新型提供一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯，包括多级微纳沟槽吸液芯和均热板下盖板，所述多级微纳沟槽吸液芯蚀刻在均热板下盖板上，所述多级微纳沟槽吸液芯包括微米一级沟槽和纳米二级沟槽，所述纳米二级沟槽平行分布于所述微米一级沟槽的顶部和底部。

进一步的，所述微米一级沟槽和纳米二级沟槽均成周期分布。

进一步的，所述均热板下盖板长度为L，宽度为D，高度为H；周期分布的所述微米一级沟槽直接蚀刻制备于均热板下盖板上，连接多级微纳沟槽吸液芯的蒸发端与冷凝端，所述微米一级沟槽的周期为1/400D～1/100D，深度为2/10H～8/10H，宽深比为1:1～1:3。

进一步的，所述周期分布于微米一级沟槽顶部和底部的平行纳米二级沟槽宽度为1μm～10μm，深度为100nm～1000nm。

进一步的，采用脉冲激光制备微米一级沟槽，采用脉冲激光多光束干涉制备纳米二级沟槽。

进一步的，所述的脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光，所述脉冲激光使用的波长光为红外光、绿光或紫外光。

进一步的，所述均热板下盖板的材质为紫铜、铜合金、铝、铝合金和不锈钢中的一种或多种。

本实用新型的有益技术效果为：

(1)本实用新型重点针对厚度在0.2mm～0.4mm的超薄均热板，已有研究表明，均热板吸液芯和蒸汽腔厚度降低至0.3mm以下时会显著增大内部蒸气和液体流动阻力，导致均温传热性能显著降低。通过内部毛细结构的优化设计，可以在保证毛细性能前提下减少吸液芯厚度以适应超薄化需求。本实用新型制备的超亲水多级微纳沟槽吸液芯，纳米二级沟槽在增大毛细力的同时，能够更快吸液，将微米一级沟槽内部液态工质流动时的固-液阻力转化为液-液阻力，减小液态工质在沟槽内部的流动阻力，提高其回流渗透效率。多级微纳沟槽设计相比简单的一级沟槽，能够进一步提高吸液芯的毛细性能，从而可以进一步降低吸液芯厚度，改善超薄均热板整体均温传热性能受厚度制约的情况；

(2)无论是周期分布的微米一级沟槽还是纳米二级沟槽，表面均密集分布有激光烧蚀诱导产生的微纳复合结构，一起构成了优异的超亲水特性。多级微纳复合结构和优异的超亲水特性不但能够有效增强吸液芯的吸液能力，其增大了蒸发端的气-液接触面积，能够提供更多的形核位点，促进气泡快速脱离表面，极大提升散热热流通量；在冷凝端能够吸引更多的冷凝工质进入沟槽回流，促进液态工质的有效吸收与循环；

(3)直接制备在均热板下盖板上的周期分布的微米一级沟槽和纳米二级沟槽结构能够对液体通道和蒸气通道自然形成强有力的支撑，简化均热板内部设计，避免均热板腔体在真空下发生坍缩现象影响内部体积和结构，保证足够的气体流动体积和较小的气体流动压降；

(4)周期分布的微米一级沟槽和纳米二级沟槽结构直接制备在均热板下盖板上，可以减少壁面与吸液芯之间的热阻，同时能够直接接触均热板上盖板，有助于减少均热板整体厚度，同时能够提供较大的毛细力，改善超薄均热板整体均温传热性能受厚度制约的情况；

(5)使用高功率脉冲激光制备各级微纳沟槽结构，能够制备出相对传统技术更精细、更细小密集的沟槽，同时利用激光对材料的烧蚀诱导机制在沟槽表面形成纳米结构，实现超亲水微纳复合结构的高效制备。更一般地，可以通过调节激光平均功率、扫描速度、扫描路径、重复频率等工艺参数，实现针对不同工况、不同尺度(多级沟槽结构的周期、深度和宽度等)超亲水多级微纳沟槽吸液芯的大面积制备；

