超薄均热板及其制备方法、电子设备与流程

1.本技术涉及移动终端技术领域，具体涉及超薄均热板及其制备方法、电子设备。


背景技术：

2.冷却液在物相变化时，会吸收或者释放出相变潜热，均热板的设计便是利用了这个原理。均热板的内壁上具有毛细结构，当热由热源传导至均热板时，腔体里的封装的冷却液体，在低真空度的环境中受热后开始产生气化现象，吸收热量并向冷端流动，遇冷后凝结释放出热量，再经由腔体内壁上的毛细结构的毛细作用返回到热源端，从而达到均热的效果。
3.目前，均热板已广泛使用在终端电子产品如手机、平板、笔记本电脑中，终端电子产品以轻薄、便携等特性作为热点，受限于尺寸与重量，均热板也向轻薄化和大面积大跨度方向发展，但是超薄均热板的毛细结构主要是丝网结构和沟槽结构，由于毛细结构的亲水性，使冷却液体容易在毛细结构表面形成一层液膜，使得冷却液体在换热时内部气泡产生与脱落的速率减慢，同时使超薄均热板的径向热阻升高，换热壁面过热度增大，从而导致超薄均热板的均温性能与传热性能变差。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的问题，本技术提供超薄均热板及其制备方法、电子设备，能够防止液膜形成，提高超薄均热板的均热性能和传热性。
5.第一方面，本技术提供一种超薄均热板，所述均热板包括第一盖板及第二盖板；所述第一盖板与所述第二盖板密封连接形成密封腔体，所述密封腔体内为负压环境且设有毛细结构及冷却介质，在所述第一盖板的内表面和/或所述第二盖板的内表面和/或所述毛细结构中包括疏水结构层及亲水结构层；所述疏水结构层由所述第一盖板和/或所述第二盖板和/或所述毛细结构经过蚀刻或沉积或膜层处理后进行表面疏水化处理得到。
6.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述第一盖板及所述第二盖板的材质为纯铜、铜合金、不锈钢、铝合金、钛金属、钛合金或塑料中的任意一种。
7.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述疏水结构层的厚度为0.001～0.2mm。
8.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述亲水结构层由金属材质的多孔介质烧结处理得到，所述亲水结构层的厚度为0.03～0.2mm。
9.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述第一盖板与所述第二盖板采用扩散焊或钎焊或激光焊接，焊接后的所述均热板的厚度为0.1～0.4mm。
10.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述疏水结构层设置于所述第一盖板的内表面，所述亲水结构层设置于所述第二盖板的内表面。
11.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述疏水结构层与所述亲水结构层拼接设置或层叠设置于所述第一盖板和/或所述第二盖板的内表面。
12.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述毛细结构包括层叠设置或拼接设置的所述疏水结构层与所述亲水结构层。
13.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述冷却介质为去离子水或超纯水。
14.结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述均热板还包括支撑结构，所述支撑结构设置于所述壳体的密封腔体内，用于保持所述壳体的形状，且所述支撑结构抵接于所述第一盖板与所述第二盖板之间。
15.第二方面，本技术提供一种超薄均热板的制备方法，所述方法包括：
16.将第一盖板及第二盖板经清洁和干燥后进行蚀刻或沉积或膜层表面处理；其中，所述蚀刻处理包括激光蚀刻或化学蚀刻中的任意一种，所述膜层处理包括电镀、化学酸洗、化学碱洗中的任意一种；
17.将所述第一盖板和/或所述第二盖板的内表面浸泡在硬脂酸溶液中，在25℃～40℃下自组装8～10小时，得到疏水结构层；
18.将金属材质的多孔介质在800℃～980℃高温下烧结3～4小时，在所述第一盖板和/或所述第二盖板的内表面形成亲水结构层；
19.将所述第一盖板和所述第二盖板扣合形成具有开口的腔体，并在保护气氛下进行焊接；
