一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板及其制备方法和应用 (Self-sealing type super-gas-dredging immersion type phase-change liquid-cooling reinforced heat dissipation plate and preparation method and application thereof ) 是由 江雷 白春礼 田野 徐哲 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板,所述强化散热板表面包括第一区域和第二区域；第一区域内强化散热板表面分布有微米乳突阵列,第二区域内强化散热板表面分布有微米乳突阵列,且微米乳突阵列间隙内封装有液态金属；其中,强化散热板与发热器件的接触区域包括第二区域。该强化散热板的第一区域包括大面积超疏气强化沸腾结构,能显著促进液-气相变,提升液冷散热性能；第二区域具有空隙自填充型密接功能,能够大幅减少与发热器件的接触热阻,提高界面导热效率。同时,该强化散热板成本低廉、装卸便捷、性能稳定、制备工艺简单,在数据中心服务器、航天热控装备、先进动力电池等领域的具有良好的应用前景。(The invention discloses a self-sealing type super-gas-dredging immersion type phase-change liquid cooling reinforced cooling plate, wherein the surface of the reinforced cooling plate comprises a first area and a second area; the surface of the enhanced radiating plate in the first area is distributed with a micrometer mastoid array, the surface of the enhanced radiating plate in the second area is distributed with a micrometer mastoid array, and liquid metal is sealed in gaps of the micrometer mastoid array; the contact area of the reinforced heat dissipation plate and the heating device comprises a second area. The first area of the reinforced heat dissipation plate comprises a large-area super-gas-dredging reinforced boiling structure, so that liquid-gas phase change can be remarkably promoted, and the liquid cooling heat dissipation performance is improved; the second area has a gap self-filling type sealing function, so that the contact thermal resistance with a heating device can be greatly reduced, and the interface heat conduction efficiency is improved. Meanwhile, the reinforced heat dissipation plate is low in cost, convenient to assemble and disassemble, stable in performance and simple in preparation process, and has good application prospects in the fields of data center servers, aerospace thermal control equipment, advanced power batteries and the like.)
技术领域
本发明涉及散热设备技术领域。更具体地，涉及一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板。
背景技术
