用于超高热流密度下的热沉的制作方法

本公开涉及相变换热技术领域，尤其涉及一种用于超高热流密度下的热沉。

背景技术：

伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的发展趋势，电子器件的功率密度越来越大，例如：采用块体荧光转换材料的COB(Chip On Board) 集成LED单光源的功率密度达到50～500W/cm²，由此带来电子器件的发热热流密度迅猛增大。定义20～150W/cm²为高热流密度；当热流密度超过 150W/cm²时，已经超过常规尺寸表面发生池沸腾相变换热的临界热流密度，定义为超高热流密度。在高热流密度下，电子器件的高强度发热量如果不能有效散去，将会导致器件温度迅速升高，严重降低器件和系统的性能、稳定性和安全性。

现有技术中利用高性能的微/纳尺度相变强化换热技术，在热沉表面构建尺寸在几十到几百微米的开放式微细通道阵列，其表面能够发生复合相变强化传热过程。开放式微细通道阵列形成的毛细压力梯度可以驱动液体工质流动，并在通道内三相接触线区域促进形成扩展弯月面蒸发薄液膜，从而创造高强度的纯蒸发换热条件，而在更高热负荷条件下，会发生薄液膜蒸发和厚液膜区域内核态沸腾的复合相变换热，是一种典型的高性能被动式微尺度相变换热技术，能够被用来实现低热阻和小温差条件下的高换热系数和高热流密度的换热过程。这种具有开放式微细通道阵列的热沉能有效解决高热流密度下电子器件的散热问题。

然而在实现本公开的过程中，本申请人发现，在超高热流密度条件下，随着热流密度的进一步升高，热沉的开放式微细通道阵列内的液体工质将变得极容易干涸，一旦液池内的液体工质没有及时补充到干涸处，则无法继续形成薄液膜和厚液膜区域，也就无法发生高强度的薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热，热沉的散热性能和可靠性大幅下降。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种用于超高热流密度下的热沉，以缓解现有技术中的热沉在超高热流密度条件下，热沉的开放式微细通道阵列内的散热工质将极易干涸，且散热工质无法及时补充到干涸处，导致热沉的散热性能和可靠性大幅下降的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种用于超高热流密度下的热沉，包括：热沉基板，用于为发热器件散热，包括：开放式通道，设置在所述热沉基板的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质沿所述开放式通道流动；以及亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团提高所述开放式通道的补液能力。

在本公开的一些实施例中，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置；其中N≥10。

在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的排列密度不小于5条/cm。

在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式通道的宽度介于10μm 至2000μm之间；所述开放式通道的深度介于10μm至2000μm之间；两相邻所述开放式通道的间距介于10μm至2000μm之间；所述亲水涂层的厚度介于20nm至50μm之间。

在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式通道的宽度介于200μm 至500μm之间；所述开放式通道的深度介于200μm至1500μm之间；两相邻所述开放式通道的间距介于200μm至500μm之间。

在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。

在本公开的一些实施例中，其中，所述热沉基板的导热系数不小于 20W/m·K。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于超高热流密度下的热沉具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，一旦局部热点出现干涸区域，在大毛细压力梯度的驱动下，散热工质迅速补充到干涸区，再次润湿开放式通道的表面，持续发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性；

(2)多条开放式通道并排设置，并且开放式通道的宽度、深度以及间距均介于10μm至2000μm之间，不仅增加了换热面积，更重要的是开放式通道的界面效应和尺寸效应会对散热工质的流动和相变换热性能产生超常的强化作用，使其表面发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，其理论最大取热热流密度可达到10⁴W/cm²的数量级，相变换热系数达到10⁶W/(m²·℃)的数量级，取热能力远大于具有常规尺寸表面的热沉。

附图说明

图1为本公开实施例用于超高热流密度下的热沉的结构示意图。

图2为图1中开放式通道的局部放大主视图。

图3为图1中开放式通道的另一种结构的局部放大主视图。

图4为图1中开放式通道的再一种结构的局部放大主视图。

图5为图1中开放式通道的再一种结构的局部放大主视图。

图6为图1中开放式通道的再一种结构的局部放大主视图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-热沉基板；

11-开放式通道；12-亲水涂层；

121-极性分子基团。

具体实施方式

本公开实施例提供的用于超高热流密度下的热沉中，通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，进而提高了补液速度，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开实施例用于超高热流密度下的热沉的结构示意图。图2 为图1中开放式通道的局部放大主视图。

根据本公开的一个方面，提供一种用于超高热流密度下的热沉，如图 1-图2所示，包括：热沉基板10，用于为发热器件散热，包括：开放式通道11，设置在热沉基板10的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质沿开放式通道11流动；以及亲水涂层12，设置在开放式通道11的表面，该亲水涂层12表面生成有极性分子基团121，亲水涂层12和极性分子基团 121提高开放式通道11的补液能力。通过设置亲水涂层12以及亲水涂层 12表面的极性分子基团121，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道 11表面的润湿特性，大大增加开放式通道11内的毛细压力梯度，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，一旦局部热点出现干涸区域，在大毛细压力梯度的驱动下，散热工质迅速补充到干涸区，再次润湿开放式通道11的表面，持续发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

在本实施例中，开放式通道11包括N条，N条开放式通道11并列设置；其中N≥10。

在本实施例中，开放式通道11的排列密度不小于5条/cm，即沿并列设置的多条开放式通道的排列方向计数，每厘米内的开放式通道11的条数不小于5条。

在本实施例中，其中：开放式通道11的宽度介于10μm至2000μm之间；开放式通道11的深度介于10μm至2000μm之间；两相邻开放式通道 11的间距介于10μm至2000μm之间；亲水涂层12的厚度介于20nm至 50μm之间。多条开放式通道11并排设置，并且开放式通道11的宽度、深度以及间距均介于10μm至2000μm之间，不仅增加了换热面积，更重要的是开放式通道11的界面效应和尺寸效应会对散热工质的流动和相变换热性能产生超常的强化作用，使其表面发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，其理论最大取热热流密度可达到10⁴W/cm2的数量级，相变换热系数达到10⁶W/(m²·℃)的数量级，取热能力远大于具有常规尺寸表面的热沉。

在本实施例中，其中：开放式通道11的宽度介于200μm至500μm之间；开放式通道11的深度介于200μm至1500μm之间；两相邻开放式通道11的间距介于200μm至500μm之间。开放式通道11的尺寸越小，毛细现象越明显，补液能力越强。

图3为图1中开放式通道的另一种结构的局部放大主视图。图4为图 1中开放式通道的再一种结构的局部放大主视图。图5为图1中开放式通道的再一种结构的局部放大主视图。图6为图1中开放式通道的再一种结构的局部放大主视图。

在本实施例中，如图2-图6所示，开放式通道11的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。

在本实施例中，其中：亲水涂层12包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；极性分子基团121包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；热沉基板10 包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；其中，热沉基板10的导热系数不小于20W/m·K。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的用于超高热流密度下的热沉有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的用于超高热流密度下的热沉通过设置亲水涂层12以及亲水涂层12表面的极性分子基团121，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道11表面的润湿特性，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。