一種真空腔均熱板的製作方法

2024-02-22 11:32:15

一種真空腔均熱板的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種真空腔均熱板，包括底板和蓋板，底板和蓋板密封連接形成一個中空的密閉腔室；底板具有超疏水表面，用作真空腔均熱板的冷凝區；蓋板具有超親水表面，用作真空腔均熱板的蒸發區；密閉腔體內壓埋泡沫銅，泡沫銅一端與蓋板連接，泡沫銅的另一端與底板連接，用於促進工質從冷凝區回到蒸發區。本發明強化真空腔均熱板的蒸發區和冷凝區的換熱性能，利於工質在蒸發區和冷凝區的循環流動，提高了真空腔均熱板的換熱能力，增大了真空腔均熱板的換熱極限。
【專利說明】一種真空腔均熱板
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微電子器件散熱技術，尤其涉及一種真空腔均熱板。
【背景技術】
[0002]隨著現代科學技術如IT、通訊、LED和太陽能等領域的日新月異的高速進步，電子設備朝向多功能、高速率、小尺寸的方向發展，其中所使用的電子器件的單位發熱量迅速增大。在電子設備的實際運行過程中，隨著溫度的增加，電子元器件的失效率呈指數增長。當超出元件的工作溫度範圍時，其性能將顯著下降，不能穩定工作，嚴重影響系統運行的可靠性。研究表明:單個半導體元件溫升10°c，系統的可靠性降低50%。電子技術的發展需要良好的散熱手段來保證，其中電子元件對溫度的均勻性也提出了更高的要求。
[0003]現有技術中，主流散熱方式主要是風扇、鰭片、熱管及其結合，諸如鋁擠型散熱片、鋁衝壓散熱片、鋁或銅切削散熱片及銅鋁與熱管嵌合散熱片等。最典型的散熱器與散熱裝置是一種擁有風扇的鰭片式熱管散熱器，通過散熱器與發熱源接觸達到散熱的目的。
[0004]為了使電子元件能夠穩定可靠工作，一般採用加大散熱器的換熱面積，增大空氣流速或降低散熱裝置的進口空氣溫度等方法。但這些方法會增大整個系統的重量、增加噪聲、加大系統的複雜程度，提高成本。採用底部嵌有良好熱傳導性的真空腔均熱板(簡稱均熱板，Vapor Chamber)可以為克服以上問題提供更多、更好的思路。
[0005]真空腔均熱板通常安裝於發熱電子元件和散熱器之間，利用均熱板內工質的相變，實現熱量的快速傳遞。並且均熱板能夠使電子元件的熱量在傳遞到散熱器之前先均勻分布，充分發揮散熱器的性能，提高電子元件的穩定性和可靠性。均熱板的在運行過程中，要保證蒸發區和冷凝區工質的循環流動。蒸發區連接發熱元器件，液態工質在蒸發區吸熱，發生相變，蒸汽到達冷凝區放熱，冷凝變成液態，冷凝液在毛細芯的毛細力作用下，回到蒸發區，如此循環工作。然而，現有的真空腔均熱板，基本上都採用單元工質，如水、乙醇或丙酮等，工質的回流僅依靠吸液芯的作用，工質循環流動方式比較單一，換熱的毛細極限和沸騰極限範圍比較小。
[0006]因此，本領域的技術人員致力於開發一種新型的真空腔均熱板，促進工質的循環流動，提高均熱板的換熱能力，增大均熱板的換熱極限。

【發明內容】

[0007]有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種真空腔均熱板，強化真空腔均熱板的蒸發區和冷凝區的換熱性能，利於工質在蒸發區和冷凝區的循環流動，提高均熱板的換熱能力，增大均熱板的換熱極限。
[0008]為實現上述目的，本發明提供了一種真空腔均熱板，包括底板和蓋板，所述底板和蓋板密封連接形成一個中空的密閉腔室；所述底板具有超疏水表面，用作所述真空腔均熱板的冷凝區；所述蓋板具有超親水表面，用作所述真空腔均熱板的蒸發區；所述密閉腔體內壓埋有發泡體，所述發泡體一端與蓋板連接，所述發泡體的另一端與底板連接，用於促進工質從冷凝區回到蒸發區。