20.通过所述开口往所述腔体内注入冷却介质，并通过所述开口抽取所述腔体中的空气使得所述腔体处于负压状态，封堵所述开口并焊接密封制成超薄均热板。
21.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述第一盖板及所述第二盖板的材质为纯铜、铜合金、不锈钢、铝合金、钛金属、钛合金或塑料中的任意一种。
22.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，将第一盖板及第二盖板经清洁和干燥后进行蚀刻处理，包括：
23.将第一盖板及第二盖板浸入无水乙醇溶液中，进行超声波清洗，去除盖板表面的油污后烘干；
24.再将烘干后的所述第一盖板及所述第二盖板设置于蚀刻液中蚀刻35～40分钟，其中，所述蚀刻液包括硫酸铁溶液及硫酸溶液；
25.将蚀刻处理后的所述第一盖板及所述第二盖板用去离子水清洗后烘干。
26.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述硬脂酸溶液为0.1～0.25mol/l。
27.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述均热板的厚度为0.1～0.4mm。
28.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述疏水结构层的厚度为0.001～0.2mm。
29.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述多孔介质为铜材质的丝网，所述丝网的孔径为200～450目，所述亲水结构层的厚度为0.03～0.2mm。
30.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述冷却介质为去离子水或超纯水。
31.结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述保护气氛为氢气和氮气的混合气体。
32.第三方面，本技术提供一种电子设备，包括工作模块和散热模块，所述散热模块包括上述的超薄均热板，所述超薄均热板用于对所述工作模块散热。
chamber，下面简称为vc)与热管(heat pipe)原理相似，利用密封腔体内工质(冷却介质)液相沸腾相变为气相吸热、气相凝结为液相放热，以毛细力、重力等作为液相工质输运动力，完成气液相在vc冷热区域相变循环，从而利用相变潜热、热传导、对流等方式实现高效的热交换。均热板可以认为是形状自由度更高的热管，可实现不规则设计和大跨度即热管应用于一维散热，均热板还可以实现二维、三维散热。
54.本技术技术方案所提供的均热板被应用于电子设备，例如手机、平板电脑、笔记本电脑，及相关的具备散热功能的模块、结构件、功能件等等。电子设备包括工作模块和散热模块，散热模块包括均热板100，均热板100用于对工作模块散热。具有本技术提供的均热板100的电子设备均温性能和传热性具有了显著提升。
55.图1为现有技术中均热板的结构示意图，如图1所示，均热板100’由上盖板10’、下盖板20’、毛细结构30’和工质(图未示)等组成。具体地，均热板的上盖板10’和下盖板20’可以以焊接密封的方式组成一个密封腔体40’，该密封腔体40’内部可以布置毛细结构层30’，并在毛细结构层30’中填充一定量的冷却介质(例如可以是水)，从而形成一个相变循环系统。均热板的散热过程也即利用冷却介质发生气液两相变化的两相散热过程。
56.为了更好的理解技术方案，这里先对实施例的工作原理进行介绍，图2为本技术实施例提供的均热板的工作原理示意图，如图2所示，均热板100包括蒸发区和冷却区，两个区域根据具体的工作场景需要进行确定，可以分别为整个上盖板或整个下盖板，也可以为上盖板或整个下盖板的某一部分。当热由热源传导至均热板100的蒸发区时，密封腔体内的冷却介质在低真空度的环境中受热后开始产生气化现象，此时吸收热能体积迅速膨胀，气相的冷却介质迅速充满整个密封腔体，当气相冷却介质进入冷却区时便会产生凝结的现象。借由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热，凝结后的冷却介质会借由毛细结构再回到蒸发热源处，此运作将在密封腔体内周而复始进行。