随着微电子产业的进步和发展，针对高发热密度器件的冷却散热需求逐年增加，浸没式相变液冷技术已开始替代依靠空气降温的传统风冷手段，有望成为未来数据中心服务器(申请公布号CN 104597994 A、CN 106774741 A)、航天热控装备(申请公布号CN110213934 A、CN 112013427 A)和先进动力电池(申请公布号CN 110729526 A、CN111883876 A)等领域的主要散热方式。
浸没式相变液冷是将固体发热器件(热源)完全浸没至液态冷媒介质(如水、氟化液等制冷剂)中，依靠冷媒介质蒸发或沸腾等液-气相变的潜热吸收以实现冷却降温的散热技术，单位体积传输热量(即散热效率)可比风冷提高3500倍。然而，要满足高发热密度(热流密度100W/cm2以上)器件的冷却散热需求(申请公布号CN 112188808 A、CN 111352489A)仍存在巨大挑战。
配置强化散热部件被证明能够进一步提高浸没式相变液冷能效，其中以板式部件(可通称“强化散热板”)最为常见。作为衔接发热器件和冷媒介质的纽带，强化散热板的底面通常与发热器件直接接触或形成包裹，其他部位则被冷媒介质完全浸没，通过引导热量传递和增加换热面积来强化相变液冷。根据上述原理，减少与发热器件的接触热阻和促进冷媒介质的液-气相变是强化散热板的主流设计方向。然而，目前已报道的强化散热部件至多涉及利用烧结铜颗粒表面来强化冷媒沸腾(申请公布号CN 107894823 A)，尚未关注发热器件的接触热阻问题，后者通常需要依靠额外增设的热界面材料(如导热硅脂、导热衬垫、导热胶、导热膏、相变材料、石墨片等)。然而，即使是目前最先进的液态金属热界面材料(申请公布号CN 106929733 A、CN 107052308 A、CN 110330943 A)，热导率也未能超过100W m- 1K-1，远低于固体金属材质(如铜热导率约400W m-1K-1)。此类外设热界面不仅增加成本，还带来装配难度和运维风险：一旦装配过程未能完全排除接触界面处空气(热导率仅约0.024Wm-1K-1)，则会大幅增加热阻，阻滞冷却散热；一旦热界面内复杂组分(不乏导电金属掺杂微粒)逐渐流失进入冷媒介质，则不仅破坏冷媒性质、降低液冷能效，还有造成电子器件短路甚至系统瘫痪的隐忧。此外，现有烧结铜颗粒(申请公布号CN 107894823 A)强化散热方案还存在工序繁、能耗高、实际加工面积受限且缺乏对结构和形貌的精密控制等弊端。
因此，需要提供一种大幅减少接触热阻，提高界面导热效率，又包含大面积超疏气强化沸腾结构的强化散热板。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板，该强化散热板的第一区域包括大面积超疏气强化沸腾结构，能显著促进液-气相变，提升液冷散热性能；第二区域具有空隙自填充型密接功能，能够大幅减少与发热器件的接触热阻，提高界面导热效率。
本发明的另一个目的在于提供一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板的制备方法。
本发明的又一个目的在于提供一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板的应用。
浸没式相变液冷是指将发热器件完全浸没于液态冷媒介质中，利用冷媒介质低沸点、高潜热特征，依靠其沸腾时液-气相变潜热吸收持续传热，达到冷却降温效果。
强化散热板是适用于浸没式相变液冷场景的板式散热部件，通常置于发热器件与冷媒介质之间，底部与发热器件直接接触或形成包裹，其他部位则被冷媒介质完全浸没，通过引导热量传递、增加换热面积以促进液-气相变的潜热吸收。
现有技术中高发热密度(热流密度100W/cm2以上)电子器件的浸没式相变液冷，使用的强化散热部件无法兼顾接触导热和相变传热。本发明针对此技术弊端，提供了一种同时具有自填充型高热导率密接区域和大面积超疏气强化沸腾结构的强化散热板，协同兼顾“减少接触热阻”和“促进液-气相变”，为浸没式相变液冷强化散热提出了崭新的优化解决方案。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板，所述强化散热板表面包括第一区域和第二区域；第一区域内强化散热板表面分布有微米乳突阵列，第二区域内强化散热板表面分布有微米乳突阵列，且微米乳突阵列间隙内封装有液态金属；其中，强化散热板与发热器件的接触区域包括第二区域。
本发明中强化散热板的表面包括第一区域和第二区域，其中，强化散热板与发热器件的接触区域包括第二区域。当强化散热板与发热器件紧密装配后，常温下呈固态的内封装液态金属受热熔化，快速均匀浸润并自动完全填充界面处空隙(排除空气)，减少接触热阻，提高导热效率，第二区域内液态金属固-液相变的均温速率大于1cm2/s，获得接近强化散热板主体材质(如铜，热导率约400W m-1K-1)的超高热导；分布于第一区域内的微米乳突阵列作为强化沸腾结构能够提供超大面积汽化成核位点，促进液-气相变，提升液冷性能。
优选地，所述微米乳突呈锥状或柱状；
优选地，所述微米乳突的高度为5μm～500μm，当量直径为10μm～1000μm，相邻微米乳突的间距为10μm～1000μm。
