一种具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄VC均热板及其设计方法与流程

一种具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板及其设计方法
技术领域
1.本发明涉及精密蚀刻技术领域，尤其涉及一种具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板及其设计方法。


背景技术：

2.目前，普遍采用vc均热板，对cpu、pcb、电池等电子元器件进行散热、温度控制。电子元器件因其发热面积的大小不同，导致的高温区、中高温区、低温区的形状差异较大，而现有的用于解决散热问题的vc均热板形式单一，业界一般采用蚀刻工艺制造，是将两片铜合金上蚀刻出真空腔体，再采用电阻焊工艺把200～250目毛细铜网固定在腔体中，然后将铜片焊接为一体，并经抽真空、加注冷却液、二次除气、头部点焊等工序，完成vc均热板的制造。
3.现有的vc均热板在针对发热面积为中小面积，并且有明显的高、中高、低温区域区分的电子元器件散热及温控上会存在如下缺陷：
4.1、无法进一步降低vc均热板的体积、厚度、重量，不利于vc均热板的小型化、轻量化；
5.2、采用200～250目毛细铜网进行冷却液的储存器，加工工序复杂，成本高；
6.3、铜合金上蚀刻出的冷却液槽道通常为从上到下贯通的槽道，冷却液流通路径长且循环效率差，无法有针对性的对中小面积发热表面散热，从而导致降低发热表面温度差的难度大，无法进一步提升用户的体验感。
7.为解决上述问题，有必要提供一种新型的vc均热板，在加快冷却液循环的同时，进一步提升散热效率，降低发热表面温度差。


技术实现要素：

8.根据上述提出的技术问题，而提供一种具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板及其设计方法，尤其适用于发热面积为中小面积，并且有明显的高、中高、低温区域区分的电子元器件散热及温控。本发明采用在vc均热板下盖板上蚀刻阿基米德螺旋线槽道的设计方法，通过红外测温方式对电子元器件，如对线路板进行检测，可以直观地体现高、中高、低温区域的温度、面积大小、形状，再根据发热元器件所在位置、形状、工作温度，设计冷却液相变流出蚀刻槽道、冷却液相变回流蚀刻槽道、初始储液槽、平衡温度储液槽、边缘冷却液储液槽等结构，下文描述所涉及的初始储液槽、螺旋线蚀刻槽道、边缘储液槽等结构均采用半蚀刻工艺。本发明采用阿基米德螺旋线作为蚀刻槽道可以将散热效率提升30％以上，发热表面的温度差控制在1～3度内，有效稳定散热元器件的运行环境，提升运行效率。
9.本发明采用的技术手段如下：
10.一种具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板，其特征在于，在vc均热板下盖板上设置有至少一个具有螺旋曲线蚀刻槽道的降温单元，所述降温单元包括初始储液槽、多条与所述初始储液槽相连通的螺旋曲线蚀刻槽道以及设置在所述螺旋曲线蚀刻槽道上的多
个平衡温度储液槽；所述初始储液槽的位置与电子元器件的高温区为同一位置。
11.进一步地，所述螺旋曲线蚀刻槽道的设置满足阿基米德螺旋曲线公式：
12.ρ＝r
×
((ω/ν)
×
θ 1)，
13.其中，r为电子元器件高温区的半径，将其作为初始储液槽的半径，ω为冷却液从初始储液槽的圆心位置向各出口流动的直线运动速度，ν为冷却液沿初始储液槽圆周流动速度，ω/ν≈1基本不变，以θ为45
°
切线法设计阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道。
14.进一步地，所述平衡温度储液槽设置在阿基米德螺旋曲线45
°
切线的点上，所述平衡温度储液槽的直径是所对应位置螺旋曲线蚀刻槽道宽度的1.5～2倍。