57.因此，均热板的散热功能主要是通过冷却介质的气液两相变化实现的。均热板的散热过程包括了传导、蒸发、对流、凝结四个主要步骤。均热板内部汽化持续进行，随着温度的变化其内部压力会随之维持平衡。均热板的尺寸覆盖范围大、布局灵活，可以根据热源的实际尺寸和分布情况设计其尺寸规格，从而灵活的覆盖热源，实现同时为多个热源散热。
58.从上述的工作原理可以看出，实施例中的均热板100提供一个密封空间，供冷却介质在内部进行气液两相的转化。考虑到不同冷却介质在发生气液两相转变时，释放的相变潜力能力不同，通常选用水作为该冷却介质。
59.目前的均热板由于毛细结构的亲水性，使得冷却介质在毛细结构的表面形成一层液膜，使得冷却介质在换热时内部气泡产生与脱落的速率减慢，同时使均热板的径向热阻升高，换热壁面过热度增大，从而导致均热板的均温性能与传热性能变差。
60.针对现有技术中存在的问题，下面继续探讨本发明实施例的技术方案。
61.本技术实施例提供了一种超薄均热板。需要指出的是，实际均热板可根据产品做不等厚不规则设计，不限于长方体。图3示出了本技术实施例提供的一种超薄均热板的整体结构示意图。如图3所示，均热板100包括第一盖板10、第二盖板20及毛细结构30，第一盖板10与第二盖板20密封连接形成具有密封腔体40的壳体。所述密封腔体40内部为负压环境且设有冷却介质。进一步地，通过设置在壳体上的开口，可以提前对密封腔体40内部进行抽真空，并且注入冷却介质，例如去离子水、超纯水等。
62.在一种实施方式中，所述第一盖板及所述第二盖板的材质为纯铜、铜合金、不锈钢、铝合金、钛金属、钛合金或塑料中的任意一种，其中，铜合金例如可以是紫铜、黄铜、青铜、白铜等。塑料例如可以是聚四氟乙烯。
63.进一步地，在第一盖板10和/或所述第二盖板20的内表面包括疏水结构层41及亲水结构层42。在一种实施方式中，所述疏水结构层41设置于所述第一盖板10的内表面，所述亲水结构层42设置于所述第二盖板20的内表面。
64.其中，疏水结构层41由所述第一盖板和/或所述第二盖板和/或所述毛细结构经过蚀刻或沉积或膜层处理后进行表面疏水化处理得到。示例性地，所述蚀刻液包括硫酸铁溶液及硫酸溶液。硬脂酸溶液例如可以是硬脂酸的乙醇溶液，疏水结构层31的厚度为0.001～0.2mm，优选地，疏水结构层41的厚度为0.001～0.1mm。
65.沉积例如可以是化学气相沉积或物理气相沉积等，膜层处理包括电镀、化学酸洗、化学碱洗中的任意一种。
66.所述亲水结构层42由金属材质的多孔介质烧结处理得到，金属材质例如可以是铜或铜合金。多孔介质例如可以是丝网、铜纤维等。在本实施例中，多孔介质为铜丝网，丝网的孔径为200～450目。在烧结处理时，控制丝网在800℃～890℃高温下烧结3～4小时，烧结后形成的亲水结构层的厚度为0.03～0.2mm，优选地，亲水结构层的厚度为0.05～0.2mm。
67.可以理解地，通过烧结方式将亲水结构层42与第一盖板10和第二盖板20相对的表面进行结合，防止在使用过程中亲水结构层42的位置发生变化，确保了产品工作的稳定性。在其他实施方式中，可以将铜网放入密封腔体40内不做任何连接加工，避免了因烧结、热焊接或冷压等方式加工对均热板带来的影响，确保了均热板的结构稳定性。
68.在本实施例中，第一盖板10、第二盖板20的厚度均小于等于0.2mm。所述第一盖板10与所述第二盖板20采用扩散焊或钎焊或激光焊接，均热板的整体厚度为0.1～0.4mm。
69.图4～8分别示出了本技术实施例提供的一种超薄均热板的结构示意图。
70.图4示出了本技术实施例提供的另一种超薄均热板的结构示意图。所述疏水结构层41与所述亲水结构层42拼接设置于所述第一盖板和/或所述第二盖板的内表面。如图4所示，第一盖板10的内表面设有疏水结构层41，所述疏水结构层41与所述亲水结构层42拼接设置于第二盖板20的内表面。第一盖板10靠近冷凝区，第二盖板20靠近蒸发区。在其他实施例中，根据热源所在的位置，所述疏水结构层41与所述亲水结构层42也可以拼接设置于所述第二盖板20的内表面。如图5a～5c所示，疏水结构层41与亲水结构层42的拼接方式可以局部拼接、全拼接、间隔拼接等等。疏水结构层41与亲水结构层42的面积可以等大也可以不等大，如图6所示，每个疏水结构层41与每个亲水结构层42的厚度可以相同或不同。
71.图9示出了本技术实施例提供的另一种超薄均热板的结构示意图。如图9所示，所述疏水结构层41与所述亲水结构层42层叠设置于所述第一盖板和/或所述第二盖板的内表面。在本实施例中，疏水结构层41与亲水结构层42间隔层叠设置。疏水结构层41与亲水结构层42的面积可以等大也可以不等大，每个疏水结构层41与每个亲水结构层42的厚度可以相同或不同。在本实施例中，疏水结构层41与亲水结构层42间隔层叠设置。
