三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器及制造方法与流程

1.本发明涉及散热设备技术领域，具体涉及三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器及制造方法。


背景技术：

2.随着电子技术的发展，电子装备中的单元和核心模块正朝着极小化方向发展，封装密度却越来越大，电子设备的集成度越来越高，核心器件单位面积内的热流密度急剧增加，对液冷板散热能力提出了更高的要求。局部热流密度大会使热量在局部发生聚集，在芯片或模块表面产生局部高温，影响芯片的使用性能和工作可靠性，缩短芯片的工作寿命。
3.电子设备的散热装置主要包括风冷散热装置和液冷散热装置，由于液体具有较高的热容和较高的传导率，液冷散热装置的散热性能比风冷散热装置更强。液冷散热装置一般采用与热源的直接接触的方式，将热源的热量通过流动的液体带走。在热流密度很大的情况下，采用单一流道式的液冷散热装置难以满足散热装置和液体之间的高效热量传递，需要提高液冷散热装置和冷却介质的接触面积，实现更高的传热效率。
4.面向金属增材制造的三周期极小曲面填充的一体式液冷散热器具备高比强度和高比表面积的特点，可进行强制对流换热，大幅提高了散热能力，能够满足新型高集成度电子装备对散热性能的要求。散热器采用三周期极小曲面填充，可增加曲面和冷却液之间的表面接触面积和冷却液的局部混合速度，从而确保更好的散热。然而，由于传统金属加工方法的限制，复杂的三周期极小曲面填充的一体式液冷散热器难以制备。为此，提出三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器及制造方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决单一流道式的液冷散热装置难以满足散热装置和液体之间的高效热量传递，提供了三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器，该散热器充分利用三周期极小曲面的高比表面积的特点，增加液冷散热器和冷却液之间的表面接触面积和冷却液的局部混合速度，提高液冷散热器的散热性能。
6.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括进液接头、出液接头、液冷腔、三周期极小曲面单胞阵列；所述三周期极小曲面单胞阵列设置在所述液冷腔内部，与所述液冷腔通过一体成型，所述出液接头、所述进液接头设置在所述液冷腔两端。
7.更进一步地，所述三周期极小曲面单胞阵列包括多个相互连接的三周期极小曲面单胞，所述三周期极小曲面单胞包括相互连通的三种曲面。
8.更进一步地，三种曲面分别为p曲面、i-wp曲面、f-rd曲面，各曲面公式如下：
9.p曲面公式：
[0010][0011]
i-wp曲面公式：
[0012][0013]
f-rd曲面公式：
[0014][0015]
其中，x、y、z为各曲面点的空间坐标，l为三周期极小曲面单胞的边长。
[0016]
更进一步地，所述液冷芯片散热器的材质为铝合金。
[0017]
更进一步地，所述液冷芯片散热器还包括盖板，所述盖板设置在所述液冷腔上，形成封闭腔体。
[0018]
更进一步地，电子芯片通过界面材料与液冷散热器表面贴合，电子芯片热量通过热传导传递给液冷散热器，液冷散热器与冷却介质间通过对流换热带走热量。
[0019]
本发明人还提供了三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器的制造方法，用于加工上述的液冷芯片散热器，通过采用增材制造方式将液冷芯片散热器一体成型。
[0020]
本发明相比现有技术具有以下优点：该三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器，能够解决高集成度芯片的局部大热流密度的问题，三周期极小曲面的填充能够增加液冷散热器和冷却液之间的表面接触面积和冷却液的局部混合速度，强化对流传热效果，且一体化成型，消除了不同部件之间的接触热阻，使传热更加均匀迅速，适用于发热密度高的芯片散热，可以减小甚至完全消除芯片局部热点的现象，液冷板内部腔体3d打印整体一体化成型，解决了传统液冷板分开制造腔体和盖板，再进行装配或焊接导致可靠性差的问题，值得被推广使用。