[0009]進一步地，所述發泡體為泡沫銅，所述泡沫銅的孔隙率為85%?95%。
[0010]其中，泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型多功能材料。
[0011]進一步地，所述底板的內表面具有納米結構，所述蓋板的內表面具有微米結構。
[0012]其中，所述內表面是指:底板或蓋板面向密閉腔室的表面。
[0013]進一步地，所述底板的主體為金屬材料銅塊體，所述銅塊體的表面經過氧化處理具有一層納米花簇狀的CuO膜，所述CuO膜經過十三氟辛基三乙氧基矽烷(C8F13H4Si (OCH2CH3)3)溶液進行表面氟化處理。
[0014]其中，十三氟辛基三乙氧基矽烷溶液為十三氟辛基三乙氧基矽烷、水和乙醇(或甲醇)的混合溶液。
[0015]進一步地，所述蓋板的主體為銅板，所述蓋板的內表面具有多孔介質微結構。所述多孔介質微結構為所述銅板上燒結成均勻分布的銅粉形成的多孔介質，所述銅粉的平均粒徑為50 μ m左右。
[0016]進一步地，所述真空腔均熱板的總厚度為3?5mm，所述密閉腔室的高度為I?3mm ο
[0017]進一步地，所述工質為自潤溼流體。
[0018]進一步地，所述自潤溼流體包括二元流體和三元流體，所述二元流體為水和丁醇的混合液，所述水和丁醇的質量比為95%:5% ;所述三元流體為水、乙二醇和辛醇的混合液，所述水和乙二醇的體積比為1:1，所述辛醇為水和乙二醇的總質量的0.1%。
[0019]進一步地，真空腔均熱板內的自潤溼流體的充液率為30%?50%。
[0020]在本發明的較佳實施方式中，提供了一種真空腔均熱板，包括底板和蓋板，底板和蓋板通過兩側的焊接密封連接形成一個中空的密閉腔室；底板具有超疏水表面，用作真空腔均熱板的冷凝區；蓋板具有超親水表面，用作真空腔均熱板的蒸發區；密閉腔體內壓埋有泡沫銅，泡沫銅一端與蓋板連接，泡沫銅的另一端與底板連接，用於促進密閉腔體內的工質從冷凝區回到蒸發區。
[0021]其中，底板的內表面加工為超疏水的納米結構，冷凝液滴在合併的過程中，釋放表面能，冷凝液滴彈跳，直接回到蒸發區，強化滴狀冷凝換熱。蓋板的內表面加工為超親水的微米結構，有效吸收從冷凝區的回彈的液態工質，以及強化蒸發或者沸騰換熱。
[0022]另外，密閉腔體內的工質為自潤溼流體，如水和丁醇的混合液形成的二元流體，或水、乙二醇和辛醇的混合液形成的三元流體等。利用自潤溼流體特有的表面張力與溫度的關係，增加工質的循環流動速率，進一步促進工質從冷凝區到蒸發區的回流。
[0023]由此可見，本發明採用自潤溼流體表面張力隨溫度的變化特性，增加工質的循環流動速率，並且利用超疏水表面冷凝液滴的合併過程中的彈跳機制，液滴直接回到蒸發區，多方面促進了工質的循環流動。並且，蓋板和底板特有的微/納結構分別強化冷蒸發區和冷凝區的相變換熱性能。利用以上多方面機制，提高了真空腔均熱板的換熱功能，增大了真空腔均熱板的換熱極限，具有很大的應用價值。
[0024]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的一個較佳實施例的真空腔均熱板的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1所示,在本實施例中，一種真空腔均熱板,包括底板I和蓋板2，底板I和蓋板2的兩側焊接密封連接形成一個中空的密閉腔室3。密閉腔室3內填充有一定的流體工質，充液率為30%?50%。底板I具有超疏水表面，用作真空腔均熱板的冷凝區。蓋板2具有超親水表面，用作真空腔均熱板的蒸發區。密閉腔體3內壓埋有泡沫銅4，孔隙率為85%?95%，泡沫銅4 一端與蓋板2連接，泡沫銅4的另一端與底板I連接。泡沫銅4和蓋板I上的多孔介質5微結構作為吸液芯，用於促進工質從冷凝區回到蒸發區。