15.进一步地，所述螺旋曲线蚀刻槽道的结构形式为等宽、逐渐变窄或逐渐变宽中的一种或一种以上的组合。
16.进一步地，所述降温单元的螺旋曲线蚀刻槽道的总数量为n，满足：n＝冷却液相变流出通道数量n
出
冷却液相变回流通道数量n
回
连接相邻降温单元的通道数量n
连
，其中，当所述降温单元为一个时，连接相邻降温单元的通道数量n
连
＝0。
17.进一步地，所述降温单元中，连接相邻降温单元通道的螺旋曲线蚀刻槽道为等宽的结构形式。
18.进一步地，所述降温单元中，流入边缘冷却液储液槽的冷却液相变流出通道为逐渐变宽的结构形式；回流到初始储液槽中的冷却液相变回流通道为逐渐变窄的结构形式，即从初始储液槽开始到边缘冷却液储液槽止，逐步变窄。
19.进一步地，在所述冷却液相变回流通道的入口旁设置有冷却液循环流量调节口。
20.进一步地，所述vc均热板的上盖板上蚀刻有用于增加散热面积的波浪形槽道。
21.本发明还公开了一种具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
22.s1、以电子元器件高温区的半径r作为初始储液槽的半径，初始储液槽的位置与电子元器件的高温区为同一位置；
23.s2、在vc均热板下盖板上设计具有螺旋曲线蚀刻槽道的降温单元，使螺旋曲线蚀刻槽道满足阿基米德螺旋曲线公式：
24.ρ＝r
×
((ω/ν)
×
θ 1)，
25.其中，r为电子元器件高温区的半径，ω为冷却液从初始储液槽的圆心位置向各出口流动的直线运动速度，ν为冷却液沿初始储液槽圆周流动速度，ω/ν≈1基本不变，以θ为45
°
切线法设计阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道；蚀刻槽道的数量根据电子元器件温控要求，散热面表面温差要求进行设计；
26.s3、设计多个降温单元时，与电子元器件的核心高温区位置相对应的为核心降温单元，相邻降温单元的初始储液槽之间采用等宽的螺旋曲线蚀刻槽道连通，连通的蚀刻槽道数量根据电子元器件温控要求，散热面表面温差要求进行设计；
27.s4、流入边缘冷却液储液槽的螺旋曲线蚀刻槽道逐步变宽，回流到初始储液槽的螺旋曲线蚀刻槽道逐步变窄；
28.s5、每条螺旋曲线蚀刻槽道上均有若干数量的平衡温度储液槽；
29.s6、回流到核心降温单元的初始储液槽的螺旋曲线蚀刻槽道回流入口旁设置冷却液循环流量调节口；
30.s7、vc均热板上盖板蚀刻成波浪形，与vc均热板下盖板焊接固定。
31.本发明具有以下优点：
32.本发明为进一步降低现有vc均热板的体积、厚度和重量，使vc均热板向小型化、轻量化方向发展，在不使用200～250目毛细铜网作为冷却液的储存器前提下，采用阿基米德螺旋线的蚀刻槽道设计方法进行设计。
33.本发明采用阿基米德螺旋线作为蚀刻槽道的设计方案是基于阿基米德螺旋曲线属于等速比、等距比螺旋曲线，利用其在柱面内过柱面上两点的各种曲线中螺线长度最短的特性，可以在缩短冷却液蚀刻槽道长度的同时，提高冷却液的循环频率，从而达到快速降温的效果。
34.本发明可以将散热效率提升30％以上，发热表面的温度差控制在1～3度内，总的产品厚度从0.3～0.4mm范围，下降到≤0.2mm，有效稳定散热元器件的运行环境，提升运行效率；同时降低了vc均热板加工工序复杂性，解决加工成本高的问题。
35.基于上述理由本发明可在精密蚀刻领域广泛推广。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板的组合示意图。
38.图2为发热电子元器件温度区间示意图。
39.图3为冷却液在初始储液槽中流动的示意图。
40.图4为本发明螺旋曲线等宽蚀刻槽道示意图。
41.图5为本发明螺旋曲线逐步变宽蚀刻槽道示意图。
42.图6为本发明螺旋曲线逐步变窄蚀刻槽道示意图。
43.图7为本发明具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板下盖板示意图。