附图说明
[0021]
图1是本发明实施例一中液冷芯片散热器的结构示意图(不含盖板)；
[0022]
图2是本发明实施例一中p曲面填充一体式液冷芯片散热器液体流向示意图；
[0023]
图3是本发明实施例一中i-wp曲面填充一体式液冷芯片散热器液体流向示意图；
[0024]
图4是本发明实施例一中f-rd曲面填充一体式液冷芯片散热器液体流向示意图；
[0025]
图5是本发明实施例一中液冷芯片散热器的结构示意图(含盖板)；
[0026]
图6是本发明实施例二中液冷芯片散热器的生产工艺流程示意图；
[0027]
图7是本发明实施例二中三周期极小曲面填充一体式液冷芯片散热器模型的建立过程示意图；
[0028]
图8是本发明实施例二中两端管口轴线与基材水平面倾斜45
°
放置示意图。
具体实施方式
[0029]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0030]
实施例一
[0031]
如图1、5所示，本实施例提供一种技术方案：三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器，包括：进液接头1、出液接头4、液冷腔2、三周期极小曲面单胞阵列3；所述三周期
极小曲面单胞阵列3设置在所述液冷腔2内部，与所述液冷腔2通过采用增材制造方法一体成型，所述出液接头4、所述进液接头1设置在所述液冷腔2两端。
[0032]
更进一步地，所述三周期极小曲面单胞阵列包括多个相互连接的三周期极小曲面单胞，所述三周期极小曲面单胞包括相互连通的三种曲面，分别为p曲面(如图2所示)、i-wp曲面(如图3所示)、f-rd曲面(如图4所示)；
[0033]
其中：
[0034]
p曲面公式：
[0035][0036]
i-wp曲面公式：
[0037][0038]
f-rd曲面公式：
[0039][0040]
其中，x、y、z为各曲面点的空间坐标，l为三周期极小曲面单胞的边长。
[0041]
在本实施例中，所述液冷芯片散热器的材质为铝合金。
[0042]
在本实施例中，所述液冷芯片散热器还包括盖板，所述盖板设置在所述液冷腔2上，形成封闭腔体。
[0043]
在本实施例中，所述液冷芯片散热器采用增材制造方法一体成型。
[0044]
在本实施例中，电子芯片通过界面材料与液冷散热器表面贴合，电子芯片热量通过热传导传递给液冷散热器，液冷散热器与冷却介质间通过对流换热带走热量。
[0045]
实施例二
[0046]
在本实施例中，采用激光选区熔化成形技术进行制备，适合于本发明的工艺流程如图6所示。生产工艺的第一步为数据准备，主要指适用于3d打印的三维模型、与产品结构相匹配的打印参数、打印程序剖分，其中使用nx软件进行三维模型的处理和结构优化；处理好的模型运用magics软件进行数据准备，打印程序生成。将准备好的数据导入3d打印机，开始激光成形工序，即将打印程序导入到3d打印机，打印机对程序识别后转换成二维激光扫描路径，以激光为能量源逐点打印，逐层堆积，打印产品。零件成形出炉后将多余粉末清出，采用机加工方式如线切割将产品与成形基板分离。零件成形后为了消除内应力，提升综合力学性能，通常需进行热处理，即采用3d打印机专用热处理制度，对成形件进行热处理，得到最优的产品力学性能。为了辅助成形，零件通常会有支撑结构，产品成形后需去除支撑，同时对产品表面进行打磨、抛光、喷砂处理。去支撑后的成形零件需进行相关检测，包括对产品进行全尺寸三维扫描，关键尺寸采用三坐标检测，表面质量依据gjb2367进行荧光检测，内部质量依据gjb1187进行x射线检测。检测合格后的零件办理相关手续入库。
[0047]
由于三周期极小曲面的控制方程较为复杂，难以通过简单的三维绘图软件直接建立其模型，因此，需要借助matlab绘制出三周期极小曲面。然后将三周期极小曲面导出为.obj格式，然后利用rhino软件作为过渡软件将三周期极小曲面转换成.iges格式，从而导入到三维绘图软件ug中进行实体的建立，如图7所示。
[0048]
产品的最佳摆放方式为将两端管口轴线与基材水平面倾斜45
°
防止，摆放后的零
件最低端与基材上表面间隔2mm，如图8所示。
[0049]