[0027]底板I的內表面具有納米結構。底板的主體為金屬材料塊體，表面被氧化了一層納米花簇狀的CuO膜，並用十三氟辛基三乙氧基矽烷溶液表面氟化處理，降低表面能，形成超疏水表面(接觸角為160° )。
[0028]本實施例的底板I用作真空腔均熱板的冷凝區，採用納米結構的超疏水內表面強化珠狀凝結，利用超疏水表面液滴在合併過程中，釋放表面能，液滴產生彈跳行為，使液滴直接彈回蒸發區，強化滴狀冷凝換熱。此外，底板I的超疏水內表面使得液滴的接觸角遲滯很小，自身移動性非常好，在吸液芯的作用下，液滴很容易回到蒸發區。
[0029]蓋板2的內表面具有超親水的多孔介質5微米結構。蓋板2的主體為具有高導熱性的銅板，蓋板2的內表面為銅板上燒結均勻分布的銅粉形成的多孔介質5微米結構。具體為:在銅板上均勻塗覆一層銅粉，將銅板和銅粉放入燒結爐中，850°C燒結一小時，然後關掉燒結爐，銅板在爐內慢慢冷卻之後，銅粉在銅板表面上形成一層多孔介質5。
[0030]本實施例的蓋板通過上述處理，在具有高導熱性的銅板的內表面形成多孔介質5微結構，這種微結構對液體有很大的毛細作用力，形成超親水表面。蓋板的超親水表面能有效吸收泡沫銅內的或從冷凝區回彈的液態工質，並且超親水表面能夠強化蒸發或者沸騰換熱。
[0031]其中，上述底板I或蓋板2的內表面是分別是指:底板I或蓋板2面向真空腔均熱板的密閉腔室3的表面。
[0032]對於本實施例的真空腔均熱板的總厚度為3?5mm，密閉腔室3的高度為I?3mm。
[0033]本實施例的工質為自潤溼流體，包括二元流體和三元流體，二元流體為水和丁醇的混合液，水和丁醇的質量比為95%:5% ;三元流體為水、乙二醇和辛醇的混合液，水和乙二醇的體積比為1:1，辛醇為水和乙二醇的總質量的0.1%。
[0034]在傳統的用於均熱板的工質中，工質一般為單元工質，如水、乙醇或丙酮等，表面張力隨著溫度的升高而減小，工質的回流僅依靠吸液芯的作用，工質循環流動方式比較單一，換熱的毛細極限和沸騰極限範圍比較小。而自潤溼工質在低溫區，其表面張力隨溫度的升高而減少；在一定的溫度後，其表面張力會隨著溫度的升高而增大。因而，當採用自潤溼流體作為本實施例的真空腔均熱板的工質時，將產生從溫度較低的冷凝區到溫度較高的蒸發區的Marangoni熱對流,在Marangoni效應的作用下,工質將自發的從低溫的冷凝區流向溫度較高的蒸發區，增加工質的循環流動速率，從而促進工質從冷凝區到蒸發區的回流。[0035]進一步，蓋板2與熱源6連接，吸收熱源的發熱量。圖中，真空腔均熱板外部的箭頭方向代表熱量的傳遞方向。熱源6可以是電腦中央處理器CPU、硬碟、圖形視屏陣列或者LED等。底板I的外表面可以安裝一個翅片式散熱器，該散熱器的結構及形狀視具體情況而定，再次不作限定。
[0036]在本實施例中，自潤溼流體作為工質，吸附在具有超親水性能的蓋板的內表面。當工質吸收熱源的發熱量，迅速發生相變，如圖1所示，真空腔均熱板內部的箭頭方向代表工質的運動方向。工質由液體變為蒸汽，蒸汽在底板冷凝，形成冷凝液滴。液滴在具有超疏水內表面的底板I上有兩種動態行為:第一種，相鄰的液滴直接合併，在合併過程中，液滴的表面能釋放，液滴發生彈跳，直接回到蒸發區。第二種，當液滴相聚較遠時，由於超疏水表面液滴的接觸角遲滯非常小，非常易於液滴的移動，移動液滴遇到周圍液滴，與周圍液滴合併，進而發生液滴的表面能釋放，液滴發生彈跳，直接回到蒸發區的現象。
[0037]另外，當採用自潤溼流體作為工質時，由於自潤溼流體的特殊性能，將產生從溫度較低的冷凝區到溫度較高的蒸發區的Marangoni熱對流,在Marangoni效應的作用下,工質將自發的從低溫的冷凝區流向溫度較高的蒸發區，從而促進工質的回流。