44.图8为本发明vc均热板下盖板边缘储液槽示意图。
45.图9为本发明vc均热板上盖板示意图。
46.图中：1、vc均热板上盖板；2、vc均热板下盖板；3、冷却液加注口；4、排气口；5、冷却液循环流量调节口；6、焊接面；7、初始储液槽ⅰ；8、螺旋曲线蚀刻槽道；9、平衡温度储液槽；10、初始储液槽ⅱ；11、初始储液槽ⅲ；12、冷却液相变流出通道(5#蚀刻槽道)；13、冷却液相变回流通道(6#蚀刻槽道)；14、边缘冷却液储液槽；15、高温区；16、中高温区；17、低温区；
47.a、降温单元ⅰ；b、降温单元ⅱ；c、降温单元ⅲ；d、蚀刻槽道连通区ⅰ(1#～2#蚀刻槽道)；e、蚀刻槽道连通区ⅱ(3#～4#蚀刻槽道)；f、冷却液流动方向。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
49.如图1所示，本发明提供的一种具有螺旋曲线蚀刻槽道的超薄vc均热板，从图中可以看出，本发明vc均热板的结构仅包括vc均热板上盖板1和vc均热板下盖板2两个组件，不使用200～250目毛细铜网，有效降低工艺复杂程度、产品成本。
50.如图9所示，上盖板1蚀刻成波浪形，在增加散热面积，增强散热效果的同时，有效降低重量。
51.如图7所示，vc均热板下盖板2的上端设置有冷却液加注口3和排气口4，下盖板端面为焊接面6(没有进行蚀刻的表面)，在下盖板主体部位设置3个具有螺旋曲线蚀刻槽道的降温单元和用于承接冷却液的边缘冷却液储液槽14，vc均热板上盖板1和vc均热板下盖板2通过焊接固定成形。
52.进一步地，本实施例中，为保证整个降温区域快速降温、降温区温差控制在1～3℃范围内，本发明设置3个降温单元，与电子元器件的高温区为同一位置的为降温单元ⅰa(核心降温区)、紧邻降温单元ⅰa两侧为降温单元ⅱb和降温单元ⅲc。所述降温单元包括初始储液槽、多条与所述初始储液槽相连通的螺旋曲线蚀刻槽道以及设置在所述螺旋曲线蚀刻槽道上的多个平衡温度储液槽，初始储液槽、螺旋曲线蚀刻槽道、平衡温度储液槽以及边缘冷却液储液槽均采用半蚀刻的方式。
53.通过红外测温方式对电子元器件，如对线路板进行检测，可以直观地体现高、中高、低温区域的温度、面积大小、形状，如图2所示，发热电子元器件温度区间示意图。高温区15温度区间在50～60℃，中、高温区温度16在40～50℃，低温区温度17在35～40℃。
54.如图3、4所示，所述螺旋曲线蚀刻槽道的设置满足阿基米德螺旋曲线公式：
55.ρ＝r
×
((ω/ν)
×
θ 1)，
56.其中，圆形初始储液槽的位置与电子元器件的高温区为同一位置；
57.r为电子元器件高温区的半径，将其作为初始储液槽的半径；
58.初始储液槽内的冷却液受热膨胀，ω为冷却液从初始储液槽的圆心位置向各出口流动的直线运动速度，ν为冷却液沿初始储液槽圆周流动速度，ω/ν≈1基本不变，以θ为45
°
切线法设计阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道。
59.由此，推导出阿基米德螺旋曲线公式在ω≈ν情况下为：ρ＝r
×
(θ 1)，r为已知的高温区半径；阿基米德螺旋曲线属于等速比、等距比螺旋曲线，在高温区不同温度情况下，冷却液流动速度会随之发生变化，但不论冷却液的流动速度如何变化，其直线运动速度ω、圆周速度ν等比变化，对应不同的直线运动速度ω、圆周速度ν，ω/ν≈1基本不变，曲线形状、螺距不变。
60.据此采用45
°
切线法设计阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道，本实例是以在圆形初始储液槽圆周上均布6个阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道进行说明。实际设计中可以根据温控、发热表面的温度均匀性、散热效率等要求，调整蚀刻槽道数量，蚀刻槽道数量增加，温控越精准，发热表面的温度均匀性越高，散热效率将按蚀刻槽道增加的数量，成比例大幅提升，适于在电子元器件的高温区域，尤其适用于发热面积为中小面积，并且有明显的高、中高、低温区域区分的电子元器件散热及温控。