(6)高功率脉冲激光制备的多级微纳沟槽更坚固，不易破裂，结合不同使用工况，可以将制备得到的超亲水多级微纳沟槽吸液芯弯折成不同角度。同时由于超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯的高毛细性能，其在不同弯折角度和重力倾角下均能保证足够的吸液能力，保证均热板整体均温传热性能。

附图说明

图1为本实用新型俯视图。

图2为本实用新型侧视图。

图3为本实用新型局部放大示意图。

图4为一级沟槽与多级微纳沟槽的毛细性能对比图。

图5为本实用新型针对不同散热器件和工况设置示意图。

其中，1.均热板下盖板；2.多级微纳沟槽吸液芯；3.微米一级沟槽；4.纳米二级沟槽。

具体实施方式

为达成上述目的及功效，本实用新型所采用的技术手段及构造，结合附图就本实用新型较佳实施例详加说明其特征与功能。

实施例1

本实用新型提供了一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯，包括多级微纳沟槽吸液芯2和均热板下盖板1，多级微纳沟槽吸液芯2蚀刻在均热板下盖板1上，均热板下盖板1的材质为紫铜、铜合金、铝、铝合金和不锈钢中的一种或多种，多级微纳沟槽吸液芯2包括微米一级沟槽3和纳米二级沟槽4，纳米二级沟槽4平行分布于微米一级沟槽3的顶部和底部，微米一级沟槽3和纳米二级沟槽4均成周期分布，均热板下盖板1长度为L，宽度为D，高度为H；微米一级沟槽3直接蚀刻制备于均热板下盖板1上，连接多级微纳沟槽吸液芯的蒸发端与冷凝端，微米一级沟槽3的周期为1/400D～1/100D，深度为2/10H～8/10H，宽深比为1:1～1:3，周期分布于微米一级沟槽3顶部和底部的平行纳米二级沟槽4宽度为1μm～10μm，深度为100nm～1000nm。

特别地，周期分布的微米一级沟槽3和纳米二级沟槽4均由脉冲激光制备而成，其中纳米二级沟槽4由脉冲激光多光束干涉制备而成，脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光，脉冲激光使用的波长光为红外光、绿光或紫外光。

实施例2

本实施例提供了一种超亲水多级微纳沟槽超薄铝合金吸液芯的制备方法。

参阅图1，将铝合金板材经过切割、清洗、抛光等前期预处理后，得到长度L为90mm，宽度D为20mm，厚度H为0.3mm的均热板下盖板1。

使用高功率脉冲激光将多级微纳沟槽吸液芯2直接雕刻在预处理后的铝合金均热板下盖板1上，激光雕刻采用二次雕刻。所用第一次雕刻激光为近红外皮秒激光，焦斑直径大小10μm～300μm，脉宽1ps～1000ps，频率10KHz～1000KHz，扫描周期60μm～200μm，扫描速度10mm/s～10000mm/s，扫描重复次数5～20次。针对不同需求，优化使用上述工艺参数，配合利用激光振镜和三维加工平台，在铝合金均热板下盖板1上雕刻出贯通蒸发端和冷凝端的周期分布微米一级沟槽3结构。同时沟槽表面布满激光烧蚀形成的亚微米级结构，增大了沟槽表面粗糙度，增强沟槽表面的超亲水性。

参阅图2，基于上述工艺，使用皮秒激光制备得到贯通铝合金均热板下盖板蒸发端和冷凝端的，深度为60μm～140μm，宽度为30μm～50μm，长度为86μm，周期为60μm～200μm的微米一级沟槽结构3。