[0038]此外，真空腔均熱板內壓埋有的泡沫銅4，孔隙率為85%?95%，連通底板I和蓋板2，和蓋板2的多孔介質5共同作為吸液芯，促使靠近泡沫銅4區域的工質通過泡沫銅4從底板I輸送至蓋板2，進一步促進工質的縱向流動循環。
[0039]由此，本實施例利用上述三種機制，促進工質的循環流動，並且分別通過設置蓋板
2(蒸發區)的超親水性結構和底板I (冷凝區)的超疏水性結構，強化蒸發區和冷凝區的相變換熱，從而提高了真空腔均熱板換熱能力，增大了真空腔均熱板的換熱極限。
[0040]本實施例中，真空腔均熱板的密閉腔體為低真空環境，該環境可通過設置通道與密閉腔體3相連接，外界真空泵與密閉腔體3連接，將密閉腔體3抽氣至低真空狀態，即可實現。另外，本實施例的真空腔均熱板的密閉腔體3還可以設置另一個通道，用於向密閉腔體3內填充工質。當然，可被本領域技術人員理解的是，實現密閉腔體3的真空狀態和工質的填充的途徑有多種，在此不作限定。
[0041]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種真空腔均熱板，包括底板和蓋板，所述底板和所述蓋板密封連接形成一個中空的密閉腔室；所述底板具有超疏水表面，用作所述真空腔均熱板的冷凝區；所述蓋板具有超親水表面，用作所述真空腔均熱板的蒸發區；所述密閉腔體內壓埋有發泡體，所述發泡體一端與所述蓋板連接，所述發泡體的另一端與所述底板連接，用於促進工質從所述冷凝區回到所述蒸發區。
2.如權利要求1所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述發泡體為泡沫銅，所述泡沫銅的孔隙率為85%?95%。
3.如權利要求1所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述底板的內表面具有納米結構，所述蓋板的內表面具有微結構。
4.如權利要求1所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述底板的主體為銅塊體，所述銅塊體的表面經過氧化處理具有一層CuO膜，所述CuO膜經過十三氟辛基三乙氧基矽烷溶液進行表面氟化處理。
5.如權利要求1所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述蓋板的主體為銅板，所述蓋板的內表面具有多孔介質微結構。
6.如權利要求5所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述多孔介質微結構為所述銅板上燒結均勻分布的銅粉形成的多孔介質，所述銅粉的平均粒徑為50 μ m。
7.如權利要求1所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述真空腔均熱板的總厚度為3?5mm,所述密閉腔室的高度為I?3mm。
8.如權利要求1所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述工質為自潤溼流體。
9.如權利要求8所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述自潤溼流體包括二元流體和三元流體，所述二元流體為水和丁醇的混合液，所述水和丁醇的質量比為95%:5% ;所述三元流體為水、乙二醇和辛醇的混合液，所述水和乙二醇的體積比為1:1，所述辛醇為水和乙二醇的總質量的0.1%。
10.如權利要求8或9所述的真空腔均熱板，其特徵在於，所述真空腔均熱板內的所述工質的充液率為30%?50%。
【文檔編號】H05K7/20GK103687455SQ201310751930
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】全曉軍, 劉修良, 鄭平 申請人:上海交通大學