72.进一步地，均热板的密封腔体40内设有毛细结构30，具体地，毛细结构30与第一盖板10和第二盖板20可以平行设置，也可以根据设计需求进行设置，例如环绕设置于支撑结构上，在此不做限定。毛细结构30包括疏水结构层及亲水结构层。示例性地，可以将毛细结
构铜纤维的部分置于硬脂酸的乙醇溶液中，进行表面疏水化处理，使得毛细结构形成疏水结构层，其余未处理的铜纤维则是亲水结构层。示例性地，毛细结构30可以设置于第一盖板10和/或所述第二盖板20的内表面。毛细结构30包括层叠设置或拼接设置的所述疏水结构层41与所述亲水结构层42。
73.毛细结构30内填充冷却介质，该冷却介质例如可以是去离子水、甲醇、丙酮等，通过工质的气液两相变化可以实现均热板的散热。其具体散热原理以及散热路径如上文介绍所述。
74.均热板的密封腔体40设有与外界连通的开口。开口可为注液口或抽真空口。通过开口往所述密封腔体40内注入冷却介质，并且通过开口对密封腔体40进行抽真空处理，然后对开口进行密封，使得密封腔体40处于真空负压状态。当密封腔体40内部被抽真空时，被注入的冷却介质就处于负压状态，一旦冷却介质在蒸发区受热，就会发生气化现象。气化后的冷却介体积变大，充斥整个腔体，在冷却区域，气态的冷却介质散掉热量也液化为液态的冷却介质，液化后的冷却介质借助毛细结构30重新回到蒸发区域。这样就在密封腔体40内形成一个热传递的循环。
75.如图10所示，第一盖板10及第二盖板20的形状、封边形式、连接方式等均可以根据实际需要进行相应地设计及更改。
76.在一种实施方式中，冷却介质为去离子水或超纯水。可以理解地，水作为最常用的冷却介质，其生产成本低、制作简单，有利于降低整个均热板的生产成本，而且相比于甲醇、丙酮等，水作为冷却介质，更加安全可靠。
77.图11为本技术实施例提供的另一种超薄均热板的结构示意图，如图11所示，均热板100还包括支撑结构50，所述支撑结构50设置于壳体110的密封腔体40内，用于保持所述壳体110的形状，支撑结构50抵接于第一盖板10与第二盖板20之间。
78.支撑结构50自壳体110的内表面向壳体110的内部空间延伸。支撑结构50之间的通道为蒸汽通道和/或毛细结构。可以理解地，支撑结构能够用于抵抗内外大气压差以及其他外力对均热板造成的形变，以免蒸汽通道和毛细结构被压扁造成均热板失效。
79.具体地，在第二盖板20上设置有支撑结构50，支撑结构50呈阵列式的分布在第二盖板20上，当第一盖板10与第二盖板20密封连接形成密封腔体40时，支撑结构50在密封腔体40内形成支撑的保护作用，以防止均热板100的密封腔体40因为受到挤压发生变形。为了保证支撑结构50能够很好的起到支撑定型的作用，支撑结构50的高度等于密封腔体40的高度。同时，支撑结构50阵列式分布有利于均热板轻量化设计，有利于均热板质量的均匀分布，有利于电子设备整体重心的设计把控。
80.支撑结构50可以在第一盖板或第二盖板上直接加工制备。即，支撑结构50与壳体110为一体式结构，支撑结构50例如为多个呈阵列排布的凸柱或凸点。具体地，采用蚀刻的方式制作第一盖板10和第二盖板20，第一盖板10的第二材料层12用过蚀刻处理降面形成凹面，第二盖板20的第二材料层12通过蚀刻降面形成阵列排列的凸柱，凸柱即为支撑结构50。通过蚀刻工艺以做减法的方式加工得到的支撑结构50，能够极大保证支撑结构50与和第二盖板20连接稳固性，避免了对二者之间的粘接或者焊接工艺，简化了加工的流程。可以理解地，在本实施例中，支撑结构50的材质为铜或铜合金，通过搭配高强度的壳体，同样能够保证整个均热板的强度。
81.支撑结构50也可以单独制备出来后与第一盖板或第二盖板通过焊接等方式固定连接。具体地，采用冲压的方式对第二盖板20进行加工，首先对第二盖板20的板材进行冲压成型，然后在进行反向拉伸，形成下凹区域，最后将支撑结构50与第二盖板20焊接固定，形成均匀阵列排布的支撑结构50。在本实施例中对支撑结构50的形状不做限定，例如可以是圆柱型、方块形、锥形等等，多个支撑结构50也可以是上述多种形状混合设计，在此不做限定。
82.本技术实施例还提供了一种超薄均热板的制备方法，方法包括：
83.步骤s01，将第一盖板及第二盖板经清洁和干燥后进行蚀刻或沉积或膜层表面处理；其中，所述蚀刻处理包括激光蚀刻或化学蚀刻中的任意一种，所述膜层处理包括电镀、化学酸洗、化学碱洗中的任意一种；