优选地，单个微米乳突的高度为10μm～400μm，当量直径为30μm～800μm，相邻微米乳突的间距为30μm～800μm。
更优选地，单个微米乳突的高度为30μm～300μm，当量直径为50μm～500μm，相邻微米乳突的间距为50μm～500μm。
进一步优选地，单个微米乳突的高度为50μm～200μm，当量直径为100μm～200μm，相邻微米乳突的间距为100μm～200μm。
本发明中微米乳突的高度决定了微米乳突阵列间隙中封装的液态金属的厚度，基于工艺技术，可以获得厚度在5μm～500μm的液态金属，这是传统热界面无法实现的超薄厚度，因此用料俭省，成本更低廉。
相邻微米乳突的间距为10μm～1000μm，本领域技术人员可以理解的是，该间距决定了微米乳突阵列中间隙的大小。
优选地，所述微米乳突表面具有纳米褶皱形貌；
具有纳米褶皱形貌的微米乳突的比表面积更大，汽化核心更多，气泡运动阻滞更小，强化沸腾的作用更强大，促进液-气相变，提升液冷性能。
优选地，所述纳米褶皱的厚度为5nm～500nm。例如，所述纳米褶皱的厚度包括但不限于10nm～400nm、30nm～300nm或10nm～200nm等。
优选地，所述微米乳突阵列的表面具有特殊浸润性，其中，第一区域微米乳突表面超疏气，对液下气泡黏附力小于20μN，以保障相变气泡快速脱离；第二区域微米乳突表面超亲液态金属，在空气或无氧环境中对液态金属微滴的静态接触角小于10°，使液态金属浸润微米乳突阵列表面后极易均匀铺展为薄层，以保障液态金属稳定封装。
优选地，所述第一区域和第二区域之间存在有隔离带。此隔离带可以防止第二区域内的液态金属沿间隙泄漏至第一区域。
优选地，所述第一区域和第二区域内分布的微米乳突阵列的尺寸不同。第一区域内微米乳突阵列的尺寸主要影响强化沸腾作用，第二区域内微米乳突阵列的尺寸则主要决定强化散热板与发热器件的接触热阻，在实际应用过程中，可以根据需求设置第一区域和第二区域内分布的微米乳突阵列的尺寸，两者可以是相同的，也可以是不同的。
优选地，所述第一区域内的微米乳突阵列可以具有不同的尺寸。一个可能的实施方式是，第一区域内不同部分的微米乳突阵列的尺寸不同，可以按照具体的需求来进行设计，本领域对于其具体形式不作限制。
优选地，所述强化散热板与发热器件的接触区域面积不小于第二区域面积，即强化散热板与发热器件的接触区域面积要大于或等于第二区域面积，液态金属必须全部位于接触区域内。
优选地，所述液态金属的熔点高于室温但低于发热器件的稳定运行温度；这样液态金属在常温下为固态，在工作状态式则转化为液态，排除气体实现降低热阻、相变吸热实现快速匀温，获得超高导热效率。
优选地，所述液态金属选自镓、铟、锡、铋或其合金，或其与其他金属、其他金属的氧化物、非金属或非金属氧化物的掺杂混合物；所述其他金属选自铜、铝、金、银、钨、铑或铱，所述非金属为碳或硅。
进一步优选地，所述碳包括但不限于金刚石、石墨烯或碳纳米管等。
本发明中液态金属中掺杂其他物质的目的是为了调节其熔点，使其可以满足常温下固态，工作状态下液态。为了与不同运行温度的发热器件相匹配，在实际应用中，所述掺杂混合物中各元素的组成和配比为符合要求的任意组成和配比。
本发明中液态金属的掺杂其他物质只是为了调节其熔点，相对现有技术中需要添加昂贵的助剂来改善液态金属的性能来说，成本更低廉。
优选地，所述第二区域微米乳突阵列的间隙全部被液态金属填充。为了最大限度的排除强化散热板与发热器件接触区域的空气，所述液态金属的封装液位与微米乳突的高度持平，即间隙全部被液态金属填充，保证平整，误差不超过±0.5mm。
优选地，所述强化散热板的主体材质包括但不限于铜或其合金或其氧化物、铝或其合金或其氧化物、铁或其合金或其氧化物、不锈钢、金、银、硅或其氧化物或其掺杂半导体等。
优选地，所述强化散热板的主体包括完全填充和部分填充两种组成方式。其中，完全填充涉及常规实体散热板，如翅片、翅翘板、热沉等；部分填充涉及基于“热管”(剩余空间充满低压冷媒介质形成蒸发-冷凝内循环)原理的散热板，如热管、均热板、冷板等。
优选地，所述强化散热板的基本外观为平板型，至少包括顶面(上表面)、底面(下表面)两个功能表面。
优选地，所述强化散热板具有满足集成电路实际需要的附加外观，包括但不限于为配合器件安装而预留的螺孔结构、为提升机械强度而补充的紧固结构、为改善冷媒流动而增设的翅片结构、为避让其他电子元件而开凿的凹槽或棱台结构等。
一种如上所述自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板的制备方法，包括如下步骤：强化散热板的整体成型、强化散热板表面刻蚀形成微米乳突阵列、微米乳突阵列浸润性质的调控、第二区域内液态金属的封装。
优选地，所述强化散热板的整体成型方法包括但不限于铸造、锻造、轧制、冲压、拉拔、注射、焊接、切削、折叶、插齿、嵌套、磨抛、粉末冶金、3D打印等。