参阅图2和图3，第二次激光雕刻使用飞秒激光，通过多光束干涉在所述贯通铝合金均热板下盖板1蒸发端和冷凝端周期分布的微米一级沟槽3结构顶部和底部制备纳米二级沟槽结构4。所用第二次雕刻激光为紫外飞秒激光，焦斑直径大小1μm～200μm，脉宽10fs～1000fs，频率10KHz～10000KHz，扫描周期10μm～100μm，扫描速度10mm/s～10000mm/s，扫描重复次数1～10次。针对不同需求，优化使用上述工艺参数，配合利用多光束干涉部件和三维加工平台，使激光焦斑内发生飞秒激光的干涉现象，在周期分布的微米一级沟槽3结构顶部和底部雕刻出更加精细、更加密集的周期性分布纳米二级沟槽结构4，其宽度为2μm～8μm，深度为100nm～1000nm，周期为5μm～15μm。通过控制多光束干涉部件和三维加工平台，使得产生的周期分布的纳米二级沟槽结构平行分布于所述微米一级沟槽结构顶部和底部，贯通铝合金均热板下盖板蒸发端和冷凝端。

将两次激光雕刻完成的多级微纳沟槽超薄铝合金均热板下盖板经过超声清洗、吹干、真空封装后，即得到所述超亲水多级微纳沟槽超薄铝合金吸液芯。

上述超亲水多级微纳沟槽超薄铝合金吸液芯的有益效果为：在铝合金均热板下盖板1上直接使用皮秒激光一次雕刻出周期分布的微米一级沟槽3，作为液体回流的主通道，能够提供强大的毛细力与渗透率。同时，在微米一级沟槽3的顶部和底部使用飞秒激光多光束干涉雕刻出更加精细的、周期分布的平行纳米二级沟槽4。纳米二级沟槽4不但能够进一步增强吸液芯的毛细力，同时由于其能够更快吸液，将回流工质充满纳米二级沟槽4后，使微米一级沟槽3内部液态工质流动时的固-液阻力转化为液-液阻力，减小液态工质在沟槽内部的流动阻力，提高其回流渗透速率。相对简单的一级沟槽，多级微纳沟槽进一步增强了吸液芯的毛细性能，参阅图4。同时，激光烧蚀产生的亚微米粗糙结构密布在多级沟槽结构表面，进一步增大吸液芯的表面粗糙度，形成超亲水表面，增强吸液芯的毛细性能和蒸发性能。因此，制备得到的超亲水多级微纳沟槽超薄铝合金吸液芯在0.3mm厚度下具有强大的毛细力与渗透率，其渗透率与有效半径的比值K/Reff值能够大于1.3μm，可以有效改善均热板整体均温传热性能受厚度制约的情况。

参阅图5，由于铝合金优异的变形性能，可以将制备得到的多级微纳沟槽吸液芯弯折成不同角度(弯折角可为135°，90°)以适应不同散热器件和工况要求。由于超亲水多级微纳沟槽超薄铝合金吸液芯的高毛细性能，其在不同弯折角度和重力倾角下均能保证足够的吸液能力，保证均热板整体均温传热性能。

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 (1)

1.一种超亲水多级微纳沟槽超薄吸液芯，其特征在于，包括多级微纳沟槽吸液芯和均热板下盖板，所述多级微纳沟槽吸液芯蚀刻在均热板下盖板上，所述多级微纳沟槽吸液芯包括微米一级沟槽和纳米二级沟槽，所述纳米二级沟槽平行分布于所述微米一级沟槽的顶部和底部；

所述微米一级沟槽和纳米二级沟槽均成周期分布；

采用铝合金制作均热板下盖板，所述均热板下盖板长度为L，宽度为D，高度为H；周期分布的所述微米一级沟槽直接蚀刻制备于均热板下盖板上，连接多级微纳沟槽吸液芯的蒸发端与冷凝端，所述微米一级沟槽的周期为1/400D～1/100D，深度为2/10H～8/10H，宽深比为1:1～1:3；

所述周期分布于微米一级沟槽顶部和底部的平行纳米二级沟槽宽度为1μm～10μm，深度为100nm～1000nm；

采用脉冲激光制备微米一级沟槽，采用脉冲激光多光束干涉制备纳米二级沟槽；

所述的脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光，所述脉冲激光使用的波长光为红外光、绿光或紫外光。

Images