84.步骤s02，将所述第一盖板和/或所述第二盖板的内表面浸泡在硬脂酸溶液中，在25℃～40℃下自组装8～10小时，得到疏水结构层；
85.步骤s03，将金属材质的多孔介质在800℃～890℃高温下烧结3～4小时，在所述第一盖板和/或所述第二盖板的内表面形成亲水结构层；
86.步骤s04，将所述第一盖板和所述第二盖板扣合形成具有开口的腔体，并在保护气氛下进行焊接；
87.步骤s05，通过所述开口往所述腔体内注入冷却介质，并通过所述开口抽取所述腔体中的空气使得所述腔体处于负压状态，封堵所述开口并焊接密封制成超薄均热板。
88.可以理解地，所述亲水结构层能增强超薄均热板的毛细性能，提高冷却介质的回流速度；所述疏水结构层能够有效的阻止液膜的形成，提高了气化核心密度，减小壁面过热度，同时使超薄均热板的径向热阻降低，提升了超薄均热板的均温性能和传热性能。
89.其中，所述第一盖板及所述第二盖板的材质为纯铜、铜合金、不锈钢、铝合金、钛金属、钛合金或塑料中的任意一种。铜合金例如可以是紫铜、黄铜、青铜、白铜等，塑料例如可以是聚四氟乙烯。
90.在一种实施方式中，步骤s01包括：
91.将第一盖板及第二盖板浸入无水乙醇溶液中，进行超声波清洗，去除盖板表面的油污后烘干。超声波清洗时间为5～10分钟，去除盖板表面的油污。
92.将烘干后的所述第一盖板及所述第二盖板设置于蚀刻液中蚀刻35～40分钟，其中，所述蚀刻液包括硫酸铁溶液及硫酸溶液。具体地，蚀刻液是质量分数为3.5％fe2(so4)3、质量分数为75％h2so4和去离子水的混合液，体积比例为1:3:10。
93.将蚀刻处理后的所述第一盖板及所述第二盖板用去离子水清洗后烘干。
94.在另一种实施方式中，步骤s01包括：
95.将第一盖板及第二盖板浸入无水乙醇溶液中，进行超声波清洗，去除盖板表面的油污后烘干。超声波清洗时间为5～10分钟，去除盖板表面的油污。
96.将烘干后的所述第一盖板及所述第二盖板采用真空镀膜或电镀镀膜的方式在第一盖板及第二盖板的表面覆盖金属层，其中，金属层的材料为铜或钛。
97.将膜层处理后的所述第一盖板及所述第二盖板用去离子水清洗后烘干。
98.例如在塑料的第一盖板和第二盖板上膜层处理形成金属层，然后利用表面疏水化处理得到疏水结构层。
99.进一步地，在步骤s02中，硬脂酸溶液例如可以是硬脂酸的乙醇溶液，硬脂酸溶液的浓度为0.1～0.25mol/l。疏水结构层31的厚度为0.001～0.2mm，优选地，疏水结构层31的厚度为0.001～0.1mm，能够使得均热板的整体更加轻薄。
100.在步骤s03中，多孔介质例如可以是丝网、铜纤维等。在本实施例中，多孔介质为铜丝网，丝网的孔径为200～450目。在烧结处理时，控制丝网在800℃～980℃高温下烧结3～4小时，烧结后形成的亲水结构层的厚度为0.03～0.2mm，优选地，亲水结构层的厚度为0.05～0.25mm。
101.进一步地，如图12～13所示，步骤s04，包括：
102.步骤s041，将第一盖板10、第二盖板20浸入到无水乙醇溶液中，用超声波进行清洗5～10min，以除去表面的油污；
103.步骤s041，将第二盖板20放入到凹型石墨模具80中，然后将铜管一端插入到凹型石墨模具中，铜管的表面涂有铜膏，用于形成抽真空和注液的开口；
104.步骤s042，将第一盖板10放入凸型石墨磨具90中，并与第二盖板相贴合，最后将凸型石墨磨具与凹型石墨磨具相互压合；
105.步骤s043，利用畸形夹给石墨磨具施加额外的压力，防止上下盖板在扩散焊的过程中发生变形与错位；
106.步骤s044，将石墨磨具放入到高温烧结炉中进行扩散焊接，扩散焊接的温度为850℃～920℃，为防止氧化，焊接需要在保护气氛中进行，保护气氛为氢气与氮气的混合气体，氢气与氮气的体积比为2：98；
107.步骤s045，扩散焊接完成后，松开畸形夹。
108.进一步地，步骤s05中采用的冷却介质为超纯水。可以理解地，水作为最常用的冷却介质，其生产成本低、制作简单，有利于降低整个均热板的生产成本，而且相比于甲醇、丙酮等，水作为冷却介质，更加安全可靠。
109.本实施例还提供一种电子设备，包括工作模块，所述散热模块包括上述的超薄均热板，所述超薄均热板用于对所述工作模块散热。电子设备例如手机、平板电脑、可穿戴设备(如智能手表)等，在此不做限定。
110.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。