优选地，强化散热板表面刻蚀形成微米乳突阵列的刻蚀方法为激光一体化刻蚀。激光一体化刻蚀能够同时形成微米乳突阵列以及微米乳突表面的纳米褶皱。具体实施方法包括激光移动路径、激光填充工艺、激光光热作用和激光重复加工，参见申请人已授权专利(申请公布号CN 109974512 A)。
对微米乳突阵列浸润性质的调控的目的之一是使强化散热板第一区域表面获得针对冷媒介质的超疏气(液下气泡黏附力小于20μN)性质，以利于相变气泡快速脱离；另一目的是使第二区域获得超亲液态金属的(静态接触角小于10°)性质，以利于液态金属稳定封装。优选地，微米乳突阵列浸润性质的调控方法包括化学试剂改性、功能介质沉积、热改性、等离子体处理、臭氧处理或紫外光照。
进一步优选地，功能介质沉积的方法包括但不限于如化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等。热改性则采取煅烧或退火等方法。
优选地，所述第二区域内液态金属的封装包括以下步骤：将强化散热板预热，然后将熔化状态的液态金属浸润填充至第二区域微米乳突阵列的间隙中，然后降温固化完成液态金属的封装。
优选地，将强化散热板预热至高于液态金属熔化温度20℃及以上，可防止因液态金属部分或完全固化而干扰或阻滞其在阵列间隙中的浸润填充。
当液态金属为金属单质或合金时，熔化后可以直接进行浸润过程；若液态金属为掺杂混合物时，则需要先将金属单质或合金加热熔化，然后补充待掺杂的其他金属或非金属物质，同时利用物理研磨或机械搅拌等方法使充分均匀混合后使用。
优选地，所述液态金属浸润填充的方法包括但不限于自然浸润填充、真空或压力辅助浸润填充、光或电或磁的诱导浸润填充等。
优选地，降温固化的温度至少要低于液态金属凝固温度5℃，确保液态金属的完全固化。
本发明所提供的自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板协同兼顾“减少接触热阻”和“促进液-气相变”，尤其支持高发热密度(热流密度100W/cm2以上)电子器件冷却散热，包括但不限于满足诸如数据中心服务器、航天热控装备、先进动力电池等领域的实际应用需求。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板包括第一区域和第二区域。其中第二区域与发热器件的接触热阻更低，传热均温更快，液态金属固-液相变的均温速率大于1cm2/s，且能自动填充与发热器件接触面空隙，获得接近强化散热板主体材质(如铜，热导率约400W m-1K-1)的超高热导。同时，第一区域的微米乳突阵列的比表面积更大，汽化核心更多，对相变气泡的黏附阻滞更弱，强化沸腾传热性能更优，尤其支持高发热密度(热流密度100W/cm2以上)电子器件的冷却散热，可将冷媒介质的起始过热温度相较其沸点降低8～32℃，浸没式相变液冷性能比常规散热部件表面提高10倍以上，比商用烧结铜颗粒表面提高1倍以上。
此外，该强化散热板与现有产品相比，成本低廉、装卸便捷、性能稳定、天然防漏，同时其制备工艺简单、灵活可控，周期短、精度高，易批量生产，在诸如数据中心服务器、航天热控装备、先进动力电池等领域的具有良好的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明的
具体实施方式
作进一步详细的说明。
图1示出实施例1中自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板的示意图。
图2示出实施例1中分布于强化散热板上表面(顶面)的第一区域的放大俯视图和剖面主视图。
图3示出实施例1中分布于强化散热板下表面(底面)的第一区域和第二区域的放大仰视图和剖面主视图。
图4示出实施例1中满足集成电路实际需要的自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板的示意图产品3D视图。
其中，1-强化散热板；2-强化散热板上表面(顶面)；3-强化散热板下表面(底面)；4-分布于强化散热板上表面(顶面)的第一区域；5-第一区域内的微米乳突阵列；6-分布于强化散热板下表面(底面)的第二区域；7-分布于强化散热板下表面(底面)的第一区域；8-隔离带；9-第一区域内的微米乳突；10-第一区域内微米乳突表面的纳米褶皱；11-第一区域内微米乳突阵列间隙；12-第二区域内的液态金属；13-平板；14-棱台(附加外观)；15-紧固带(附加外观)；16-螺孔(附加外观)；17-第二区域内的微米乳突。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板，强化散热板表面包括第一区域和第二区域；第一区域内强化散热板表面分布有微米乳突阵列，第二区域内强化散热板表面分布有微米乳突阵列，且微米乳突阵列间隙内封装有液态金属；其中，强化散热板与发热器件的接触区域包括第二区域。其中，所述第一区域内大面积微纳复合超疏气强化沸腾结构，第二区域内液态金属可自填充与发热器件的空隙，具有高导热效率。如图1～图3所示，具体方案如下：