61.如图4所示，冷却液受热汽化，从圆形初始储液槽ⅰ7向圆形初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11流动，其中，f为冷却液流动方向。螺旋曲线蚀刻槽道8宽度不变，圆形平衡温度
储液槽9在阿基米德螺旋曲线45
°
切线的点上，直径是所对应位置蚀刻槽道宽度的1.5～2倍，是进一步均匀、平衡散热面散热效果的关键结构形式，初始储液槽内没有螺旋曲线，图示以虚线示出仅为保持螺旋曲线的完整性。
62.如图5所示，当冷却液受热汽化，从圆形初始储液槽ⅰ7向边缘冷却液储液槽14流动，螺旋曲线蚀刻槽道8逐渐变宽；圆形平衡温度储液槽9在阿基米德螺旋曲线45
°
切线的点上，直径是所对应位置蚀刻槽道宽度的1.5～2倍，是进一步均匀、平衡散热面散热效果的关键结构形式。
63.如图6所示，冷却液冷却液化，从边缘冷却液储液槽14向圆形初始储液槽ⅰ7回流，螺旋曲线蚀刻槽道8逐渐变宽；圆形平衡温度储液槽9在阿基米德螺旋曲线45
°
切线的点上，直径是所对应位置蚀刻槽道宽度的1.5～2倍，是进一步均匀、平衡散热面散热效果的关键结构形式。
64.如图7所示，以3个降温单元，每个降温单元6条螺旋曲线蚀刻槽道为例。在降温单元ⅰa(核心单元，参照图3的冷却液流动)与降温单元ⅱb、降温单元ⅲc之间，各有2条阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道相连，即连接相邻降温单元的通道数量n
连
＝2(即蚀刻槽道连通区ⅰd和蚀刻槽道连通区ⅱe，1#～2#蚀刻槽道和3#～4#蚀刻槽道)，蚀刻槽道宽度不变，初始储液槽ⅰ7的冷却液分别向初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11流动，是为了均匀发热元器件整体的温度均衡一致。
65.降温单元ⅰa中n
出
＝1，即有一条冷却液相变流出通道12直接与边缘冷却液储液槽14(5#蚀刻槽道)相连，越接近边缘冷却液储液槽14，渐开线蚀刻槽道越宽；降温单元ⅰa中n
回
＝1，即有一条冷却液相变回流通道13与边缘冷却液储液槽14相连(6#蚀刻槽道)，作为回流到初始储液槽ⅰ7的连通槽道，越接近初始储液槽，渐开线蚀刻槽道越宽，最宽处为最窄处的2～3倍。
66.降温单元ⅱb和降温单元ⅲc，各余下的4条螺旋曲线散热蚀刻槽道出口，均与边缘冷却液储液槽14直接相连，即冷却液相变流出通道数量n
出
＝4，越接近边缘冷却液储液槽14，渐开线蚀刻槽道越宽，最宽处为最窄处的2～3倍。
67.初始储液槽ⅰ7、初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11中冷却液受热汽化，经过螺旋曲线蚀刻槽道、平衡温度储液槽，会逐步降温液化，最终进入到冷却液边缘储液槽14中混合，形成温度一致的液化冷却液，再通过冷却液相变回流通道13回流到初始储液槽ⅰ7中。在这一过程中，在核心降温单元ⅰa中的冷却液相变流出通道12处，由于该区域温度过高，冷却液仍为汽化形态，从该出口直接流出，以快速降低温度。其他流出通道的冷却液以液化形态或汽液混合形态流出。
68.在所述冷却液相变回流通道13的入口旁设置有冷却液循环流量调节口5，在增大回流到初始储液槽ⅰ7的冷却液压力的同时，保证冷却液在边缘冷却液储液槽14中的正常循环。冷却液循环流量调节口5的结构形式可以为直通道形式，或者呈沿冷却液流动方向逐步变大的通道形式(如图8所示)，小端和大端宽度比＝1:2～3，根据压力调整需要设计，起中继加压作用。
69.vc均热板加工方面：