零件成形后从成形仓中捞出，开始清粉工序，应用橡胶锤沿着基材的四周。不断敲击，不得直接敲击零件表面防止零件变形，同时基材应不停的变换方向这样有利于粉末清除，在转动基材时应避免零件被撞伤，特别是零件尖锐的角应做到特别防护，不停的敲击基材的四周直至无粉末从出粉孔流出时为止。进行清粉作业时，如果零件需要倒置且零件较大时，应该两人或多人协作进行，且在零件与地面或较硬物体的接触部位垫入铜皮或木板等。当用橡胶锤敲不出粉末时，用1mpa压缩空气对空腔内进行吹气，同时用橡胶锤不断敲击基材四周；直至无粉末流出，交替进行吹气使粉末流出。清粉结束后必须用无尘纸在出粉口进行吹气检测，并用记号笔记录位置，将无尘纸放在100倍显微镜下观察无尘纸有无金属粉末。直至无粉末后，方可流转至下一工序。
[0050]
晶格液冷芯片散热器需与基材分离，零件与基材的分离主要通过电火花线切割加工。
[0051]
晶格液冷芯片散热器的组成成分为铝合金alsi
10
mg。铝合金alsi
10
mg是铸造铝合金，一般进行退火处理。退火处理的工艺为：退火温度280
±
5℃，保温2h，然后空冷。退火处理可显著消除零件激光选区熔化成形过程中产生的内应力，防止零件大幅变形，并且能够提升合金的塑性，使零件综合力学性能提高。
[0052]
支撑的去除方式主要以敲击为主，将零件选择合适的位置固定，(虎钳夹紧时要垫木块，防止夹伤零件)，选择合适的工具。可去除指通过人工或者机械去除掉支撑，其中主要用到的工具有榔头、錾子、台钳、气动磨头、钳子等，零件去支撑一般遵循由外而内，由简到繁的原则，在敲击的过程中，要不断观察，不要伤到零件，尤其是薄壁件更要特别的小心，不要用力过猛。并将支撑区域的表面处理到加工要求允许的尺寸和粗糙度；支撑的强度要根据零件相应位置特征的强度、厚度来判断，实体支撑尺寸一般不超过零件厚度的2/3，实体支撑的形式根据后续处理方式的不同可以选择，人工去除的实体支撑大小厚度一般在1.5mm以内，且主要应用于较大支撑面的边缘；机加工位置的实体支撑根据机加工的范围添加，强度不受限制；添加的实体支撑结构(包括用于防变形的实体和点阵)必须可以人工去除，或使用线切割等方式切除，切除剩余部分必须在人工可去除和打磨的位置；防变形使用的点阵结构在生成后只可以沿z轴旋转，不可沿其他轴转动；加支撑后零件和支撑不能有封闭的空腔存在，每个空腔至少留有两个用于清粉的通道；避免网格支撑之间、实体支撑之间的重叠，增加支撑去除的难度；对于较窄或较细的支撑，若高度较高，成形易刮倒，需用稳定的大网格进行稳定，终止于零件接触位置向下约3-5mm；支撑添加完成后需要对零件整体进行检查，特别是有流道和空腔的零件，避免出现支撑堵塞孔、流道，以及伸入到空腔内等支撑无法去除的位置，导致零件报废。
[0053]
在零件激光选区熔化成形过程中，有些零件结构复杂存在缝隙，打印机就会自动用一种粉状的物体将其填充，超声波清洗机能轻松地清洗3d打印产品缝隙里的填充物。晶格液冷芯片散热器通过线切割从基材上分离下来后，由于线切割过程中零件表面沾有油污，需通过进一步的超声波清洗去除零件表面的油污。清洗加水高度须没过加热棒50～60mm，以确保零件完全浸没在水中可以受到超声波的振动，达到表面污渍清洗干净的目的。添加的清洗剂应不具有腐蚀性且可以有效分解零件表面的油渍和其它污物，确保零件表面不被腐蚀并且达到清洗的要求。加水和清洗剂以后只需打开加热开关调整好水温即可；超
声波清洗时理想温度为50～70℃。放入零件前须对零件进行拍照(拍照需体现细节)并留存，拍照之后需将零件放入料框避免磕碰。零件放置好后将料框轻轻放置清洗槽内，严禁料框和清洗槽内壁接触。料框放置好以后待水温加热至设定温度，打开超声波按钮。易混淆零件需确保标记清楚后，再放在一起清洗。根据零件表面的污物严重情况设定超声波的功率和清洗时间，设定好功率和时间后只需不定时的过来观察清洗情况并做好清洗记录即可。设定的清洗时间结束后，可观察零件的清洗效果，若表面依然有大量污物没有洗净，此时可以在零件表面喷洒少量的清洗剂，用刷子刷洗零件表面直至油污被刷去为止，刷好以后再放入清洗机内进行清洁，以达到最佳的效果。依此方法，保证零件至少清洗三次，清洗完成后，将清洗机内的污水排出，加入干净的清水对零件进行清洗，以达到去除零件表面残留的清洗剂和其它没有完全脱落的污物的目的。
[0054]