铸造成型强化散热板1，内部由铜(热导率约400W m-1K-1)材质完全填充，基本外观为尺寸100mm×60mm×3mm标准平板，无附加外观。经初步表面磨抛后，利用激光一体化刻蚀在其上表面(顶面)2形成第一区域4，在其下表面(底面)3形成第一区域7和第二区域6；其中，封装有液态金属的第二区域6的面积为38mm×38mm，与面积为40mm×40mm芯片接触，第二区域6与第一区域7之间存在隔离带8。第一区域4和7的微米乳突9表面具有纳米褶皱10，第一区域内的微米乳突9高度为60μm，当量直径约50μm，表面的纳米褶皱10厚度约500nm，第一区域内微米乳突阵列间隙11的宽度约50μm。第二区域6内微米乳突17的尺寸与第一区域内微米乳突9的尺寸一致。
通过1.0mol L-1氢氧化钠和0.5mol L-1过硫酸钠溶液对分布于强化散热板上表面(顶面)的第一区域4和分布于强化散热板下表面(底面)的第一区域7化学改性获得超疏气性质，液下气泡黏附力小于10μN。通过1.0mol L-1盐酸对第二区域6微米乳突阵列改性获得超亲液态金属性质，并在60℃恒温加热使液态金属12镓单质(熔点约30℃)自然浸润填充，完成在底面3微米乳突阵列间隙的均匀封装后0℃冷藏降温固化2h，得到第二区域6内的液态金属12。
本实施例中强化散热板的接触热阻低，传热均温快，60℃时可在50s内完成上表面100mm×60mm区域的温度均匀分布，测得总体热导率高达395.4W m-1K-1。
本实施例中强化散热板的比表面积大，汽化核心多，对相变气泡的黏附阻滞弱，强化沸腾效果优异，可将体相水沸腾的起始过热温度降低32℃，将电子氟化液沸腾的起始过热温度降低8℃，强化沸腾传热性能比常规铜质散热表面提高10倍。
本实施例中强化散热板的主体材质为最常用的紫铜，所述液态金属为最简单的单质镓，仅需形成厚度20μm超薄层，充分体现本发明用料俭省、成本低廉等优势；同时，所述铸造成型、表面磨抛、激光刻蚀、化学改性等制备工艺简单可控，易于规模化生产。
实施例2
一款满足集成电路实际需要的自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板产品，具体方案如下：
切削冲压磨抛成型的实体紫铜强化散热板，如图4所示，基本外观为尺寸120mm×78mm×2mm平板13，附加外观包括底面居中40mm×40mm×8mm棱台14，侧翼居中55mm×9mm×8mm紧固带15，以及特定位置预留直径7mm螺孔16。利用激光一体化刻蚀微米乳突阵列，平板13的上、下表面、棱台14的四周与底面、紧固带15的上、下表面及侧面皆分布有微米乳突阵列；其中，棱台14底面第二区域面积为38mm×38mm与面积为40mm×40mm芯片接触，棱台14底面第二区域内微米乳突高度为20μm，而棱台14表面第一区域内微米乳突高度为40μm。强化散热板其他表面第一区域内微米乳突的高度为60μm。此外，微米乳突的其他结构参数一致，包括锥状微米乳突的当量直径约30μm，微米乳突表面的纳米褶皱厚度约50nm，相邻微米乳突间距为30μm。通过200W等离子体处理获得超疏气性质，用1.0mol L-1氢氧化钠溶液对38mm×38mm棱台底面化学改性获得超亲液态金属性质，80℃恒温加热使液态金属铟锡铋合金(铟50％、锡20％、铋30％，熔点约60℃)诱导浸润填充至棱台底面微米乳突阵列中，均匀封装后自然降温固化12h。
本实施例中的强化散热板产品可以对接真实数据中心服务器，棱台能有效避让主板上其他电子元件，紧固带和螺孔便于将与芯片接触的强化散热板紧密装载；其超大面积(几乎覆盖所有功能表面)强化沸腾结构能显著促进冷媒介质的液-气相变行为，提升浸没式相变液冷性能。经微型浸没式相变液冷测试表明，本实施例所述强化散热板使300～420W/cm2高发热密度电子器件的工作温度为68～74℃，浸没式相变液冷性能比商用烧结铜颗粒表面提高1倍以上。
实施例3
一款自密接型超疏气浸没式相变液冷强化散热板产品，除在成型阶段使用3D打印、注射和焊接等工艺形成“热管”式紫铜均热板外，其基本外观、尺寸参数以及后续制备方法均与实施例2一致。
对比例1
对比例1中的强化散热板制备工艺对实施例3完全相同，不同之处在于实施例3中第二区域内微米乳突阵列间隙封装有液态金属，而对比例中强化散热板中则没有封装液态金属，使用商用金属铟散热片填充接触面。
实施例3中散热板产品在微型浸没式相变液冷装置中反复装卸并测试60次，均未发现液态金属侧漏，经微型浸没式相变液冷测试表明，180～320W/cm2高发热密度电子器件的工作温度为58～62℃，300W/cm2发热密度电子器件的工作温度波动误差为±2.6℃，而使用商用金属铟散热片填充接触面的对比例1则不仅装卸工序繁杂，180～320W/cm2高发热密度电子器件的工作温度为58～72℃，300W/cm2电子器件工作温度的波动误差高达±12.4℃，这充分体现出本发明装卸便捷、性能稳定、天然防漏等优势。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。