70.在下盖板上蚀刻出阿基米德螺旋曲线冷却液相变流出蚀刻槽道、冷却液相变回流蚀刻槽道、初始储液槽、平衡温度储液槽、边缘冷却液储液槽、冷却液加注口、排气口，上盖
板波浪形散热面
→
采用原子扩散焊方式将上下盖板焊接为一体
→
抽真空、加注冷却液
→
二次除气
→
注液口、排气口焊接，完成vc均热板的制造。
71.vc均热板上盖板1、vc均热板下盖板2均可使用t＝0.08～0.1mm的铜合金材料，将vc均热板的总厚度降低到0.16～0.2mm，总厚度在原0.3～0.4mm的基础上降低40％～60％；不使用200～250目的毛细铜网、vc均热板上盖板1蚀刻成波浪形(如图9所示)，在增加散热面积，增强散热效果的同时，有效降低重量，综合减轻重量30％以上。
72.vc均热板工作原理：
73.初始储液槽ⅰ7在高温区位置，冷却液受热汽化压力增加，通过1#、2#，3#、4#阿基米德螺旋曲线等宽蚀刻槽道向初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11流动，并通过初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11各自剩余的4条阿基米德螺旋曲线冷却液相变流出蚀刻槽道(蚀刻逐步变宽)，流向边缘冷却液储液槽14，这时冷却液冷却并液化，边缘冷却液储液槽14内压力增大；如果初始储液槽ⅰ7所在高温区温度过高，冷却液可直接汽化，通过5#阿基米德螺旋曲线冷却液相变流出蚀刻槽道12(蚀刻槽道逐步变宽)出口，直接流入边缘冷却液储液槽14；
74.边缘冷却液储液槽14内液化的冷却液，通过6#阿基米德螺旋曲线冷却液相变回流蚀刻槽道13，回流到初始储液槽ⅰ7；在6#蚀刻槽道入口旁边，有一个冷却液循环流量调节口5，在增大回流到初始储液槽ⅰ7的冷却液压力的同时，保证冷却液在边缘冷却液储液槽14中的正常循环。
75.初始储液槽ⅰ7与初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11之间，初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11与边缘冷却液储液槽14之间，初始储液槽ⅰ7和边缘冷却液储液槽14之间的阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道分别为：等宽、逐步变宽、逐步变窄蚀刻槽道结构形式，可以根据实际电子元器件的温控要求进行调整。
76.每一条阿基米德螺旋曲线蚀刻槽道上都有若干圆形平衡温度储液槽，宽度是对应位置蚀刻槽道的1.5～2倍，用以平衡局部位置的温差，有4种情况：
77.①
汽化的冷却液流经高温区，通过热传导的方式平衡高温区的温度，然后流入到边缘冷却液储液槽中；
78.②
汽化的冷却液流经低温区，通过汽化的冷却液流经低温区放热后液化的方式被带走热量，然后流入到边缘冷却液储液槽中；
79.③
液化的冷却液流经高温区，通过冷却液汽化方式带走高温区的热量，然后流入到边缘冷却液储液槽中；
80.④
液化的冷却液流经低温区，通过热传导的方式平衡低温区的温度，然后流入到边缘冷却液储液槽中。
81.本发明通过初始储液槽中的冷却液受热汽化与边缘冷却液储液槽冷却液化之间产生的压力差，推动冷却液从高温区域的初始储液槽，通过等宽、逐步变宽蚀刻槽道向边缘冷却液储液槽流动，通过6#阿基米德螺旋曲线冷却液相变回流蚀刻槽道的回流入口，回流到初始储液槽ⅰ中。为保证冷却液快速循环所需的压力，在6#回流入口旁边设计冷却液循环流量调节口，增大回流到初始储液槽ⅰ的冷却液压力，同时保证冷却液在边缘冷却液储液槽中的正常快速循环。阿基米德螺旋曲线数量、直接流出通道数量、直接回流通道数量，不同初始储液槽之间的连通通道数量，蚀刻槽道宽度尺寸，可以根据产品的温控、表面温差控制要求进行针对性设计。
82.以上各实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。