晶格液冷板零件支撑去除之后，零件上加支撑的表面凹凸不平，需人工打磨去除残留的支撑茬子，在打磨支撑茬子和余量较大的面时，可以遵循先铣刀后磨头的原则；尽量在较短的时间内去除大部分余量，但在使用铣刀时应注意控制手上的力量切不可在一个地方大力打磨造成零件表面凹陷无法弥补。应平稳用力，均匀的去除零件表面余量。在打磨圆角时可以使用大小相当的球形磨头进行打磨，打磨时力量可以由轻到重，力量越大表面越粗糙，反之力量越轻表面越光滑。在打磨铝件时，因铝的熔点较低在打磨过程中容易在零件表面行成瘤状物，此时可在零件表面涂少许的润滑油给零件降温打磨，在打磨有尺寸的地方时可以用粒度较小的磨头进行打磨。在对打磨好的零件进行抛光时可先采用粒度为80的百页轮抛去零件表面较深的砂轮印，在粒度180的百页轮经行精抛光提高表面粗造度。
[0055]
表面喷砂是常用的后处理工艺，操作人员手持喷嘴朝着零件表面高速喷射介质小珠从而达到抛光的效果，喷砂处理一般比较快，约5～10分钟即可处理完成，处理过后的产品表面光滑，有均匀的亚光效果。在喷砂压力和磨料的类型设定后，喷枪的距离、角度的变化对零件的表面结果具有重要的影响，喷枪距工件的距离一般为50-150mm，喷枪距工件越远，喷射流的效率越低，工件表面亦光滑。喷枪与工件的夹角越小，喷射流的效率越低，工件表面也越光滑。喷砂处理是一种工件表面处理的工艺，采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂)高速喷射到需处理工件表面，使工件表面的外表和形状发生变化。由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善。磨料按颗粒形态分为球形、菱形两类。喷砂通常采用的金刚砂为菱形磨料，玻璃珠为球形磨料。在喷砂压力、喷枪角度、喷枪距离确定后，球形磨料喷砂得到的表面结果较光滑，菱形磨料得到的表面相对较粗糙。喷砂压力3mpa左右，喷砂距离300mm左右，均匀喷砂。
[0056]
磨粒流处理通常是指工件磨粒流去毛刺的方法，磨粒流去毛刺是指通过一种挤压方法，其磨料具有流动性，其中的颗粒不断地对工件表面进行研磨，完成抛光和去毛刺加工。磨粒流加工是利用磨粒流中的磨砂充作无数的切削刀具，以其坚硬的锋利的棱角对工件表面进行反复切削，从而达到一定的加工目的。在工艺实施中，通常采用两个相对的磨粒缸使磨粒在零件和夹具所形成的通道中来回挤动，磨削作用就产生在流体受到限制的部位，即挤压部位。当磨粒均匀而渐进地对通道表面或边角进行工作时，产生去毛刺、抛光、倒角地作用。磨粒流加工工艺中有三个重要环节：(1)挤压研磨机床：固定工件和夹具，在一定地压力作用下，使磨粒通过被加工表面，达到研磨、去毛刺、倒角、抛光地目的。由机床控制
挤出压力。(2)磨粒：由柔性的半固态载体和一定量磨砂拌制而成，有不同粘度、流变、磨砂粒度和密度。最常用的磨砂是碳化硅。根据被加工材料，还可选择立方氮化硼、氧化铝，砂粒尺寸在0.5～1.5mm之间。高粘度磨粒可用来对零件的壁面和大通道进行均匀研磨，低粘度磨粒可用来对零件边角倒圆和小通道的研磨。磨粒的粘度、挤压压力和通道的大小决定了磨粒的流速，影响到研磨量、磨削均匀性、边角倒圆大小。不同载体的粘度、磨砂种类、磨粒大小，可以产生不同的效果。(3)夹具：使零件定位并引导磨粒通达被加工部位。有些零件的磨粒流加工不需要夹具辅助，如模具等，有些加工仅需简单夹具。大批量零件生产所用的夹具，要设计的易于装、卸、清洗，通常需安装在分度台上。这样的夹具，一次可加工许多零件。
[0057]
荧光检测主要是验证晶格液冷板产品的表面质量是否合格。按gjb2367a-2005的规定对产品进行荧光检测，如不合格返回至打磨、喷砂工序直至检测合格。
[0058]
对本发明进行实验测试，在热源密度为150w/cm2，供液流量为1.5l/min，供液温度为38℃的情况下，使用传统液冷散热器的芯片组壳温最大温度达到130℃，而本发明的最大温度为73℃，降低了43.8％，低于85℃的器件壳温要求，散热效率提高了70％以上。
[0059]
综上所述，上述实施例的三周期极小曲面填充的一体式液冷芯片散热器，能够解决高集成度芯片的局部大热流密度的问题，三周期极小曲面的填充能够增加液冷散热器和冷却液之间的表面接触面积和冷却液的局部混合速度，强化对流传热效果，适用于发热密度高的芯片散热，可以减小甚至完全消除芯片局部热点的现象，值得被推广使用。
[0060]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。